This thesis describes in three parts the evolution from non-directional via directional to double-directional mobile radio. Emphasis was laid on the question how to achieve maximum system independence. The result is a comprehensive frame-work spanning the whole range from measurement over evaluation, characterization and classification to modeling, usage of the model in simulations and interpretation thereof. In line with this logical work ow is the structure of the thesis.

First, a clear definition of the channel system functions and their averaged versions, e.g. the delay power profile, is given. Next, the various types of channel sounders, their principles and their shortcomings are discussed in line with aspects on their practical application to the specialties of mobile radio. The traditional way of data extraction via windowing and Fourier transform is reviewed shortly. Non-directional channel characterization summarizes channel parameters to cover all effects of the radio wave propagation process except for polarization which is discussed later on. The commonly used pathloss measure is generalized to apply to different signal combining schemes. Indoor measurement results predict a 3-6dB frequency diversity gain in 90% of all cases when increasing bandwidth from 800kHz to 50MHz. Non-stationary behavior is characterized through the new concept of local stationarity regions that result from the large-scale fading of a wideband channel impulse response. From measurements in urban and sub-urban environments, the span of these regions is evaluated to range up to 20 meters for a correlation threshold of 0.5. Related is the identification of a cluster, for which a physical definition is given. Channel parameters for the small-scale effects complete the non-directional description. Channel classification is a must for parametric channel modeling. Two principally different approaches are dealt with herein: One is based on a mathematically rigorous multivariate analysis of channel parameters, the other empirically on an inspection of the morphology of base-station sites.

The second part of this thesis describes directional channel modeling. It is mostly based on the European directional channel model proposal that was developed jointly in two cooperative bodies, the EU-project METAMORP and the action COST259. While for the actual model parameters (external, global and local parameters) the reader is referred to the corresponding published literature, the aim here is on a concise summary of the philosophy behind (cell types, radio environments, propagation scenarios). A detailed ow chart is set up to explain how the model structure lends itself to multi-layered link-level simulations.

The emphasis of the thesis lies on the third part. After giving a brief mathematical derivation of the double-directional radio propagation channel based on the theory of linear time-varying systems, a block diagram of the double-directional channel model shows how the antennas both at the transmitting and at the receiving link-end are removed from the channel. Correspondingly, a compatible model of the antenna subsystem(s) is needed which is covered as well. The matrix notation of the double-directional transmission leads to double-directional channel measurement techniques and their evaluation. In the developed array cross-multiplexing technique, a multiple-input multiple-output (MIMO) measurement system is used to capture the joint double-directional nature of the channel. From the several existing multipath evaluation methods (Unitary) ESPRIT is applied, and beamforming is used to obtain the multipath weights. From the measured microcellular back-yards, 17 up to 54 paths are identified and in part traced across up to three reflections. Besides the application of algorithms for one-dimensional data in multiple fashion, the described joint multidimensional parameter estimation and combination utilizes also the relations between different physical domains to improve the estimate, and it circumvents the otherwise occurring pairing problem. It is shown by simulation that the parametric double-directional wideband channel estimate is generic for simulating any MIMO system in the same radio environment, i.e. independent of most system parameters and the used antenna configuration. Double-directional channels and MIMO capacity turn out to be inseparable related; the used antennas bridge the remaining gap from the system-independent double-directional propagation channel to the system-related MIMO radio channel. Further, the notion of capacity is reviewed. Thereupon, random phase factors are used to compute outage capacities of 17-26 bits/s/Hz 20dB SNR for an 8 x 8 antenna arrangement from singular MIMO channel snapshots in a microcell.

Diese Dissertation behandelt in drei Teilen den Übergang vom nicht-richtungsauflösenden Mobilfunk über einfach richtungsauflösender bis hin zu doppelt richtungsauflösender Modellierung der Funkübertragung. Besondere Berücksichtigung fand hierbei das Streben nach größtmöglicher Systemunabhängigkeitäls Ergebnis spannt die vorliegende Arbeit den gesamten Bogen von der anfänglichen Funkkanalmessung und deren Auswertung über die Charakterisierung von Funkkanälen und deren Klassifikation bis hin zur Modellierung sowie Nutzung des sich ergebenden Modells in Computersimulationen und die Interpretation deren Ergebnisse. Entsprechend dieser logischen Abfolge ist auch der Aufbau der Arbeit.

Im ersten Teil werden zunächst die schon traditionellen Systemfunktionen zur Beschreibung des zeitvarianten Mehrwegeschwundkanals, z.B. das Verzögerungsleistungsdichtespektrum, kurz beleuchtet. Anschließend werden die grundlegenden Typen von Meßgeräten für den Funkkanal, den sogenannten Channel Sounders, anhand ihrer Prinzipien kurz beschrieben wobei auch ihre Unzulänglichkeiten und Anwendungsaspekte erörtert werden. Die traditionelle Auswertung mittels Fouriertransformation unter Anwendung einer geeigneten Fensterfunktion wird kurz angerissen. Im Rahmen der nicht-richtungsauflösenden Charakterisierung werden Funkkanalparameter zusammengefaßt, welche geeignet sind, sämtliche Effekte der Wellenausbreitung zu erfassen ausgenommen der Polarisation, welche erst später diskutiert wird. Die gerne eingesetzte Ausbreitungsdämpfung wird auf verschiedene Signalkombinationsmethoden erweitert. Meßergebnisse in Innenräumen liefern 3-6dB Diversitätsgewinn bei 90%-iger Wahrscheinlichkeit, wenn die Bandbreite von 800kHz auf 50MHz erhöht wird. Das neu eingeführte Konzept der lokalen Stationaritätsregion ermöglicht eine systematische Charakterisierung instationären Verhaltens am Funkkanal und resultiert aus einer Begrenzung des großräumigen Schwunds in der breitbandigen Impulsantwort. Messungen in städtischem Gebiet liefern Ausdehnungen dieser lokalen Stationaritätsregionen bis zu 20m für Schwellwerte des Korrelationskoeffzienten von 0.5. Mit dem großräumigen Schwund hängt auch die Identifizierung von Clustern zusammen, welcher hier durch eine klar und objektiv nachvollziehbare physikalische Definition begegnet wird. Bevor zur (parametrischen) Kanalmodellierung fortgeschritten werden kann, müssen die ausgewerteten Kanalparameter klassifiziert werden. Dazu werden zwei grundsätzlich verschiedene Ansätze gewählt; einer basiert auf der mathematisch legitimierten Multivariaten Analyse welche hier erstmals auf Funkkanalparameter angewandt wird, der zweite ist empirisch und fußt auf einer Untersuchung der Morphologie von Basisstationsstandorten.

Der zweite Teil der Arbeit widmet sich der richtungsauflösenden Funkkanalmodellierung und ist weitgehend von jenem Vorschlag für ein Europaweit einheitliches Kanalmodell abgeleitet, der im Rahmen zweier Forschungskooperationen, nämlich dem EU-Projekt METAMORP einerseits und der COST259 Aktion andererseits ausgearbeitet wurde. Während die eigentlichen Modellparameter (externe, globale und lokale Parameter) in den diesbezüglichen Veröffentlichungen zu finden sind, wird hier die zugrundeliegende Philosophie (z.B. Zelltypen, Funkumgebungen und Ausbreitungsszenarien) ausführlich erklärt. Die komplexe Struktur wird in einem Flußdiagramm zusammengefaßt, das sämtliche Prozesse in ihrer gegenseitigen Abhängigkeit und zeitlichen Abfolge enthält. Dies ist für einen effizienten Einsatz in Simulationen auf Verbindungsebene unumgänglich.