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MIMO OFDM Testbed für zukünftige Mobilfunksysteme
Skalierbares, adaptives MIMO-OFDM Funkübertragungssystem
Ziel des Projekts ist die Entwicklung und Realisierung von Testbeds für die Evaluierung zukünftiger Mobilfunkstandards basierend auf der OFDM Übertragungstechnik. Der im Rahmen des 3rd Generation Partnership Project (3GPP) entwickelte 3GLTE Standard sieht für den Downlink MIMO/OFDMA Übertragung vor. Im Uplink wird das SC/FDMA Übertragungsverfahren verwendet.
Das MIMO/OFDMA Verfahren ermöglicht eine optimale Ausnutzung der verfügbaren Frequenzressourcen durch ein hohes Maß an Skalierbarkeit und Flexibilität.
Die wesentlichen Systemparameter (Downlink):
- Anzahl Sendeantennen:
- 2
- Anzahl Empfangsantennen:
- 2
- RF Frequenz:
- 2,6 GHz
- RF Kanalbandbreite:
- 20 MHz
- Belegte RF Bandbreite:
- 1,5 … 20 MHz
- Max. Datenrate:
- 173 MBPS
- Anzahl Subträger:
- 1200
- Modulation:
- 64QAM, 16QAM, QPSK
- FEC Codierung:
- Faltungscode CR ½, ¾
- Schnittstellen:
- Gigabit Ethernet, USB
Das OFDMA Verfahren ermöglicht flexible Zuteilung der Frequenzressourcen auf viele Nutzer. Dazu wird das zur Verfügung stehende Spektrum in sogenannte Ressource Blocks aufgeteilt. Ein Ressource Block beinhaltet 12 benachbarte Subträger in Frequenzrichtung für die Dauer eines Subframes (1 ms). Zehn Subframes bilden einen Radio Frame.
Jeder Ressource Block kann unterschiedlich moduliert und codiert werden und verschiedenen Usern zugeordnet werden. Das Scheduling der Ressourcen erfolgt anhand der von den UEs (User Equipment) übertragenen Kanalinformationen (CQI) in der Basisstation.
Die Abbildung zeigt das Verfahren der adaptiven Modulation in Abhängigkeit von den realen Kanaleigenschaften. Teile des verfügbaren Spektrums sind durch Fading stark gedämpft. Den zugehörigen Ressource Blocks wird dementsprechend eine niederstufige Modulation zugeordnet oder sie werden vollständig abgeschaltet.
In der Abbildung ist ein Beispiel für eine MIMO 2 x 2 Funkübertragung im Downlink für zwei User mit adaptiver Modulation dargestellt. Der Ressource Scheduler an der Basisstation ordnet die Ressource Blocks den einzelnen Usern anhand der CQI, der Datenratenanforderungen für die Applikationen (wie z.B Internet, Sprachverbindung, Videostreaming) sowie unter Quality of Service Aspekten zu.
Testbed Realisierung
Die Basisband Signalverarbeitung wurde auf der hauseigenen FPGA Plattform FFP Basic+ implementiert. Die Programmierung erfolgte hauptsächlich in VHDL, für Floating Point Rechenoperationen wurden zusätzlich Signalprozessoren (DSP) verwendet. Durch den Einsatz von programmierbarer Hardware ist die ständige Anpassung und Erweiterung des Testbeds sowie die Implementierung neuer Funktionen möglich.
Das Testbed wird sowohl für Messungen in realen Funkkanälen verwendet als auch für Demonstrationszwecke. IP-basierte Applikationen wie z. B. Video-Streaming mit hohen Datenraten können mobil übertragen werden.
Die Abbildung zeigt das Testbed während einer Demonstration auf der 3GSM Exhibition in Barcelona im Februar 2007:
Eine speziell entwickelte Analysesoftware ermöglicht die Aufnahme von Messwerten und Realtime-Monitoring der wesentlichen Systemparameter. Die Microsoft Windows basierte Software liest die Messdaten periodisch über ein integriertes USB Interface aus dem Testbed aus.
Die Abbildung zeigt die Messergebnisse während einer 2x2 MIMO Funkübertragung mit adaptiver Modulation:
Die beiden Konstellationsdiagramme zeigen die überlagerten rekonstruierten Empfangssignale aller Ressource Blocks. Die Ressource Blocks sind zum Teil mit 16QAM und zum Teil mit 64QAM moduliert.
Die Diagramme auf der rechten Seite zeigen die Kanalübertragungsfunktionen der vier Signalkomponenten im Falle einer 2x2 MIMO Übertragung