Indoor MIMO channel models

Abstract

Im Fokus der Betrachtungen für zukünftige Kommunikationssyteme stehen Mehrantennensysteme bestehend sowohl aus mehreren Sende- als auch mehreren Empfangsantennen (Multiple-Input Multiple-Output, MIMO).<br />MIMO-Systeme ermöglichen durch die Nutzung der räumlichen Dimension des Funkkanals eine deutliche Steigerung der Übertragungskapazität gegenüber konventionellen Kommunikationssystemen (mit je einer Sende- und Empfangsantenne) bei gleicher Sendeleistung und Übertragungsbandbreite.<br />Diese Dissertation befasst sich mit der Modellierung von MIMO-Funkkanälen innerhalb von Gebäuden (Indoor). Zunächst werden die gängigen Kanalmodelle kurz rezensiert. Die Modelle werden dabei in physikalische und analytische Modelle unterteilt.<br />Um zu überprüfen, inwieweit Modelle die Realität nachbilden können, werden diese im Allgemeinen einer experimentellen Validierung unterzogen. So auch MIMO-Kanalmodelle: Im zweiten Teil dieser Dissertation werden bekannte analytische Schmalbandmodelle, nämlich das sogenannte Kronecker Modell, das Weichselberger Modell und die virtuelle Kanalrepräsentation (virtual channel representation) mit Messungen einer umfangreichen Messkampagne bei 5.2GHz in den Büroräumen des Instituts für Nachrichtentechnik und Hochfrequenztechnik der Technischen Universität Wien verglichen. MIMO Kanäle weisen unterschiedliche Eigenschaften und Aspekte auf, die - wie sich im Rahmen dieser Arbeit herausgestellt hat - von einer einzigen Metrik alleine nicht erfasst werden können. Folgende vier Metriken werden daher für die Validierung der genannten Modelle verwendet: (i) die mittlere Transinformation des MIMO Kanals, als Maß für den Signalgewinn aus dem räumlichen Multiplex-Verfahren; (ii) das doppelt-richtungsabhängige Leistungsspektrum, das Einsicht in die räumliche Mehrwegeausbreitung gewährt und das Potential des Kanals für Strahlformung widerspiegelt; (iii) ein Diversitätsmaß für die Erfassung der Diversität des Kanals; sowie (iv) eine Distanz zwischen Korrelationsmatrizen (CMD), welche Änderungen der Korrelationen des MIMO-Kanals beschreibt.<br />

Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) systems are a promising candidate for future wireless communications systems as they provide high data rates by exploiting the spatial domain under the constraints of limited bandwidth and transmit power. It is the radio propagation channel that determines crucially the characteristics of the entire MIMO system. Therefore, accurate modeling of MIMO channels is an important prerequisite for MIMO system design, simulation, and deployment.<br />This thesis focuses on MIMO channel models for indoor environments. As a first step, recent work on indoor MIMO channel model is briefly reviewed. The models are classified into physical and analytical models.<br />The ultimate test of any model is experimental validation. Consequently, we compare some popular analytical narrowband models, viz. the so-called Kronecker model, the Weichselberger model, and the virtual channel representation with measurements. As the basis for our comparison we take measurements of an extensive 5.2GHz measurement campaign in the offices of the Institut für Nachrichtentechnik und Hochfrequenztechnik, Technische Universität Wien.<br />In the course of this work it turned out that a single metric or performance measure alone is not sufficient to verify the suitability of a MIMO channel model. In order to capture the most important aspects of MIMO channels four different metrics are applied. These metrics are (i) average mutual information (with equal transmit power allocation) describing the spatial multiplexing gain; (ii) the double-directional angular power spectrum, giving insight into the multipath structure and potential beamforming gain; (iii) a Diversity Measure, describing characterizing the changes in the full channel correlation.<br />