MIMO Techniques in RFID and Backscatter Communication Systems Considering Antenna Mutual Coupling

Das Prinzip der Rückstreumodulation (englisch "backscatter modulation"), bei dem die Übertragung von Daten durch gezielte Änderung des Streuverhaltens eines Transponders erfolgt, etabliert sich über den typischen Einsatz zur Warenüberwachung in Radio-Frequency-Identification-Systemen (RFID) hinaus in letzter Zeit verstärkt in neuen Anwendungsgebieten als Technologie zum drahtlosen Austausch von zum Beispiel Sensor- oder Telemetriedaten im Bereich des Internet der Dinge. Die Rückstreumodulation stellt hierbei eine energie- und hardwareeffiziente Alternative zu anderen Standards wie Bluetooth Low Energy oder ZigBee dar. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem übergeordneten Ziel der Steigerung von Reichweite, Zuverlässigkeit und spektraler Effizienz rückstreumodulationsbasierter Systeme. Hierfür sollen die Effekte der Mehrwegeausbreitung durch MIMO-Übertragung (Multiple-Input Multiple-Output) auf Basis von Mehrantennen-Transpondern ausgenutzt werden. Im Gegensatz zu herkömmlichen MIMO-Kommunikationssystemen können Antennenarrays in Systemen basierend auf der Rückstreumodulation prinzipiell an drei Orten verwendet werden. Mehrere Antennen können sowohl am Sender, am Empfänger als auch am Transponder für Empfang und Rückstreumodulation eingesetzt werden. Insbesondere die Verwendung von mehreren Rückstreuantennen am Transponder ist hierbei von großem Forschungsinteresse, da sich das Modulationsverfahren mit dem daraus resultierenden zweistufigen Kanal grundlegend von den Prinzipien klassischer Funksysteme unterscheidet. Die Signalisierungsmatrix des Transponders beschreibt hierbei dessen Rückstreuverhalten und bildet die Verbindung zwischen Hin- und Rückkanal. Sie prägt die vom Transponder zu übertragende Information dem vom Lesegerät gesendeten Signal auf. Während viele Veröffentlichungen zu Mehrantennen-RFID-Systemen ihren Schwerpunkt auf die Hardware und Signalverarbeitung des Lesegeräts in Kombination mit herkömmlichen, kommerziellen Transpondern legen, liegt der Fokus dieser Arbeit auf der Entwicklung von Konzepten für die MIMO-Übertragung auf Basis neuartiger Mehrantennen-Transponder mit frei einstellbarer und voll besetzter Signalisierungsmatrix, wobei auch die Antennenverkopplung berücksichtigt wird. In der Literatur wurden bisher hauptsächlich Mehrantennen-Transponder mit diagonalen Signalisierungsmatrizen untersucht. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich zunächst mit der Aufarbeitung des Standes der Forschung und Technik und stellt anschließend die wesentlichen Ziele und die Gliederung der Arbeit vor. Um die in rückstreumodulationsbasierten Systemen besonders kritische Antennenverkopplung zu untersuchen, befasst sich diese Dissertation nachfolgend mit der Simulation solcher Mehrantennensysteme. Hierbei wird eine streuparameterbasierte Modellierung entwickelt und darauf aufbauend ein Systemsimulator für beliebige Antennenkonstellationen implementiert. Die Verknüpfung der Übertragungsstrecken zwischen den Antennen und die Umsetzung der Elementverkopplung erfolgt in einem Netzwerkmodell über die Kaskadierung bzw. gegenseitige Einbettung von Streuparameterblöcken. Für die Untersuchungen werden geeignete Modelle für Hin- und Rückkanal mit entsprechender Signalverarbeitung in Form von Empfängeralgorithmen zur Detektion der vom Transponder übertragenen Daten umgesetzt. Mittels der in MATLAB realisierten Simulationsumgebung werden die Effekte der Antennenverkopplung auf die Rückstreumodulation mit mehreren Antennen untersucht und für Systeme mit unterschiedlichen Antennenkonstellationen anhand der Symbolfehlerverhältnisse und der Übertragungskapazität dargestellt. Hierbei wird demonstriert, dass die Antennenverkopplung am Transponder bei der Rückstreumodulation eine grundsätzlich andere Rolle spielt als die Verkopplung zwischen den Antennen auf Sende- oder Empfangsseite in klassischen MIMO-Kommunikationssystemen. Die Ursache dafür ist, dass die Modulation der rückgestreuten Signale maßgeblich durch das Zusammenspiel zwischen den im Takt der Daten umgeschalteten Lastimpedanzen und den durch die Verkopplung veränderten Antenneneigenschaften beeinflusst wird. Da insbesondere in MIMO-Kommunikationssystemen die Kenntnis des Übertragungskanals für die Übertragungsqualität entscheidend ist, beschäftigt sich die Arbeit anschließend mit der Entwicklung von Methoden zur messtechnischen Charakterisierung des Hin- und Rückkanals in rückstreumodulationsbasierten MIMO-Systemen. Die Herausforderung besteht hierbei darin, dass aufgrund der einfachen Hardwarestruktur eines Rückstreumodulationstransponders der Kanal zwischen Lesegerät und Transponder nicht direkt bestimmt werden kann. Zu diesem Zweck wird aufbauend auf der Streuparameter-Modellierung eine Analogie zu Mess- und Kalibrierverfahren in der Netzwerkanalyse von Mehrtoren hergestellt. Ein Verfahren zur Messung an einer eingeschränkten Anzahl an Messtoren wird zum Zwecke der Kanalcharakterisierung weiterentwickelt und anhand von Messungen verifiziert. Hierbei wird aufgezeigt, dass sich durch Verschaltung der Antennen im Transponder, d.h. durch die Verwendung der nicht-diagonalen Elemente der Signalisierungsmatrix, die Unsicherheiten bei der Kanalcharakterisierung deutlich reduzieren lassen. Anschließend erfolgt die Untersuchung von rückstreumodulationsbasierten MIMO-Systemen auf Basis von zeitveränderlichen Streuparametern. Die Untersuchungen werden mithilfe eines Messaufbaus unter Verwendung eines Viertor-Netzwerkanalysators als Lesegerät durchgeführt, welcher durch Messung der zeitveränderlichen Streuparameter und rechnergestützte Signalverarbeitung als Mehrkanal-Signalanalysator Verwendung findet. Mittels entwickelter 4-QAM-Rückstreumodulatoren in Verbindung mit bis zu zwei Rückstreuantennen wird auf Basis einer Schrittmotorbahn sowohl der Übertragungskanal in einer Vielzahl von Realisierungen betrachtet als auch eine Datenübertragung mittels verschiedener MIMO-Übertragungsverfahren untersucht. Hierbei wird veranschaulicht, dass die Methoden der Fehlertorbestimmung bei der Kalibrierung von Netzwerkanalysatoren auch bei der Detektion der Nutzdaten verwendet werden können. Ein weiterer Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit ist der Entwurf von Mehrantennentranspondern, mittels derer neuartige MIMO-Übertragungsverfahren basierend auf der Rückstreumodulation untersucht werden können. Hierbei wird erstmalig ein Zweiantennentransponder mit voll besetzter und beliebig einstellbarer Signalisierungsmatrix realisiert, welcher eine Rückstreumodulation für sämtliche Elemente der Signalisierungsmatrix mit einem beliebig einstellbaren Konstellationsdiagramm ermöglicht und somit auch die transponderinterne Umleitung zwischen den Antennen bei gleichzeitiger Modulation in Betrag und Phase erlaubt. Auf Basis des Transponders wird das Konzept des Backscatter-Beamforming eingeführt und messtechnisch nachgewiesen.