Mobilfunkkanäle

ISBN-13: 9783663056560 / Niemiecki / Miękka / 2012 / 424 str.

Matthias Patzold; Otto Mildenberger

Opis

Das vorliegende Buch entstand wahrend meiner Tatigkeit als Oberingenieur des Arbeitsbereiches Digitale Kommunikationssysteme der Technischen Universitat Hamburg-Harburg. Es beruht auf meinem Skript zu der Vorlesung Moderne Methoden zur ModelIierung von Netzen, die ich seit dem Wintersemester 1996/97 fur Studierende hoherer Semester halte. Das Buch richtet sich vorrangig an Ingenieure, Informatiker und Physiker, die in der Industrie oder an Forschungsinstituten auf dem Gebiet der Mobilkommunikation tatig sind und daher dem behandelten Stoff ein besonderes Interesse entgegenbringen. Daruber hinaus ist das Werk fur Wissenschaftler geeignet, die an aktuellen Problemen der statistischen und deterministischen Kanalmodellierung arbeiten. Nicht zuletzt richtet es sich auch an Studenten der Fachrichtung Elektrotechnik im Hauptstudium. Zur Lekture des Buches werden Kenntnisse uber Stochastik und Systemtheorie vorausge- setzt, wie sie ublicherweise den Studenten in ingenieurwissenschaftlichen Studiengangen bis spatestens zum 6. Semester vermittelt werden. Zur Erleichterung des Verstandnisses wurden aus diesen Gebieten die fur die Zielsetzung des Buches relevanten Grundlagen zunachst rekapituliert. Aufbauend auf diesem Basiswissen werden von wenigen Aus- nahmen abgesehen alle Aussagen dieses Buches ausfuhrlich hergeleitet, wodurch ein hoher Grad an mathematischer Geschlossenheit vermittelt wird. Durch ausreichende Hinweise und Hilfestellungen wird sichergestellt, dass dem interessierten Leser die Verifikation der Ergebnisse mit angemessenem Aufwand gelingt. Langere Herleitungen, die den Fluss des Textes beeintrachtigen, wurden in den Anhang verlegt. Dort befindet sich auch eine Auswahl von MATLAB-Programmen, welche dem Anwender praktische Hilfestellung bei der Anwendung der im Buch beschriebenen Verfahren leisten sollen.

Spis treści

1 Einführung.- 1.1 Die Evolution der Mobilfunksysteme.- 1.2 Grundlagen des Mobilfunkkanals.- 1.3 Gliederung des Buches.- 2 Zufallsvariablen, stochastische Prozesse und deterministische Signale.- 2.1 Zufallsvariablen.- 2.1.1 Wahrscheinlichkeitsdichten.- 2.1.2 Funktionen von Zufallsvariablen.- 2.2 Stochastische Prozesse.- 2.2.1 Stationäre Prozesse.- 2.2.2 Ergodische Prozesse.- 2.2.3 Pegelunterschreitungsrate und mittlere Fadingdauer.- 2.3 Deterministische zeitkontinuierliche Signale.- 2.4 Deterministische zeitdiskrete Signale.- 3 Rayleigh- und Riceprozesse als analytische Modelle.- 3.1 Allgemeine Beschreibung der analytischen Modelle.- 3.2 Elementare Eigenschaften der analytischen Modelle.- 3.3 Statistische Eigenschaften der analytischen Modelle.- 3.3.1 Wahrscheinlichkeitsdichte der Amplitude und Phase.- 3.3.2 Pegelunterschreitungsrate und mittlere Fadingdauer.- 3.3.3 Die Statistik der Fadingdauern von Rayleighprozessen.- 4 Einführung in die Theorie der deterministischen Prozesse.- 4.1 Prinzip der deterministischen Kanalmodellierung.- 4.2 Elementare Eigenschaften von deterministischen Prozessen.- 4.3 Statistische Eigenschaften von deterministischen Prozessen.- 4.3.1 Wahrscheinlichkeitsdichte der Amplitude und Phase.- 4.3.2 Pegelunterschreitungsrate und mittlere Fadingdauer.- 4.3.3 Statistik der Fadingdauern bei kleinen Pegeln.- 4.3.4 Ergodizität und Kriterien zur Leistungsbewertung.- 5 Methoden zur Berechnung der Modellparameter von deterministischen Prozessen.- 5.1 Methoden zur Berechnung der diskreten Dopplerfrequenzen und der Dopplerkoeffizienten.- 5.1.1 Methode der gleichen Abstände (MED).- 5.1.2 Methode des mittleren quadratischen Fehlers (MSEM).- 5.1.3 Methode der gleichen Flächen (MEA).- 5.1.4 Monte-Carlo-Methode (MCM).- 5.1.5 Lp-Norm-Methode (LPNM).- 5.1.6 Methode der exakten Dopplerverbreiterung (MEDS).- 5.1.7 Jakes-Methode (JM).- 5.2 Methoden zur Berechnung der Dopplerphasen.- 5.3 Die Statistik der Fadingdauern von deterministischen Rayleighprozessen.- 6 Nichtfrequenzselektive stochastische und deterministische Kanalmodelle.- 6.1 Der erweiterte Suzukiprozess vom Typ I.- 6.1.1 Modellierung und Analyse der Kurzzeitstatistik.- 6.1.1.1 Wahrscheinlichkeitsdichte der Amplitude und Phase.- 6.1.1.2 Pegelunterschreitungsrate und mittlere Fadingdauer.- 6.1.2 Modellierung und Analyse der Langzeitstatistik.- 6.1.3 Der stochastische erweiterte Suzukiprozess vom Typ I.- 6.1.4 Der deterministische erweiterte Suzukiprozess vom Typ I.- 6.1.5 Anwendungen und Simulationsergebnisse.- 6.2 Der erweiterte Suzukiprozess vom Typ II.- 6.2.1 Modellierung und Analyse der Kurzzeitstatistik.- 6.2.1.1 Wahrscheinlichkeitsdichte der Amplitude und Phase.- 6.2.1.2 Pegelunterschreitungsrate und mittlere Fadingdauer.- 6.2.2 Der stochastische erweiterte Suzukiprozess vom Typ II.- 6.2.3 Der deterministische erweiterte Suzukiprozess vom Typ II.- 6.2.4 Anwendungen und Simulationsergebnisse.- 6.3 Der verallgemeinerte Riceprozess.- 6.3.1 Der stochastische verallgemeinerte Riceprozess.- 6.3.2 Der deterministische verallgemeinerte Riceprozess.- 6.3.3 Anwendungen und Simulationsergebnisse.- 6.4 Das modifizierte Loo-Modell.- 6.4.1 Das stochastische modifizierte Loo-Modell.- 6.4.1.1 Autokorrelationsfunktion und Dopplerleistungsdichtespektrum.- 6.4.1.2 Wahrscheinlichkeitsdichte der Amplitude und Phase.- 6.4.1.3 Pegelunterschreitungsrate und mittlere Fadingdauer.- 6.4.2 Das deterministische modifizierte Loo-Modell.- 6.4.3 Anwendungen und Simulationsergebnisse.- 7 Frequenzselektive stochastische und deterministische Kanalmodelle.- 7.1 Das Ellipsen-Modell von Parsons und Bajwa.- 7.2 Systemtheoretische Beschreibung frequenzselektiver Kanäle.- 7.3 Frequenzselektive stochastische Kanalmodelle.- 7.3.1 Korrelationsfunktionen.- 7.3.2 Das WSSUS-Modell nach Bello.- 7.3.2.1 WSS-Modelle.- 7.3.2.2 US-Modelle.- 7.3.2.3 WSSUS-Modelle.- 7.3.3 Die Kanalmodelle nach COST 207.- 7.4 Frequenzselektive deterministische Kanalmodelle.- 7.4.1 Systemfunktionen von frequenzselektiven deterministischen Kanalmodellen.- 7.4.2 Korrelationsfunktionen und Leistungsdichtespektren von DGUS-Modellen.- 7.4.3 Verzögerungsleistungsdichtespektrum, Dopplerleistungsdichtespektrum und Kenngrößen von DGUS-Modellen.- 7.4.4 Bestimmung der Modellparameter von DGUS-Modellen.- 7.4.5 Deterministische Simulationsmodelle für die Kanalmodelle nach COST 207.- 8 Schnelle Kanalsimulatoren.- 8.1 Diskrete deterministische Prozesse.- 8.2 Realisierung von diskreten deterministischen Prozessen.- 8.2.1 Tabellensystem.- 8.2.2 Matrizensystem.- 8.2.3 Schieberegistersystem.- 8.3 Eigenschaften von diskreten deterministischen Prozessen.- 8.3.1 Elementare Eigenschaften von diskreten deterministischen Prozessen.- 8.3.2 Statistische Eigenschaften von diskreten deterministischen Prozessen.- 8.3.2.1 Wahrscheinlichkeitsdichte und Verteilungsfunktion der Amplitude und Phase.- 8.3.2.2 Pegelunterschreitungsrate und mittlere Fadingdauer.- 8.4 Realisierungsaufwand und Simulationsgeschwindigkeit.- 8.5 Vergleich mit der Filter-Methode.- A Herleitung des Jakesleistungsdichtespektrums und der zugehörigen Autokorrelationsfunktion.- B Herleitung der Pegelunterschreitungsrate von Riceprozessen mit unterschiedlicher Färbung der erzeugenden Gaußprozesse.- C Herleitung der exakten Lösung für die Pegelunterschreitungsrate und die mittlere Fadingdauer von deterministischen Riceprozessen.- D Analyse des relativen Modellfehlers bei Verwendung der Monte-Carlo-Methode im Zusammenhang mit dem Jakesleistungsdichtespektrum.- MATLAB-Programme.- Abkürzungen.- Formelzeichen.- Sachwortverzeichnis.

O autorze

Dr.-Ing. habil. Matthias Pätzold ist Oberingenieur am Arbeitsbereich Digitale Kommunikationssysteme der TU Hamburg-Harburg.

Blurb

Dieses Buch ist das erste deutschsprachige Werk, dass sich ausschließlich mit dem Thema Kanalmodellierung befasst. Es werden alle wichtigen Klassen von frequenz-selektiven und nichtfrequenzselektiven Mobilfunkkanälen detailliert behandelt. Im Mittelpunkt des Buches steht außerdem die Beschreibung von effizienten Verfahren zur Simulation von Mobilfunkkanälen. Dabei werden neben Kenntnissen der Statistik einige Grundlagen der Systemtheorie vorausgesetzt. Der Autor legt besonderen Wert auf eine ausführliche Herleitung der Zusammenhänge, wodurch dem Leser ein hoher Grad an mathematischer Geschlossenheit vermittelt wird.
Der Inhalt
· Grundlagen der stochastischen und deterministischen Kanalmodellierung.
· Modellierung und Simulation von nichtfrequenzselektiven Mobilfunkkanälen (Rayleighkanal, Ricekanal, verallgemeinerter Ricekanal, diverse Typen von Suzukikanälen, klassisches und modifiziertes Loo-Modell).
· Modellierung und Simulation von frequenzselektiven Mobilfunkkanälen (WSSUS-Modell, DGUS-Modell, Kanalmodelle nach COST 207).
· Entwurf und Analyse von schnellen Kanalsimulatoren (Fast Channel Simulators).
· MATLAB-Programme zur Simulation von Mobilfunkkanälen.
Die Zielgruppen
· Ingenieure, Informatiker und Physiker, die sich in der Industrie oder an Forschungsinstituten mit dem Thema Mobilfunk befassen.
· Wissenschaftler, die an aktuellen Problemen der Kanalmodellierung arbeiten.
· Studenten der Fachrichtung Elektrotechnik im Hauptstudium.
Der Autor
Dr.-Ing. habil. Matthias Pätzold ist Oberingenieur am Arbeitsbereich für Digitale Kommunikationssysteme der Technischen Universität Hamburg-Harburg.