Gemeinsame Empfangssignalverarbeitung in CDMA-Mobilfunksystemen mit infiniter oder quasi-infiniter Datenübertragung

  • Mobilfunksysteme sind interferenzbegrenzt. Eine signifikante Steigerung der Leistungsfähigkeit künftiger Mobilfunksysteme kann daher nur durch den Einsatz von Verfahren zum Reduzieren der schädlichen Wirkung von Interferenz erreicht werden. Eine besonders attraktive Klasse von Verfahren, die dieses leisten, sind jene der gemeinsamen Empfangssignalverarbeitung, wobei bisher der systematische Entwurf und die systematische Analyse solcher Verfahren für CDMA-Mobilfunksysteme mit infiniter oder quasi-infiniter Datenübertragung - eine im Hinblick auf die derzeit in Betrieb gehenden zellularen Mobilfunksysteme der dritten Generation besonders interessierende Klasse von künftigen Mobilfunksystemen - noch unklar ist. Die vorliegende Arbeit liefert einen Beitrag zur Systematisierung des Entwurfs- und Optimierungsprozesses von Verfahren zur gemeinsamen Empfangssignalverarbeitung für Mobilfunksysteme der genannten Art. Zu diesem Zweck wird gezeigt, daß sich die Aufgabe der gemeinsamen Empfangssignalverarbeitung in die fünf Teilaufgaben Blockbilden, Datenzuordnen, Interblock-Signalverarbeitung, Intrablock-Signalverarbeitung und Kombinieren & Entscheiden zerlegen läßt. Nachdem in einem ersten Schritt alle fünf Teilaufgaben klar definiert und gegeneinander abgegrenzt werden, erfolgt in einem zweiten Schritt für jede Teilaufgabe die Entwicklung von Lösungsvorschlägen, die nach gewissen Kriterien optimal bzw. suboptimal sind. Zur Lösung jeder einzelnen Teilaufgabe werden neuartige Vorgehensweisen vorgeschlagen, wobei dabei sowohl die Optimierung der Leistungsfähigkeit der jeweiligen Vorgehensweisen als auch Belange, die für die praktische Realisierbarkeit relevant sind, im Vordergrund stehen. Eine Schlüsselrolle kommt den Verfahren der Intrablock-Signalverarbeitung zu, deren Aufgabe darin besteht, ausgehend von Ausschnitten des Empfangssignals Schätzungen von Daten zu ermitteln, die zu dem jeweiligen Ausschnitt beitragen. Die vorgeschlagenen Verfahren der Intrablock-Signalverarbeitung beruhen im wesentlichen auf iterativen Versionen bekannter linearer Schätzer, die um einen nichtlinearen Schätzwertverbesserer erweitert werden. Der nichtlineare Schätzwertverbesserer nutzt dabei A-priori-Information, wie z.B. die Kenntnis des Datensymbolalphabetes und der A-priori-Wahrscheinlichkeiten der zu übertragenden Daten, zum Erhöhen der Zuverlässigkeit der zu ermittelnden Datenschätzungen. Die verschiedenen Versionen der iterativ realisierten linearen Schätzer und verschiedene Schätzwertverbesserer bilden eine Art Baukastensystem, das es erlaubt, für viele Anwendungsfälle ein maßgeschneidertes Verfahren zur Intrablock-Signalverarbeitung zu konstruieren. Aufbauend auf dem entwickelten systematischen Entwurfsprinzip wird abschließend für ein exemplarisches CDMA-Mobilfunksystem mit synchronem Mehrteilnehmerzugriff ein darauf zugeschnittenes Verfahren zur gemeinsamen Empfangssignalverarbeitung vorgeschlagen. Die dargelegten Simulationsergebnisse zeigen, daß ausgehend von derzeit favorisierten nicht dem Prinzip der gemeinsamen Empfangssignalverarbeitung folgenden Verfahren zum Schätzen der übertragenen Daten in typischen Mobilfunkszenarien durch Einsetzen des vorgeschlagenen Verfahrens zur gemeinsamen Empfangssignalverarbeitung die Anzahl der gleichzeitig aktiven CDMA-Codes um nahezu eine Größenordnung erhöht werden kann, ohne dabei die bei einem vorgegebenen Signal-Stör-Verhältnis am Referenzempfänger beobachtbare Zuverlässigkeit der ermittelten Schätzungen zu verschlechtern. Deshalb ist der Einsatz von Verfahren zur gemeinsamen Empfangssignalverarbeitung eine vielversprechende Maßnahme zur Kapazitätssteigerung künftiger Mobilfunksysteme.
  • Mobile radio systems are interference limited. Therefore, in future mobile radio systems a significant performance enhancement can only be achieved by utilizing techniques which reduce the degrading impact of interference. A highly attractive class of such techniques are techniques for joint received signal processing. To date the systematic design and analysis of such techniques for CDMA mobile radio systems with infinite or quasi-infinite data transmission is not yet well understood, even though such systems are to be a particularly interesting class of future mobile radio systems, see for instance the third generation cellular mobile radio systems currently put into operation. This thesis contributes to the systematization of the design and optimization of techniques for joint received signal processing in such mobile radio systems. It is shown that the task of joint received signal processing can logically be split into five subtasks: block establishment, data assignment, interblock signal processing, intrablock signal processing and combining & decision. After defining these five subtasks in a first step, a second step details proposals for suboptimal and, according to certain criteria, optimal solutions. In particular novel approaches for solving each of the subtasks are proposed, taking into account the performance optimization of the respective approach and also aspects concerning technical feasibility. A key role play techniques for intrablock signal processing which, utilizing segments of the received signal, have to determine estimates of data contributing to the respective segment. The proposed techniques for intrablock signal processing are mainly based on iterative versions of well known linear estimators which are extended to comprise a nonlinear data estimate refiner. The nonlinear data estimate refiner exploits a priori information, e.g. the knowledge of the data symbol alphabet and a priori probabilities of the data to be transmitted to increase the reliability of the data estimates. The various versions of iteratively implemented linear estimators and the different types of data estimate refiners constitute a construction kit, which for most applications allows the design of tailor-made techniques for intrablock signal processing. Finally, based on the presented systematic design strategy, a customized technique for joint received signal processing for a typical CDMA mobile radio system with synchronous multi-user access is proposed. The simulation results presented in this thesis illustrate that in a typical mobile radio scenario with a certain signal-to-noise-ratio at the receiver of interest, joint received signal processing can increase the number of simultaneously active CDMA codes by a factor of approximately ten without reducing the reliability of the estimates determined as compared to conventional data estimators not relying on this technique. Thus, the utilization of techniques for joint received signal processing is a promising measure for increasing the capacity of future mobile radio systems.

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Metadaten
Author:Michael Meurer
URN (permanent link):urn:nbn:de:bsz:386-kluedo-15776
ISBN:3-936890-04-8
Advisor:P. W. Baier
Document Type:Doctoral Thesis
Language of publication:German
Year of Completion:2003
Year of Publication:2003
Publishing Institute:Technische Universität Kaiserslautern
Granting Institute:Technische Universität Kaiserslautern
Acceptance Date of the Thesis:2003/02/06
Tag:Empfangssignalverarbeitung
CDMA ; mobile radio ; multi-user detection; received signal processing
GND-Keyword:CDMA; Mobilfunk
Source:Kaiserslautern : Univ., 2003 (Forschungsberichte Mobilkommunikation ; Bd. 12) Zugl.: Kaiserslautern, Univ., Diss. 2003
Faculties / Organisational entities:Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik
DDC-Cassification:620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten

$Rev: 12793 $