A circuit-theoretic and graph-based wireless channel model

Abstract

Diese Dissertation behandelt ein schaltungstheoretisches, graphbasiertes drahtloses Kanalmodell (CGCM), das Antennen, Streuer und Schaltungen in einem einheitlichen, auf S-Parametern basierenden System zusammenführt. Das Kanalmodell wird systematisch von Grund auf entwickelt. Zunächst werden die wesentlichen Grundlagen der Antennentheorie behandelt. Darauf aufbauend wird das vereinheitlichte Antennenmodell (Unified Antenna Model, UAM) für Fernfeldübertragung, -empfang und -streuung eingeführt. Das UAM basiert auf vier grundlegenden Gleichungen, aus denen vier Kenngrößen hervorgehen, die eine Antenne im Fernfeld vollständig charakterisieren. Das CGCM stellt die konsequente Erweiterung des UAM auf Szenarien mit mehreren Antennen und Streuern dar. Es erlaubt unter anderem die Modellierung von Mehrantennensystemen, analogen und hybriden Beamformern, rekonfigurierbaren intelligenten Oberflächen (RIS) sowie des Nahfelds großer Antennenarrays. Signale werden als Wurzel-Leistungswellen beschrieben und Kopplungsbeziehungen mittels S-Parametern formuliert, wodurch eine direkte Einbindung gemessener Antennendaten und HF-Komponenten ermöglicht wird. Die resultierende Matrixformulierung trennt Schaltungs- und Nahfeldkopplung von Fernfeld- und Streulinks und liefert eine kompakte Kanalbeschreibung, die sich für Analyse und Simulation über große Bandbreiten eignet. Eine Referenzimplementierung des Modells wird anhand breitbandiger Indoor-Messkampagnen im Frequenzbereich von 6–24 GHz unter Verwendung virtueller Arrays validiert. Es wird gezeigt, dass die Simulationen zentrale Kanaleigenschaften wie die Stärke der Sichtverbindung, die Mehrwege-Struktur, die räumliche Konsistenz sowie das frequenzabhängige Verhalten der Singulärwerte zuverlässig abbilden. Da diese Kanaleigenschaften im Bereich der Signalverarbeitung von großer Wichtigkeit sind, ist das CGCM besonders geeignet um Algorithmen an realistischen Funkkanälen zu testen.

This dissertation develops a circuit-theoretic and graph-based wireless channel model (CGCM) that unifies antennas, scatterers, and circuits in a single S-parameter-based framework. We build the channel model from the ground up, by first revisiting the most important fundamentals of antenna theory. On this basis we introduce the unified antenna model (UAM) for far-field transmission, reception, and scattering. The UAM itself is based on four central equations, which in turn introduce four characteristics that fully describe an antenna in the far-field. The CGCM is the logical extension of the UAM to multi-antenna and scatterer scenarios. Among the scenarios the CGCM can model are multi-antenna systems, analog and hybrid beam-formers, reconfigurable intelligent surfaces (RIS) and the near-field of large arrays. Signals are expressed as root-power waves and relations are S-parameters, allowing direct integration with measured antenna data and RF components. The resulting matrix formulation separates circuit/near-field coupling from far-field and scattering links, yielding a compact end-to-end channel description suitable for analysis and simulation over large bandwidths. A reference implementation was validated with wideband indoor measurement campaigns (6–24 GHz) using virtual arrays. We show that simulations capture key channel properties such as line-of-sight strength, multipath structure, spatial consistency, and singular-value behavior across frequency. These channel properties are important in the domain of signal processing, making the CGCM especially useful for testing algorithms against realistic channels.