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Antennen

Antennen Mehrantennen-Systeme und Raumdiversitäts- Verfahren im Überblick Bildquelle: IT Wissen Die Verwendung von mehreren Antennen bei Sender und/ oder Empfänger hat in der modernen Funkkommunikation große Verbreitung gefunden. Es sind drei Verfahren möglich: SIMO (Single Input Multiple Output), MISO (Multiple Input Single Output) und MIMO (Multiple Input Multiple Output). Mehrantennen-Systeme nutzen Raumdiversitäts-Techniken wie SC (Switches bzw. Selction Combining), STC (Space Time Coding), EGC (Equal Gain Combining) und MRC (Maximum Ratio Combining). Unser Beitrag verschafft Transparenz und stellt dazu die Systeme und Verfahren etwas näher vor. Ein Mehrantennenkonzept verspricht zwei grundsätzliche Vorteile: Erstens nehmen mehrere Antennen mehr Energie aus dem elektromagnetischen Feld auf (Gruppengewinn). Dann ist bei stark verschiedener Mehrwegeausbreitung das Fading an den einzelnen Antennen statistisch unabhängig und somit die Wahrscheinlichkeit, dass alle Antennen gleichzeitig von Fading betroffen sind, sehr gering (Diversitätsgewinn). Weiter kann man eventuell noch eine bessere Störerunterdrückung (Interferenz-Unterdrückungsgewinn) und höhere Übertragungsraten (Multiplexgewinn) erlangen. SIMO Eine Erhöhung der Empfangsfeldstärke kann durch zwei oder mehr Empfangsantennen erfolgen. Man spricht dann von Single Input Multiple Output (SIMO). Das ist auch als Empfangsdiversität (Receive Diversity) bekannt. Man nutzt das Verfahren schon lange beim Kurzwellenempfang, um die störenden Effekte von ionosphärischem Fading und Interferenzen zu mindern. SIMO hat den Vorteil, dass es relativ einfach zu implementieren ist, weist aber auch einige Nachteile bezüglich der Verarbeitung der Signale auf. Dennoch ist die Nutzung von SIMO in vielen Anwendungen akzeptabel, wenn aber der Empfänger mobil ist, setzten in aller Regel Größe, Kosten und Batteriebeanspruchung enge Grenzen. Es gibt zwei Formen, in denen man SIMO nutzen kann: • Switched Diversity SIMO Hier schaut der Empfänger gewissermaßen auf das stärkste Signal und schaltet auf die entsprechende Antenne. • Maximum Ratio Combining SIMO Hier nutzt SIMO alle Signale und kombiniert sie auf intelligenteste Weise. Obwohl schon seit langem bekannt und angewandt, bewährt sich SIMO doch auch in fortschrittlichen Konzepten, etwa beim Cognitive Radio [1]. MISO Werden anstelle einer mehrere Sendeantennen zur Abstrahlung des HF-Signals eingesetzt, heißen die Antennensysteme Multiple Input Single Output (MISO). MISO ist auch als Sendediversität (Transmit Diversity) bekannt. Das selbe Signal wird zeitgleich von zwei oder mehr Sendern abgestrahlt. Der Empfänger ist in der Lage, aus diesen Signalen ein besseres Signal herzustellen, und zwar besser als das beste Einzelsignal. Falls dieses jedoch den Qualitätsanforderungen auf der Empfangsseite entspricht, wird nur dieses empfangen. Der Vorteil bei der Anwendung des MISO-Verfahrens ist die Redundaz des ausgegebenen Signals. Diese wird allerdings nur dann erreicht, wenn sich die Ausbreitungswege deutlich unterscheiden. Denn nur dann ist davon auszugehen, dass eine Störung nur bei einem dieser Wege auftritt. Das MISO-Prinzip schöpft seine Berechtigung daraus, dass es umso sinnvoller ist, je mehr Empfänger zu bedienen sind. Die Investitionen für den besseren Empfang müssen nur einmal auf der Senderseite erfolgen, während die vielen Empfänger mit einfacheren Strukturen auskommen und dennoch eine hohe Datensicherheit erreicht wird. Das zahlt sich besonders aus, wenn der Empfänger mobil ist, denn dann sind Größe, Kosten und Batteriebeanspruchung besonders kritische Faktoren. MIMO = Space Time Coding Werden sowohl für die senderseitige Abstrahlung als auch für die Empfangsseite mehrere Antennen eingesetzt geht es um Multiple Input Multiple Output (MIMO). MIMO schöpft seine Vorteile aber nicht allein daraus, sondern erhöht durch eine intelligente Empfangssignalverarbeitung auch den Datendurchsatz. MIMO wurde entwickelt seit dem Ausbau der Mobilfunknetze zu Breitbandnetzen und stellt ein 18 hf-praxis 6/2018

Antennen Empfangene Signale A und B Switched Diversity Maximum Ratio Combining SNR Zeit C = max (A, B) C = (A + B) Vergleich zwischen Switched Diversity und Maximum Ratio Combining bei einem Empfänger mit zwei Antennen (Quelle: [2]) Verfahren dar, welches die Funktechnik grundlegend verbessert. Im Modulationsschema wird der bis dahin üblichen Frequenz- Zeit-Matrix eine dritte Dimension, der Raum, hinzugefügt. Man spricht von Space Time Coding. Dabei sendet man das Datensignal über mehrere Antennen. Gleichzeitig werden auch mehrere Empfangsantennen verwendet. Die signalverarbeitende Empfangseinheit bekommt durch mehrere Funksignale eine räumliche Information. Denn bei zwei Antennen trifft das selbe Funksignal aus zwei verschiedenen Richtungen beim Empfänger ein. Jedes eingehende Funksignal besitzt in der Regel seinen „räumlichen Fingerabdruck” (Spatial Signature). Der Empfänger setzt die Signale wieder passend zusammen. Dadurch verbessert sich die Leistung des ganzen Funksystems erheblich: Das Space Time Coding erhöht bei geringer Bitfehlerhäufigkeit die Datenrate in einer gegebenen Bandbreite deutlich. Gegenüber anderen Mehrantennenverfahren wird die Zuverlässigkeit einer Verbindung deutlich erhöht, nicht aber die mittlere Kanalkapazität. MIMO-Systeme passen die Übertragung an die Eigenschaften des Funkkanals an. Sie besitzen dazu komplexen Sende- und Empfangssysteme und benötigen eine hohe Rechenleistung. Zwecks optimaler Leistungsfähigkeit werden Antennen immer paarweise eingesetzt. Dadurch vereinfachen Gruppengewinn- und Diversitätsgewinn Der Gruppengewinn steigt mit der Anzahl von Empfangsantennen. Mit einer Verdoppelung der Antennen erreicht man maximal 3 dB. Bedingung ist immer: Die empfangenen Funksignale müssen phasenrichtig addiert werden, man spricht von Spatial Combining. Dazu muss man meist mindestens ein Verzögerungselement in die Signalverarbeitung einbauen. Die Funkstationen dürfen nicht zu dicht beieinander stehen. Die Grenze liegt in der Breite der Hauptkeule im Richtdiagramm. Zum Diversitätsgewinn: Funklöcher entstehen meist dadurch, dass sich die elektromagnetischen Wellen des ursprünglichen Signals und die des reflektierten Signals gegenseitig auslöschen. Die Entstehung von Funklöchern ist nicht nur von der Umgebung, sondern auch von deren Veränderung abhängig. Um zu vermeiden, dass ein Funksystem durch Funklöcher Empfangsprobleme bekommt, arbeitet man mit mehreren Sende- und Empfangsantennen. Es genügen schon zwei Antennen, um einen Diversitätsgewinn von mehreren Dezibel zu erreichen. hf-praxis 6/2018 19