Die rasch wachsende Nachfrage nach Mobilfunkkapazität stellt die Mobilfunkindustrie vor immer neue Herausforderungen und verlangt nach neuen Strategien hinsichtlich des Netzausbaus. Dabei gilt es gerade, das sowohl zeitlich wie auch räumlich sehr schwankende Verkehrsaufkommen in effizienter Weise zu bewältigen. Traditionell wird für Bereiche mit höherem Kapazitätsbedarf, als Ma{\ss}nahme eine Verdichtung der zellularen Struktur in heterogener Weise vorgesehen. Dabei werden sogenannte Pico-Zellen oder "small cells" in eine Makrozelle eingebettet und erreicht so durch die dichtere räumliche Wiederverwendung der Funkressourcen eine Erhöhung der Netzkapazität. Die Funknetzplanung bedient sich dabei der "busy hour" Regel, d. h. man stellt so viele Funkressourcen bzw. so viele kleine Zellen an den entsprechenden Standorten auf, dass es in der "Stunde der höchsten Verkehrslast" nicht zu Engpässen kommt. Diese Überversorgungsstrategie ist jedoch nicht besonders effizient, da zu einem gro\ss{}en Teil der Betriebszeit viele Netzwerkressourcen ungenutzt bleiben, was für den Netzbetreiber hohe Investitionen in die Infrastruktur (CAPEX) sowie hohe Betriebskosten (OPEX) bedeutet. Wünschenswert wäre deshalb ein Netzwerk, dessen Kapazität sich flexibel an die dynamische Verkehrssituation anpasst und die teure "busy hour" Strategie mit maximaler und fixer Ressourcenbereitstellung umgeht.

Neue revolutionäre Basisstationsantennentechnologien, bei der jedes Antennenelement mit einer aktiven Komponente wie Verstärker kombiniert ist, aktive Antennensysteme (AAS) genannt, verspricht die nötige Flexibilität und gewünschte dynamische Bereitstellungsstrategie für die adaptive Kapazitätsversorgung. Durch die direkte Phasen- und Amplitudensteuerung jedes einzelnen Antennenelements unterstützt das AAS eine deutlich verbesserte Beamforming-Funktionalität, die eine neue Art der "Sektorisierung" mit dynamischer Zellverdichtung ermöglicht. Wird in einer konventionellen Zelle eine Überlastsituation festgestellt, lässt sich die Strahlungskeule der konventionellen Zelle in zwei neue, kleinere Beams aufteilen, welche als neue Zellen bzw. Sektoren dienen. Durch die weitere Zellaufteilung (Sektorisierung) werden die Funkressourcen in diesem Bereich durch die räumliche Wiederverwendung des Frequenzspektrums verdoppelt und so die Verkehrslast auf die beiden neuen Zellen verteilt.

Diese Art der dynamischen Gestaltung der zellularen Netzstruktur mittels AAS birgt aber auch einige Herausforderungen. Durch die zusätzlichen Zellen ergeben sich mehr Zellgrenzbereiche und somit zusätzlich Areale mit erhöhter Interzellinterferenz, die der erwarteten Systemkapazitätssteigerung durch Zellverdichtung entgegenwirken. Au\ss{}erdem gilt es den sich zeitlich und räumlich ändernden Verkehr im Blick zu haben, um gezielt eine Zellverdichtung mittels Sektorisierung vornehmen zu können. Um dieser Aufgabe gerecht zu werden und um mit dieser Methode eine Steigerung der Systemleistung und Optimierung der Dienstgüte beim Endnutzer erreichen zu können, ist ein automatischer, sich selbstorganisierender Management- und Konfigurationsmechanismus notwendig. Mit einer solchen dynamischen Anpassung der Zellstruktur geht die Selbstorganisation der Netze in eine neue Dimension, da das zelluläre Netz inklusive der Funkausbreitungsbedingungen nicht mehr als stationär angesehen werden kann. Um dies gewährleisten und voll ausnutzen zu können, werden zuverlässige und realistische Ausbreitungsmodelle benötigt, die die Abhängigkeit der Funkkanalcharakteristik von der Veränderung der Strahlungskeule abbilden. Dies sowie die komplexen Beziehungen verschiedener Systemparameter bedingen ein umfassendes systemtheoretisches Model der AAS-basierten Sektorisierung, um detaillierte Untersuchungen und eine präzise Auswertung der erwarteten Systemleistungsgewinne zu ermöglichen.

Ein wesentlicher Aspekt der Arbeit ist die Entwicklung eines geeigneten SON Algorithmus, der die gesamte Prozedur der AAS-basierten Sektorisierung automatisiert. Er steuert die Aktivierung und Deaktivierung von Strahlungskeulen, welche die Zellen bzw. Sektoren repräsentieren, und ermöglicht somit die verkehrsadaptive Anpassung des sektorbasierten Zellaufbaus mittels Zellteilung und Verschmelzung. Um die dynamischen Kapazitätsanforderungen durch variierende räumliche Nutzerverteilungen effektiv bereitstellen zu können, überwacht der neu entwickelte SON Algorithmus sowohl die Last wie auch die räumliche Verteilung des Datenverkehrs in einer Funkzelle und adaptiert die darunterliegende Funkzellenabdeckung durch autonome Sektorisierung in der horizontalen oder vertikalen Ebene. Der Algorithmus verwendet verschiedene Prozeduren, die von Echtzeitnetzdaten abhängen, welche wiederum aus Signalmessberichten der Endnutzerterminals gewonnen werden. Eine mögliche Verschlechterung der Systemleistung verhindert der Algorithmus dadurch, dass vor der Durchführung der Sektorisierung sichergestellt wird, dass die Gleichkanalinterferenz keinen negativen Einfluss auf die Nutzer hat. Dazu wurde eine Leistungsmetrik entwickelt, die den negativen Einfluss der Gleichkanalinterferenz den erwarteten Gewinnen durch die Zellverdichtung mit zusätzlichen Funkressourcen gegenüberstellt. Um das Interzellinterferenzproblem, das durch die AAS-basierte Sektorisierung an den neuen Zellgrenzen auftritt zu mildern, wird in dieser Arbeit eine weitere neue Methode entwickelt, welche die Datenübertragung in den benachbarten Funkzellen mit Hilfe des Prinzips der Übertragungsstummschaltung koordiniert. Um sicherzustellen, dass die partielle Stummschaltung von Ressourcen die Gesamtsystemleistung nicht verringert, wird der SON Algorithmus dahingehend erweitert, dass auch diese Methode in optimaler Weise genutzt wird.

Um die Zellteilung mittels Änderung der Strahlungskeule richtig charakterisieren zu können, wurde ein neues erweitertes Funkausbreitungsmodell entwickelt, das ein neigungsspezifisches Abschattungsmodel (Shadowing) enthält. Entgegen der bestehenden Shadowing-Modelle, welche eine stationäre neigungsunabhängige Ausbreitungseigenschaft in der Elevationsebene haben, wird nun ein neigungsabhängiges Shadowing Modell vorgeschlagen, das zudem in der Lage ist, die Variabilität des Funkkanals abhängig von der Höhe der Endnutzer statistisch zu charakterisieren. Für die simulationsbasierte Realisierung der unterschiedlichen Varianten der AAS-basierten Sektorisierung, d.h. die schnelle Änderung des Zelllayouts mittels dynamischer Konfiguration der AAS-Parameter, werden vereinfachte 3D-Beamforming Modelle und synthetische Strahlungsmuster entwickelt. Die horizontale und vertikale Sektorisierung sind die beiden Formen der AAS-basierten zellulären Netzlayoutänderung, die in dieser Arbeit betrachtet werden. Der ursprünglich Sektor wird durch Generierung von zwei neuen schmaleren Strahlungskeulen in zwei neue Sektoren aufgespalten, die von einem einzelnen AAS gleichzeitig erzeugt werden, was sowohl in der horizontalen wie auch in der vertikalen Domäne möglich ist.

Die Leistungsfähigkeit des entwickelten AAS-basierten dynamischen Zellverdichtungskonzepts und dessen SON-gesteuerte automatische Kontrolle wird mittels System-Level-Simulationen untersucht. Als Testszenarien werden makrozellulare Netzmodelle mit Basisstationen verwendet, die mit der Long Term Evolution-Advanced (LTE-A) Technologie betrieben werden. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass der entwickelte SON Mechanismus das Netzlayout auf die unterschiedlichen Bedingungen anpassen kann, und sie machen deutlich, wann und wo die Sektorisierung Gewinn bringt bzw. sie sich nachteilig auf den Endnutzer auswirkt. Ebenfalls wurde die Wechselwirkung des neuen SON Mechanismus für die adaptive Zelladaptation mit bereits existierenden SON Funktionen, wie z.B. Mobility Robustness Optimization (MRO) erforscht, da diese bislang von einem stationären Zelllayout ausgingen. Die Untersuchungen ergaben, dass es einer Koordinierung der beiden SON Funktionalitäten bedarf, d.h. zwischen dem SON Mechanismus für die AAS-basierte Sektorisierung und dem MRO Betrieb, um unvorhersehbare Leistungseinbu\ss{}en zu vermeiden und ein reibungsloses Endnutzererlebnis zu gewährleisten.

Die technischen Konzepte welche im Rahmen dieser Arbeit entwickelt wurden, sind au\ss{}erdem in das SON Arbeitspaket für AAS-basierte Netzadaption innerhalb der Radio Access Network (RAN) Arbeitsgruppe 3 des 3rd Generation Partnership Project (3GPP) eingeflossen.