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Ingenieurwissenschaften
Universität Duisburg-Essen


Andreas Czylwik

Stand: 29.10.2008
Universität Duisburg-Essen, Campus Duisburg

Name

Prof. Dr.-Ing. Andreas Czylwik
Fachgebietsleiter / Head of the department

Adresse / Address

Universität Duisburg-Essen
Fakultät für Ingenieurwissenschaften
Fachgebiet Nachrichtentechnische Systeme, NTS
Bismarckstr. 81
47057 Duisburg

Telefon, Fax, Mail

Telefon: +49 (0) 203 379 3364 / 3363
Fax: +49 (0) 203 379 2902
Email: czylwik@nts.uni-duisburg-essen.de

Lehrveranstaltungen / Lectures

Arbeitsgebiete

Im Bereich der Kommunikationstechnik zeichnen sich seit einiger Zeit die beiden folgenden Tendenzen ab:
Einerseits steigen die Datenraten der angebotenen bzw. geplanten Dienste und andererseits nimmt die Akzeptanz und Nachfrage nach mobil angebotenen Diensten ebenfalls zu.

Eine höhere Datenrate kann durch adaptive Modulations- und Kanalcodierungsverfahren erzielt werden, die sich in optimaler Weise an den Zustand des Funkkanals anpassen und damit die Bandbreiteneffizienz steigern. Die Kapazität eines zellularen Mobilfunksystems kann über die räumliche Komponente der Wellenausbreitung durch intelligente Antennen gesteigert werden.

  • Intelligente Antennen

    Aufgrund der großen Nachfrage nach Mobilfunkdiensten kommt es bei den aktuellen Mobilfunksystemen zunehmend zu Kapazitätsengpässen. Der konventionelle Weg, die Kapazität zellularer Mobilfunksysteme zu steigern, besteht darin, entweder weitere Lizenzen zur Vergrößerung der Bandbreite zu erwerben oder die Größe der Zellen zu verkleinern. Im ersten Fall muss festgestellt werden, dass die zur Verfügung stehende Bandbreite eng begrenzt ist und dass zum Teil erhebliche Lizenzgebühren zu entrichten sind. Im zweiten Fall müssen viele neue Basisstationen errichtet werden, was ebenfalls hohe Kosten verursacht. Außerdem wird es für Netzbetreiber aufgrund von Akzeptanzproblemen in Teilen der Bevölkerung immer schwieriger, Standorte für neue Basisstationen zu finden.


    Prinzip eines Mobilfunksystems mit intelligenten Antennen.

    Eine elegante Maßnahme, diese Problematik zu umgehen, besteht darin, die Kapazität aktueller Mobilfunksysteme mit Hilfe von intelligenten Antennen zu steigern. Die Idee intelligenter Antennen besteht darin, die räumlichen Eigenschaften der Wellenausbreitung zu nutzen. Aus Platzgründen können intelligente Antennen nur an den Basisstationen eingesetzt werden. Intelligente Antennen bestehen aus einem Feld von Antennen und einer intelligenten Verarbeitung der Antennensignale. Mit Hilfe dieser Signalverarbeitung wird die Richtcharakteristik des Antennenfelds in optimaler Weise an den Funkkanal angepasst. Ziel ist es dabei, im Uplink (Übertragungsrichtung Mobilstation ® Basisstation) möglichst viel Leistung von gewünschten Mobilstationen zu empfangen und die Signale von ungewünschten Mobilstationen zu unterdrücken. Im Downlink (Übertragungsrichtung Basisstation ® Mobilstation) soll möglichst viel Leistung zur gewünschten Mobilstation und möglichst wenig Leistung in die Richtung ungewünschter Mobilstationen gesendet werden. Auf diese Weise kann die Gleichkanalinterferenz in einem zellularen reduziert und damit die Kapazität gesteigert werden. Das Prinzip ist im obigen Bild dargestellt. Hierbei ist zu beachten, dass für jede gewünschte Mobilstation eine eigene Richtcharakteristik optimiert wird.

  • Zukünftige Mobilfunksysteme: Adaption an den Funkkanal

    Betrachtet man zukünftige Mobilfunksysteme, so geht die Tendenz hin zu breitbandigeren Systemen. Da die zur Verfügung stehende Bandbreite in jedem Fall eng begrenzt ist, müssen für zukünftige Funksysteme Übertragungsverfahren mit höherer Bandbreiteneffizienz entwickelt werden. Die Bandbreiteneffizienz kann durch Übertragungsverfahren gesteigert werden, die sich besser an den Mobilfunkkanal anpassen. Als Verfahren zur Anpassung an den Funkkanal kommen im Wesentlichen die oben angesprochenen intelligenten Antennen sowie adaptive Modulation und adaptive Kanalcodierung in Frage.

    Adaptive Modulations- und Kanalcodierverfahren können besonders erfolgversprechend in Systemen mit Mehrträgerübertragung eingesetzt werden, da man sich in diesem Fall in optimaler Weise an die Frequenzselektivität des Funkkanals anpassen kann. Ähnliche Verfahren werden bereits bei der Übertragung über Zweidrahtleitungen (ADSL) eingesetzt. Bei der Mobilfunkübertragung kommt jedoch als zusätzliche Problematik die Zeitvarianz des Funkkanals hinzu.

    Durch Verwendung von Antennenfeldern sowohl auf der Sende- als auch auf der Empfangsseite können enorme Steigerungen der Datenrate einzelner Verbindungen erzielt werden. Solche Übertragungssysteme sind ein sehr aktueller Forschungsschwerpunkt; diese Systeme werden als Multiple-Input-Multiple-Output-Systeme (MIMO) bezeichnet.

Activities

In the field of communication systems the following tendencies can be recognized:
On the one hand the data rates of the offered and planned services are increasing and on the other hand the demand for mobile services is increasing. These tendencies motivate the following research areas.

For mobile communication systems, higher data rates can be achieved through adaptive modulation and channel coding schemes: In order to increase bandwidth efficiency, these schemes optimally adapt to the time-variant characteristic of the mobile radio channel. The capacity of a cellular mobile radio system can be increased exploiting the spatial aspect of wave propagation by smart antennas.

  • Smart Antennas

    Because of the high demand for mobile services, current mobile communication systems suffer from capacity problems. The conventional way to increase the capacity of a cellular mobile radio system is the acquisition of new licences for enlarging the bandwidth or to reduce the cell size. Concerning new licences it must be realised that the available bandwidth is strictly limited and that licence fees (which may be rather high) must be paid. For reducing the cell size, many new base stations have to be built, with the consequence of additional costs. Furthermore, to find locations for new base stations is becoming more and more difficult for network operators because of acceptance problems in parts of the population.


    Principle of a mobile radio system with smart antennas

    An elegant way to solve these problems is to increase the capacity of mobile communication systems with the help of smart antennas. The idea of smart antennas is to exploit the spatial properties of wave propagation. Because of a limitation in space, smart antennas can only be employed at base stations. Smart antennas consist of an array of antenna elements and a smart processing of antenna signals. With the help of signal processing, the beam pattern of the antenna array is optimally adapted to the mobile radio channel. The goal is to receive in the uplink (transmission direction: mobile station ® base station) as much power as possible from the desired mobile station and to attenuate as much as possible the signals from any undesired mobile station. In the downlink (transmission direction: base station ® mobile station) as much power as possible has to be transmitted into the direction of the desired mobile station and as little power as possible to undesired mobiles. By this method, cochannel interference in a cellular system can be reduced, with the consequence that the capacity increases. This principle is illustrated in the figure above. It has to be mentioned that for each desired mobile station an individual beam pattern must be optimized.

  • Future mobile radio systems: Adaption to the radio channel

    Considering future mobile radio systems, there is clearly the tendency towards larger bandwidths. Since the available bandwidth is in any case strictly limited for future generation mobile radio systems, new transmission techniques with higher bandwidth efficiency must be developed. Bandwidth efficiency can be increased by using transmission techniques which better adapt to the mobile radio channel. Possible methods for adaptation to the channel are: smart antennas, adaptive modulation and adaptive channel coding techniques.

    Adaptive modulation and channel coding techniques seem to be particularly promising for multi-carrier systems. For these systems it is possible to adapt to the frequency-selectivity of the mobile radio channel in an optimum way. Similar methods are used for the transmission on twisted pair lines (ADSL). Mobile radio communication systems face the additional problem of the time-variance of the channel.

    Using antenna arrays on both the transmitter and the receiver side, it is possible to achieve a considerable increase of data rate. Such communication systems are called multiple input multiple output systems (MIMO).


Veröffentlichungen / Publications

2003, 2002, 2001, 2000, 1999, 1998, 1997, 1996, 1995

2003
Czylwik, A.:
Performance of realistic circular antenna arrays in cellular mobile radio systems.
COST 273 Technical Document TD (03) 010, Barcelona (2003).

Häring, L., Chalise, B. K. und Czylwik, A.:
Dynamic system level simulator for W-CDMA with smart antennas.
COST 273 Technical Document TD (03) 018, Barcelona (2003).

Czylwik, A.:
Comparison and optimization of antenna concepts for downlink beamforming.
In Proceedings of the International Conference on Telecommunications ICT 2003, Papeete (2003).


2002
Czylwik, A. und Dekorsy, A.:
Optimization of downlink beamforming for systems with frequency division duplex.
In Proceedings of the IEEE 2002 International Zurich Seminar on Broadband Communications, Zürich, S. 11.1-11.6 (2002).

Czylwik, A. und Dekorsy, A.:
Analysis of antenna topologies for downlink beamforming - a system level comparison.
In Kleinheubacher Berichte, Band 45, S. 143-147 (2002).

Czylwik, A.:
Handys in der vierten Dimension - Intelligente Antennen in zellularen Mobilfunksystemen.
In Forum Forschung 2002/2003, Gerhard-Mercator-Universität Duisburg, S. 143-149 (2002).


2001
Czylwik, A. und Rodrigues, A.:
OFDM and frequency domain techniques.
Kapitel 2.1 des COST 259 Final Report, Wireless Flexible Personalized Communications, S. 14-42 (2001).

Dekorsy, A. und Czylwik, A.:
Strahlformung im Downlink - Simulationen auf Systemebene.
In ITG-Diskussionssitzung: Systeme mit intelligenten Antennen, Ilmenau (2001).

Czylwik, A. und Dekorsy, A.:
System level simulations for Downlink beamforming with different array topologies.
COST 273 Technical Document TD (01) 027, Bologna (2001).

Czylwik, A. und Dekorsy, A.:
System level simulations for Downlink beamforming with different array topologies.
In Proceedings of the IEEE Global Telecommunications Conference (GLOBECOM 2001), San Antonio, S. 3222-3226 (2001).


2000
Czylwik, A.:
Strahlformung für intelligente Antennen im Downlink bei zellularen Funksystemen mit Frequenz-Duplex (FDD).
Kleinheubacher Berichte Band 43 (2000) S. 371-379.

Yoshino, H.; Czylwik, A.:
Adaptive co-channel interference (CCI) cancellation for OFDM communication systems.
In Proceedings of the International Zurich Seminar IZS 2000, Zürich 2000.

Czylwik, A.:
Error probability due to clipping in subcarrier-multiplexed fiber-optic transmission systems.
Frequenz 54 (2000), S. 52-57.

Czylwik, A.; Matsumoto, T.:
Downlink beamforming for frequency-duplex systems in frequency-selective fading.
In Proceedings of the IEEE Vehicular Technology Conference VTC 2000 Spring, Tokio 2000, S. 695-699.

Czylwik, A.:
Downlink beamforming for systems with frequency division duplex (FDD).
COST 259 Technical Document TD (00) 34, Valencia 2000.

Czylwik, A.:
Downlink beamforming for frequency division duplex systems.
In Proceedings of the PIMRC 2000, London 2000, S.72-76.


1999
Czylwik, A.:
Pilotgestützte Synchronisation bei Einträgerübertragung mit Entzerrung im Frequenzbereich und Antennen-Diversität.
Kleinheubacher Berichte 42 (1999), S. 355- 362.

Czylwik, A.:
On the velocity of information transmitted via systems with high-pass character.
Archiv f. elektrische Übertragung 53 (1999), S. 121- 128.

Czylwik, A.:
Synchronization and channel estimation for single carrier modulation with frequency domain equalization and antenna diversity.
In COST 259 Technical Document TD (99) 14 (1999).

Czylwik, A.; Kadel, G.:
Wireless ATM demonstration system with antenna diversity and frequency domain equalization.
In IEEE Vehicular Technology Conference VTC '99 Fall, Amsterdam, S. 533- 537 (1999).

Czylwik, A.:
Synchronization for systems with antenna diversity.
In IEEE Vehicular Technology Conference VTC '99 Fall, Amsterdam, S. 728- 732 (1999).


1998
Czylwik, A.:
Konzepte zur Frequenz- und Zeitsynchronisation bei OFDM.
Kleinheubacher Berichte 41 (1998), S. 399- 405.

Czylwik, A.:
OFDM and related methods.
In International Zurich Seminar on Broadband Communications '98, Zürich, S. 91- 98 (1998).

Czylwik, A.:
Übertragung digitaler QAM-Signale über optische Subcarrier-Übertragungssysteme.
In ITG-Diskussionssitzung: Messung und Modellierung in der Optischen Nachrichtentechnik, Schloss Reisensburg bei Ulm, S. 57 (1998).

Czylwik, A.:
Synchronization for single carrier modulation with frequency domain equalization.
In IEEE Vehicular Technology Conference VTC '98, Ottawa, S. 2277- 2281 (1998).

Czylwik, A.:
Low overhead pilot-aided synchronization for single carrier modulation with frequency domain equalization.
In IEEE Global Telecommunications Conference (GLOBECOM '98), Sydney, S. 2068- 2073 (1998).

Czylwik, A.:
Synchronisation für Einträgerübertragung mit Entzerrung im Frequenzbereich und geringen Verlusten durch Pilot-Symbole.
In OFDM-Fachgespräch in Braunschweig (1998).


1997
Czylwik, A.:
Adaptive OFDM-Verfahren zur Übertragung in Breitband-Funkkanälen.
Kleinheubacher Berichte 40 (1997), S. 593- 601.

Czylwik, A.:
Comparison between adaptive OFDM and single carrier modulation with frequency domain equalization.
In Proceedings of the IEEE Vehicular Technology Conference VTC '97, Phoenix, S. 865- 869 (1997).

Czylwik, A.; Kadel, G.:
Modulations- und Empfangstechniken für breitbandige Mobilkommunikation.
In IEEE Communications Society Chapter Germany: Tagungsband des Workshop Kommunikationstechnik, Schloss Reisensburg bei Ulm, S. 48- 57 (1997).

Czylwik, A.:
Temporal fluctuations of channel capacity in wideband radio channels.
In Proceedings of the IEEE International Symposium on Information Theory '97, Ulm, S. 468 (1997).

Kadel, G.; Czylwik, A.; Droste, H.:
Kanal- und Systemaspekte für mobile Breitband-Funksysteme.
In ITG-Anwenderfachtagung '97 "Auf dem Weg zur modernen Informations-Infrastruktur", Stuttgart, S. 229- 234 (1997).

Czylwik, A.:
Comparison between multicarrier and single carrier modulation schemes with frequency domain equalization and pilot-aided channel estimation.
In Proceedings of the Second European Personal Mobile Communications Conference EPMCC '97 / ITG-Fachtagung Mobile Kommunikation, Bonn, S. 101- 108 (1997).

Czylwik, A.:
Synchronisation bei OFDM und verwandten Verfahren.
In OFDM-Fachgespräch in Braunschweig (1997).

Czylwik, A.:
Degradation of multicarrier and single carrier transmission with frequency domain equalization due to pilot-aided channel estimation and frequency synchronization.
In Proceedings of the IEEE Global Telecommunications Conference (GLOBECOM '97), Phoenix, S. 27- 31 (1997).


1996
Czylwik, A.:
Kanalkapazität von Breitband-Funkkanälen.
Kleinheubacher Berichte 39 (1996), S. 297- 310.

Droste, H.; Czylwik, A.:
Messung und Modellierung der Kanalkapazität von breitbandigen Funkkanälen in Gebäuden.
Kleinheubacher Berichte 39 (1996), S. 185- 198.

Czylwik, A.:
Kanalkapazität intensitätsmodulierter optischer Übertragungssysteme mit Direktempfängern.
Frequenz (1996), S. 60- 68.

Czylwik, A.:
Vergleich der Kanalkapazität intensitätsmodulierter optischer Übertragungssysteme mit der erzielbaren Datenrate.
Frequenz (1996), S. 69- 81.

Czylwik, A.:
Comparison of the channel capacity of wideband radio channels with achievable data rates using adaptive OFDM.
In Proceedings of the 5th European Conference on Fixed Radio Systems and Networks ECRR '96, Bologna, S. 238- 243 (1996).

Czylwik, A.:
Optical transmission systems for the connection between central office and base stations in cellular radio systems.
In Proceedings of the European Conference on Networks and Optical Communications NOC '96, Heidelberg, Part II: ATM, Networks and LANs, S. 279- 286 (1996).

Czylwik, A.:
Performance of optical transmission systems for microwave signal distribution in cellular radio systems.
In Proceedings of the XXVth General Assembly of the International Union of Radio Science URSI, Lille, France S. 642 (1996).

Czylwik, A.:
Adaptive OFDM-Verfahren für Breitband-Funkanwendungen.
In OFDM-Fachgespräch in Braunschweig (1996).

Czylwik, A.:
Adaptive OFDM for wideband radio channels.
In Proceedings of the IEEE Global Telecommunications Conference (GLOBECOM '96), London, S. 713- 718 (1996).


1995
Czylwik, A. und Zwick, U.:
Lichtwellenleiter.
In Zinke/Brunswig: Lehrbuch der Hochfrequenztechnik, S. 303- 325: Springer-Verlag, Berlin (1995).

Czylwik, A.:
Theoretische Grenzen für Anpassungsnetzwerke in optischen Empfängern, Teil I.
Frequenz (1995), S. 11- 16.

Czylwik, A.:
Theoretische Grenzen für Anpassungsnetzwerke in optischen Empfängern, Teil II.
Frequenz (1995), S. 58- 65.

Czylwik, A.:
Rauschen optischer Empfänger mit Anpassungsnetzwerken.
Frequenz (1995), S. 66- 72.

Czylwik, A.:
Optimale Anpassung in optischen Empfängern.
In MIOP '95, Sindelfingen, S. 463- 467 (1995).

Czylwik, A.:
Steigerung der Kanalkapazität optischer Übertragungssysteme durch optische Empfänger mit Anpassungsnetzwerken.
In MIOP '95, Sindelfingen, S. 468- 472 (1995).

Czylwik, A.:
Degradation of multilevel QAM transmission due to clipping in subcarrier multiplexed fiberoptic transmission systems.
In Proceedings Vol. 1: Papers on broadband superhighway, EFOC & N '95, Brighton, S. 140- 143 (1995).