Empfängerorientierte Funkkommunikation - Grundzüge, Potential und Ausgestaltung einer unkonventionellen Übertragungstechnik für die Mobilkommunikation

  • In heutigen Mobilfunksystemen wird ausschließlich senderorientierte Funkkommunikation eingesetzt. Bei senderorientierter Funkkommunikation beginnt der Systementwurf mit dem Sender. Dies bedeutet, daß man a priori die senderseitig verwendeten Algorithmen der Sendesignalerzeugung auswählt und in Abhängigkeit davon a posteriori den im Empfänger zum Datenschätzen verwendeten Algorithmus gegebenenfalls unter Einbeziehen von Kanalzustandsinformation festlegt. Dies ist nötig, um beispielsweise einen möglichst großen Anteil der senderseitig investierten Energie empfängerseitig auszunutzen, das heißt energieeffizient zu sein, und dabei gleichzeitig das Entstehen schädlicher Interferenzsignale zu vermeiden oder zu begrenzen. Im Falle der Senderorientierung kann man senderseitig sehr einfache Algorithmen wählen und implementieren, wobei dieser Vorteil typischerweise durch eine ungleich höher Implementierungskomplexität der a posteriori festzulegenden empfängerseitigen Algorithmen aufgewogen werden muß. Betrachtet man die wirtschaftlich bedeutenden zellularen Mobilfunksysteme, so ist eine derartige Funkkommunikation in der Aufwärtsstrecke vorteilhaft, denn in der Aufwärtsstrecke sind die Endgeräte der mobilen Teilnehmer, die Mobilstationen, die einfachen Sender, wohingegen die ortsfesten Basisstationen die Empfänger sind - und dort kann typischerweise eine größere Komplexität in Kauf genommen werden. In der Abwärtsstrecke derartiger Mobilfunksysteme hingegen, sind die Basisstationen die einfachen Sender, wohingegen die Mobilstationen die aufwendigen Empfänger sind. Dies ist nicht vorteilhaft, da in praktischen Mobilfunksystemen Gewicht, Volumen, Energieverbrauch und Kosten der Endgerätehardware und damit der Mobilstationen mit der Implementierungskomplexität steigen. Wie der Verfasser in der vorliegenden Schrift vorschlägt, läßt sich dieses Problem jedoch umgehen, denn die Funkkommunikation in Mobilfunksystemen kann auch in neuartiger Weise empfängerorientiert gestaltet werden. Empfängerorientierte Funkkommunikation ist dadurch gekennzeichnet, daß der Systementwurf auf der Empfängerseite beginnt. In diesem Fall werden die empfängerseitig verwendeten Algorithmen des Datenschätzens a priori festgelegt, und die senderseitig einzusetzenden Algorithmen der Sendesignalerzeugung ergeben sich dann daraus a posteriori durch Adaption wiederum gegebenenfalls unter Einbeziehen von Kanalzustandsinformation. Durch Empfängerorientierung kann man empfängerseitig sehr einfache Algorithmen wählen und implementieren, muß dafür jedoch eine höhere Implementierungskomplexität auf der Senderseite tolerieren. Angesichts der erwähnten Komplexitätscharakteristika von Sender- beziehungsweise Empfängerorientierung schlägt der Verfasser daher für künftige Mobilfunksysteme vor, Empfängerorientierung in der Abwärtsstrecke und Senderorientierung in der Aufwärtsstrecke einzusetzen. Dies ist insbesondere deshalb vorteilhaft, da Empfängerorientierung in der Abwärtsstrecke neben anderen noch die folgenden weiteren Vorteile gegenüber herkömmlicher Senderorientierung aufweist: 1) Die Leistung der von den Basisstationen abgestrahlten Signale kann reduziert werden. Dies erlaubt performanzhemmende systeminherente Störeinflüsse, die als Interzellinterferenz bezeichnet werden, zu reduzieren und ist im übrigen auch wünschenswert im Hinblick auf die zunehmende Elektrophobie der Bevölkerung. 2) Kanalzustandsinformation wird empfängerseitig nicht benötigt, so daß auf das Senden resourcenbindender Trainingssignale verzichtet und anstelle dessen das Sende von Nutzdaten ermöglicht werden kann. 3) Empfängerseitig ist kein Kanalschätzer vorzusehen, was des weiteren der Implementierungskomplexität des Empfängers zu gute kommt. Mobilfunksysteme lassen sich demzufolge durch Einsetzen des Grundkonzepts der Empfängerorientierung maßgeblich aufwerten. Dieses ist eine klare Motivation die Grundzüge, das Potential und die Ausgestaltungen dieses Grundkonzepts in der Mobilkommunikation in dieser Schrift eingehend zu studieren. Zur Klärung dieser Punkte im Kontext von Mobilkommunikation ist es entscheidend, die Frage der Wahl der Empfänger und die der Adaption der Sender zu beantworten. Die Frage nach der Adaption der Sender ist dabei gleichbedeutend mit der Frage nach der im allgemeinen auf Basis aller Daten erfolgenden gemeinsamen Sendesignalerzeugung. Nach der Einführung eines geeigneten allgemeinen Modells der Abwärtsstreckenübertragung eines zellularen Mobilfunksystems, das auch erst in jüngster Vergangenheit vorgeschlagene Mehrantennenkonfigurationen an den Basisstationen und Mobilstationen einschließt, wird hinsichtlich der A-priori-Wahl der Empfänger herausgestellt, daß, im Hinblick auf die bereits oben angesprochene möglichst geringe Implementierungskomplexität die Ausgestaltung der empfängerseitigen Signalverarbeitung als serielle Verkettung einer linearen Signalverarbeitung und eines nichtlinearen Quantisierers vorteilhaft ist. Die Prinzipien, die bei der Wahl sowohl der linearen Signalverarbeitung als auch des nichtlinearen Quantisierer gelten, werden im folgenden herausgearbeitet. Als Ergebnis dieser Betrachtungen stellt sich heraus, daß ein Gestalten der empfängerseitigen linearen Signalverarbeitung gemäß Codemultiplex hinsichtlich der ausnutzbaren Frequenz-, Zeit- und Raumdiversität vorteilhaft ist, jedoch leistungsfähige Verfahren der gemeinsamen Sendesignalerzeugung voraussetzt, die die Entstehung schädlicher Interferenzsignale verhindern. Des weiteren wird klar, daß sich die nichtlinearen Quantisierer sinnvollerweise in die Klasse der konventionellen und die der unkonventionellen Quantisierer unterteilen lassen; gleiches gilt für die diese Quantisierer verwendenden Empfänger. Konventionelle Quantisierer basieren auf einfach zusammenhängenden Entscheidungsgebieten, wobei jedes Entscheidungsgebiet eindeutig einer möglichen Ausprägung eines übertragenen Nachrichtenelements zugeordnet ist. Demgegenüber weisen unkonventionelle Quantisierer mehrfach zusammenhängende Entscheidungsgebiete auf, die sich jeweils aus mehreren Teilentscheidungsgebieten zusammensetzen. Das Vorhandensein mehrerer Teilentscheidungsgebiete pro Entscheidungsgebiet und damit pro Ausprägung eines übertragenen Nachrichtenelements stellt einen bei unkonventionellen Quantisierern verfügbaren zusätzlichen Freiheitsgrad dar, der bei der gemeinsamen Sendesignalerzeugung vorteilhaft genutzt werden kann, um die angesprochene Leistung der von den Basisstationen abgestrahlten Signale zu reduzieren. Ein Schwerpunkt der vorliegenden Schrift ist das Studium von Verfahren der gemeinsamen Sendesignalerzeugung. Diese werden daher systematisch gegliedert und erarbeitet. Es stellt sich heraus, daß Verfahren der gemeinsamen Sendesignalerzeugung prinzipiell unterteilt werden können in solche Verfahren für konventionelle Empfänger und solche für unkonventionelle Empfänger. Hinsichtlich Verfahren der erstgenannten Art wird herausgearbeitet, wie eine optimale gemeinsame Sendesignalerzeugung zu erfolgen hat, die unter gewissen Nebenbedingungen eine optimale Übertragungsqualität im Sinne minimaler Übertragungsfehlerwahrscheinlichkeit erzielt. Eine derartige gemeinsame Sendesignalerzeugung ist im allgemeinen recht aufwendig, so daß im Folgeverlauf die suboptimalen linearen Verfahren der gemeinsamen Sendesignalerzeugung Transmit Matched Filter (TxMF), Transmit Zero-Forcing (TxZF) und Transmit Minimum-Mean-Square-Error (TxMMSE) vorgeschlagen werden, die jeweils einen mehr oder weniger guten Kompromiß zwischen Implementierungskomplexität, Interferenzunterdrückung und Robustheit hinsichtlich Rauschens aufweisen. Der Verfasser schlägt vor, die Leistungsfähigkeit derartiger suboptimaler Verfahren unter anderem durch die bei gegebener Zeitdauer abgestrahlte totale Energie der Sendesignale, die totale Sendeenergie, - denn diese ist nicht nur im technischen, sondern auch im gesellschaftlichen Sinn ein wichtiger Aspekt, - und das Kriterium der Sendeeffizienz zu bewerten. Sendeeffizienz beurteilt das Zusammenspiel aus Interferenzunterdrückung einerseits und energieeffizienter Übertragung andererseits. Es stellt sich durch analytische und numerische Betrachtungen heraus, daß beide Größen vorrangig von zwei Einflußfaktoren bestimmt werden: der Anzahl der Freiheitsgrade bei der gemeinsamen Sendesignalerzeugung - und das ist die Anzahl der zu bestimmenden Abtastwerte aller Sendesignale - und der Anzahl der dabei einzuhaltenden Restriktionen. Da die Anzahl der Restriktionen bei der Forderung einer möglichst geringen wechselseitigen Interferenz nicht beeinflußbar ist, schlägt der Verfasser daher zum Erhöhen der Leistungsfähigkeit der empfängerorientierten Funkkommunikation vor, die Anzahl der Freiheitsgrade zu erhöhen, was sich vorzugsweise durch Verfolgen des Prinzips der unkonventionellen Empfänger umsetzen läßt. Es wird gezeigt, wie unter gewissen Nebenbedingungen eine hinsichtlich der Übertragungsfehlerwahrscheinlichkeiten optimale gemeinsame Sendesignalerzeugung prinzipiell erfolgen muß, und welche erheblichen Performanzgewinne im Sinne der totalen Sendeenergie und der Sendeeffizienz möglich werden. Diese optimale Vorgehensweise ist sehr aufwendig, so daß darüber hinaus aufwandsgünstige suboptimale hochperformante Alternativen der gemeinsamen Sendesignalerzeugung für unkonventionelle Empfänger vorgeschlagen und betrachtet werden. Die gemeinsame Sendesignalerzeugung setzt senderseitiges Vorliegen von Kanalzustandsinformation voraus. Daher werden die prinzipiellen Möglichkeiten des zur Verfügung Stellens dieser Information behandelt, wobei dabei das Bereitstellen dieser Information auf Basis gegebenenfalls vorliegender Kanalreziprozität im Falle von Duplexübertragung favorisiert wird. Dabei wird die in der Aufwärtsstrecke gewonnene Kanalzustandsinformation zur gemeinsamen Sendesignalerzeugung in der Abwärtsstrecke genutzt. Ist die dabei genutzte Kanalzustandsinformation nicht exakt, so hat dieses prinzipiell eine Degradation der Leistungsfähigkeit der empfängerorientierten Funkkommunikation zur Folge. Analytische und/oder numerische Betrachtungen erlauben, die Degradation zu quantifizieren. Es stellt sich heraus, daß diese Degradation vergleichbar mit der von konventionellen senderorientierten Funkkommunikationssystemen bekannten ist. Eine Betrachtung möglicher Weiterentwicklungen des Grundprinzips der Empfängerorientierung komplettieren die in dieser Schrift angestellten Betrachtungen. Die Ergebnisse dieser Schrift belegen, daß Empfängerorientierung ein interessanter Kandidat für die Organisation der Abwärtsstreckenübertragung künftiger Mobilfunksysteme ist. Darüber hinaus wird klar, welche grundsätzlichen Prinzipien und Effekte bei der empfängerorientierten Funkkommunikation wirksam sind und durch welche Vorgehensweisen bei der Gestaltung derartiger Funkkommunikation die Einflüsse der verschiedenen Effekte gegeneinander ausbalanciert werden können. Für den Systemdesigner morgiger Mobilfunksysteme steht mit dieser Schrift daher ein wertvolles Nachschlagewerk zur Verfügung, daß dabei unterstützt, die genannten prinzipiellen Vorteile von Empfängerorientierung in Funktechnologien der Praxis umzumünzen.
  • Nowadays mobile radio systems only use transmitter oriented radio transmission. In the case of transmitter orientation the system design starts from the transmitter. That means that the transmitter-sided algorithms for transmission signal generation are a priori chosen, whereas, depending on that choice, the algorithms used at the receivers for data estimation are determined a posteriori possibly under consideration of channel state information. This a posteriori determination has for instance the aim to use as much of the energy invested at the transmitter as possible for receiver-sided data estimation, that is, to be energy efficient, and, at the same time, to avoid or limit the occurrence of harmful interference. In case of transmitter orientation the transmitter-sided algorithms can be chosen to be very simple, however, this advantage will come typically at the cost of a much higher implementation complexity of the a posteriori determined receiver-sided algorithms. With reference to the economically important cellular mobile radio systems, such a radio transmission is advantageous in the uplink. Because in the uplink, the terminals of the mobile users, the mobile stations, are the simple transmitters, whereas the fixed base stations are the receivers - and, typically, a higher complexity can be accepted there. However, in the downlink of such mobile radio systems, the base stations are the simple transmitters, whereas the mobile stations have to act as complex receivers. This is not beneficial, since in practical mobile radio systems, weight, volume, energy consumption and the cost of terminal hardware and, therefore, of the mobile stations, increase with implementation complexity. As proposed by the author of this thesis, this drawback can be circumvented, as the radio transmission in mobile radio systems can alternatively be designed in a novel receiver oriented way. Receiver oriented radio transmission is characterized by the fact that the system design starts from the receiver side. In this case the algorithms used at the receiver side for data estimation are a priori chosen, and the algorithms utilized at the transmitter for transmission signal generation follow a posteriori by adaption, possibly again under consideration of channel state information. Receiver orientation allows the use of simple algorithms at the receiver side, but a higher implementation complexity at the transmitter side has to be accepted. In regard to the complexity features of both transmitter orientation and receiver orientation mentioned above, the author proposes the use of receiver orientation in the downlink and transmitter orientation in the uplink of future mobile radio systems. This is favorable since receiver orientation has, besides others, the following advantages when compared to transmitter orientation: 1) The power of the signals radiated by the base stations can be reduced. This allows to reduce system inherent disturbing influences, which are termed intercell interference and which degrade the performance of the mobile radio system, and, moreover, is desirable with respect to the growing electro-phobia of the public. 2) Channel state information is not necessary at the receiver side, which allows to do without resource consuming training signals. 3) No channel estimator is needed at the receiver side which further reduces the implementation complexity of the receivers. Thus, mobile radio systems can be significantly enhanced by the utilization of receiver orientation. This is a clear motivation for deeply studying the basics, potentials and the embodiment of this rationale in mobile communications within this thesis. To clarify these aspects in the context of mobile communications, it is important, to consider the choice of the receivers as well as the adaptation of the transmitter. The question concerning the adaptation of the transmitter is equivalent to the question of joint transmission signal generation based on the entirety of all data. After introducing a suitable general model of the downlink transmission in a cellular mobile radio system, which also includes multi-antenna configurations at the base stations and at the mobile stations, it is pointed out that, concerning the a priori choice of the receiver in connection with the low implementation complexity mentioned afore, the design of the receiver-sided signal processing as a serial concatenation of a linear signal processing and a nonlinear quantizer is favorable. The principles, underlying the choice of the linear signal processing as well as the nonlinear quantizer are elaborated. As a result it becomes apparent that the design of the receiver-sided linear signal processing according to code multiplex is advantageous in terms of frequency diversity, time diversity and space diversity but, requires powerful techniques for joint transmission signal generation, which avoid the occurrence of harmful interference. Moreover, it becomes evident that nonlinear quantizers can be divided into the class of conventional and unconventional quantizers; the same applies to receivers utilizing such quantizers. Conventional quantizers rely on simply connected decision regions, where each decision region is uniquely assigned to a single possible value of a data message element. In contrast, unconventional quantizers are based on multiply connected decision regions, which are composed of several partial decision regions. The availability of multiple partial decision regions per decision region and, therefore, per value of the transmitted data message element in the case of unconventional quantization constitutes a degree of freedom, which can be utilized beneficially for joint transmission signal generation in order to reduce said powers of the radiated signals. A focal point of this thesis is the elaboration of techniques for joint transmission signal generation. Therefore, theses techniques are systematically classified and elaborated. It turns out that techniques for joint transmission signal generation can be divided into techniques for conventional receivers and techniques for unconventional receivers. Concerning the former mentioned techniques it is shown, in which way an optimum transmission signal generation can be established, which under certain constraints achieves optimum transmission quality in terms of minimum transmission error probabilities. Such an optimum transmission signal generation is typically very complex, which is the motivation for certain suboptimum linear techniques for transmission signal generation, which are considered in the following. Especially the techniques transmit matched filter (TxMF), transmit zero-forcing (TxZF) and transmit minimum mean square error (TxMMSE) are proposed, which provide a more or less satisfying compromise between implementation complexity, interference suppression and robustness against noise. The author proposes to quantify the performance of such techniques by, among others, the total energy of the transmission signals, which are radiated by the base station during a certain time interval - this total transmit energy is an important aspect not only due to technical but also social reasons -, and by the criterion transmit efficiency. The transmit efficiency evaluates the interaction between interference suppression on the one hand and energy efficient transmission on the other hand. By means of analytical and numerical considerations it is shown that both quantities are primarily determined by two factors: the number of degrees of freedom for transmission signal generation - that is the number of samples of the transmitted signals to be determined - and the number of restrictions to be satisfied thereby. Since the number of restrictions can hardly be influenced if interference suppression is required, the author proposes to increase the performance of receiver oriented transmission by increasing the number of degrees of freedom, which, in particular, can be accomplished by using unconventional receivers. It is shown, how, with respect to certain constraints and a minimum probability of transmission errors, an optimum transmission signal generation has to be carried out and which significant performance improvements in terms of total transmit energy and transmit efficiency are achievable. This optimum transmission signal generation is typically of high complexity, and, therefore, suboptimum less complex techniques for transmission signal generation for unconventional receivers are considered which still guarantee a high transmission performance. Joint transmission signal generation requires transmitter-sided channel state information. Therefore, the basic principles of providing such information are presented, whereby the provision of such information based on channel reciprocity in the case of duplex transmission is favored. In this case, the channel state information obtained in the uplink is used for joint transmission signal generation in the downlink. If the channel state information is not accurate, then this will lead in principle to a degradation of the performance of receiver oriented transmission. Analytical and/or numerical considerations allow to quantify theses degradations. It turns out that the mentioned degradations are comparable to those known from the conventional transmitter orientation. An outline of further possible developments on the subject of the basic principle receiver orientation completes the considerations within in this thesis. The results of this thesis prove that receiver orientation is an attractive choice for the organization of the downlink transmission in future mobile radio systems. Moreover, it becomes clear, which basic principles and effects govern the receiver oriented radio transmission and which techniques for designing such radio transmission enable the best balance of the mentioned effects. Thus, this thesis may act as a valuable reference for system designers of tomorrow's mobile radio systems, which encourages the transformation of the basic advantages of receiver orientation worked out into practical radio technology.

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Metadaten
Author:Michael Meurer
URN (permanent link):urn:nbn:de:hbz:386-kluedo-18650
ISBN:3-936890-81-1
Advisor:Paul Walter Baier
Document Type:Habilitation
Language of publication:German
Year of Completion:2005
Year of Publication:2005
Publishing Institute:Technische Universität Kaiserslautern
Granting Institute:Technische Universität Kaiserslautern
Acceptance Date of the Thesis:2005/06/01
Tag:Empfängerorientierung ; MIMO-Antennen; Precoding ; Sendesignalvorverarbeitung
Joint Transmission ; MIMO; Precoding ; mobile radio ; receiver orientation
GND-Keyword:CDMA; Mobilfunk ; Telekommunikation
Source:Forschungsberichte Mobilkommunikation ; Bd. 19
Faculties / Organisational entities:Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik
DDC-Cassification:620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten

$Rev: 12793 $