Contributions to increase the power efficiency of OFDM communications

Beiträge zum Erhöhen der Leistungseffizienz der OFDM-Übertragung

  • This thesis has the goal to propose measures which allow an increase of the power efficiency of OFDM transmission systems. As compared to OFDM transmission over AWGN channels, OFDM transmission over frequency selective radio channels requires a significantly larger transmit power in order to achieve a certain transmission quality. It is well known that this detrimental impact of frequency selectivity can be combated by frequency diversity. We revisit and further investigate an approach to frequency diversity based on the spreading of subsets of the data elements over corresponding subsets of the OFDM subcarriers and term this approach Partial Data Spreading (PDS). The size of said subsets, which we designate as spreading factor, is a design parameter of PDS, and by properly choosing , depending on the system designer's requirements, an adequate compromise between a good system performance and a low complexity can be found. We show how PDS can be combined with ML, MMSE and ZF data detection, and it is recognized that MMSE data detection offers a good compromise between performance and complexity. After having presented the utilization of PDS in OFDM transmission without FEC encoding, we also show that PDS readily lends itself for FEC encoded OFDM transmission. We display that in this case the system performance can be significantly enhanced by specific schemes of interleaving and utilization of reliabiliy information developed in the thesis. A severe problem of OFDM transmission is the large Peak-to-Average-Power Ratio (PAPR) of the OFDM symbols, which hampers the application of power efficient transmit amplifiers. Our investigations reveal that PDS inherently reduces the PAPR. Another approch to PAPR reduction is the well known scheme Selective Data Mapping (SDM). In the thesis it is shown that PDS can be beneficially combined with SDM to the scheme PDS-SDM with a view to jointly exploit the PAPR reduction potentials of both schemes. However, even when such a PAPR reduction is achieved, the amplitude maximum of the resulting OFDM symbols is not constant, but depends on the data content. This entails the disadvantage that the power amplifier cannot be designed, with a view to achieve a high power efficiency, for a fixed amplitude maximum, what would be desirable. In order to overcome this problem, we propose the scheme Optimum Clipping (OC), in which we obtain the desired fixed amplitude maximum by a specific combination of the measures clipping, filtering and rescaling. In OFDM transmission a certain number of OFDM subcarriers have to be sacrificed for pilot transmission in order to enable channel estimation in the receiver. For a given energy of the OFDM symbols, the question arises in which way this energy should be subdivided among the pilots and the data carrying OFDM subcarriers. If a large portion of the available transmit energy goes to the pilots, then the quality of channel estimation is good, however, the data detection performs poor. Data detection also performs poor if the energy provided for the pilots is too small, because then the channel estimate indispensable for data detection is not accurate enough. We present a scheme how to assign the energy to pilot and data OFDM subcarriers in an optimum way which minimizes the symbol error probability as the ultimate quality measure of the transmission. The major part of the thesis is dedicated to point-to-point OFDM transmission systems. Towards the end of the thesis we show that the PDS can be also applied to multipoint-to-point OFDM transmission systems encountered for instance in the uplinks of mobile radio systems.
  • Die vorliegende Arbeit verfolgt das Ziel, Maßnahmen vorzuschlagen, durch die die Leistungseffizienz von OFDM-Übertragungssystemen erhöht werden kann. Im Vergleich zur OFDM-Übertragung über AWGN-Kanäle erfordert die OFDM-Übertragung über frequenzselektive Funkkanäle eine wesentlich höhere Sendeleistung, um eine gewisse Übertragungsqualität zu erzielen. Es ist bekannt, daß dieser schädlichen Auswirkung der Frequenzselektivität durch Frequenzdiversität begegnet werden kann. Wir greifen ein im Prinzip bekanntes Verfahren der Frequenzdiversität auf und untersuchen dies in sehr detaillierter Weise, das darauf beruht, eine Untermenge der Datenelemente über eine entsprechende Untermenge der OFDM-Subträger zu spreizen, und wir bezeichnen dieses Verfahren als Partielle Datenspreizung (PDS). Die Größe besagter Untermengen, die wir Spreizfaktor nennen, ist ein Entwurfsparameter von PDS. Durch geeignete Wahl von kann man abhängig von den Anforderungen des Systemdesigners angemessene Kompromisse von guter Systemperformanz und geringer Komplexität erreichen. Nachdem in der Arbeit die Anwendung von PDS bei der uncodierten OFDM-Übertragung dargelegt ist, wird gezeigt, daß PDS auch sehr geeignet ist für die OFDM-Übertragung mit Fehlerschutzcodierung. Wir führen aus, daß die Systemperformanz in diesem Fall durch spezielle Verfahren des Interleaving und der Ausnutzung von Zuverlässigkeitsinformation signifikant gesteigert werden kann. Ein schwerwiegendes Problem der OFDM-Übertragung besteht in dem großen Peak-to-Average-Power Ratio (PAPR) der OFDM-Symbole. Dieses führt zu Einschränkungen beim Einsatz leistungseffizienter Sendeverstärker. Unsere Untersuchungen ergeben, daß PDS ein inhärentes Potential zur PAPR-Reduktion hat. Eine andere Möglichkeit der PAPR-Reduktion bietet das bekannte Verfahren des Selective Data Mapping (SDM). In der Arbeit wird gezeigt, daß PDS und SDM zu dem Verfahren PDS-SDM kombiniert werden können, das sich das Potential der PAPR-Reduktion beider Verfahren vorteilhaft zunutze macht. Allerdings ist auch nach erfolgter PAPR-Reduktion das Amplitudenmaximum der OFDM-Symbole nicht konstant, sondern es hängt vom Dateninhalt der OFDM-Symbole ab. Dies hat den Nachteil, daß der Leistungsverstärker nicht für ein festes Amplitudenmaximum entworfen werden kann, was im Hinblick auf eine hohe Leistungseffizienz wünschenswert wäre. Zum Überwinden dieses Problems schlagen wir das Verfahren Optimum Clipping (OC) vor; bei diesem wird das erwünschte feste Amplitudenmaximum durch eine spezielle Kombination der Maßnahmen Clipping, Filterung und Reskalierung erzielt. Um im Empfänger den Funkkanal schätzen zu können, muß bei der OFDM-Übertragung eine gewisse Anzahl der OFDM-Unterträger als Piloten vorgesehen werden. Bei vorgegebener verfügbarer Energie der OFDM-Symbole stellt sich die Frage, wie diese Energie auf die Piloten und die datentragenden OFDM-Unterträger aufgeteilt werden sollte. Wenn ein Großteil dieser Energie den Piloten zugewiesen wird, dann ist die Qualität der Kanalschätzung gut, aber die Qualität der Datendetektion ist gering. Diese Qualtät ist auch gering, wenn für die Piloten zu wenig Energie vorgesehen wird, weil dann die für die Datendetektion unverzichtbare Kanalschätzung nicht genau genug ist. Wir schlagen ein Verfahren zur optimalen Energieaufteilung zwischen Piloten und datentragenden OFDM-Unterträgen vor. Dieses Verfahren gestattet es, die Symbolfehlerwahrscheinlichkeit als das letztlich relevante Performanzkriterium zu minimieren. Der weitaus größte Teil der Arbeit ist der Punkt-zu-Punkt-OFDM-Übertragung gewidmet. Gegen Ende der Arbeit zeigen wir, daß PDS auch in Multipunkt-zu-Punkt-Übertragungssystemen eingesetzt werden kann, wie man sie zum Beispiel in der Aufwärtsstrecke von Mobilfunksystemen vorfindet.

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Metadaten
Author:Shengqiang Guo
URN (permanent link):urn:nbn:de:hbz:386-kluedo-26124
Advisor:Paul Walter Baier
Document Type:Doctoral Thesis
Language of publication:English
Year of Completion:2011
Year of Publication:2011
Publishing Institute:Technische Universität Kaiserslautern
Granting Institute:Technische Universität Kaiserslautern
Acceptance Date of the Thesis:2011/02/04
Tag:Datenspreizung; Leistungseffizienz
Data Spreading; Power Efficiency
GND-Keyword:Codierung; Informationsübertragung ; Mobile Telekommunikation ; OFDM
Faculties / Organisational entities:Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik
DDC-Cassification:620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten

$Rev: 12793 $