Service Area Based OFDM Air Interface for Beyond 3G Mobile Radio Systems

OFDM-Luftschnittstelle für Mobilfunksysteme jenseits der dritten Generation auf der Basis von Service Gebieten

  • The present thesis deals with a novel air interface concept for beyond 3G mobile radio systems. Signals received at a certain reference cell in a cellular system which originate in neighboring cells of the same cellular system are undesired and constitute the intercell interference. Due to intercell interference, the spectrum capacity of cellular systems is limited and therefore the reduction of intercell interference is an important goal in the design of future mobile radio systems. In the present thesis, a novel service area based air interface concept is investigated in which interference is combated by joint detection and joint transmission, providing an increased spectrum capacity as compared to state-of-the-art cellular systems. Various algorithms are studied, with the aid of which intra service area interference can be combated. In the uplink transmission, by optimum joint detection the probability of erroneous decision is minimized. Alternatively, suboptimum joint detection algorithms can be applied offering reduced complexity. By linear receive zero-forcing joint detection interference in a service area is eliminated, while by linear minimum mean square error joint detection a trade-off is performed between interference elimination and noise enhancement. Moreover, iterative joint detection is investigated and it is shown that convergence of the data estimates of iterative joint detection without data estimate refinement towards the data estimates of linear joint detection can be achieved. Iterative joint detection can be further enhanced by the refinement of the data estimates in each iteration. For the downlink transmission, the reciprocity of uplink and downlink channels is used by joint transmission eliminating the need for channel estimation and therefore allowing for simple mobile terminals. A novel algorithm for optimum joint transmission is presented and it is shown how transmit signals can be designed which result in the minimum possible average bit error probability at the mobile terminals. By linear transmit zero-forcing joint transmission interference in the downlink transmission is eliminated, whereas by iterative joint transmission transmit signals are constructed in an iterative manner. In a next step, the performance of joint detection and joint transmission in service area based systems is investigated. It is shown that the price to be paid for the interference suppression in service area based systems is the suboptimum use of the receive energy in the uplink transmission and of the transmit energy in the downlink transmission, with respect to the single user reference system. In the case of receive zero-forcing joint detection in the uplink and transmit zero-forcing joint transmission in the downlink, i.e., in the case of linear unbiased data transmission, it is shown that the same price, quantified by the energy efficiency, has to be paid for interference elimination in both uplink and downlink. Finally it is shown that if the system load is fixed, the number of active mobile terminals in a SA and hence the spectrum capacity can be increased without any significant reduction in the average energy efficiency of the data transmission.
  • Die vorliegende Dissertation befaßt sich mit einem neuartigen Konzept für die Luftschnittstelle von Mobilfunksystemen jenseits der dritten Generation. In einer Referenzzelle eines zellularen Mobilfunksystems empfangene Signale, die in Nachbarzellen des selben Mobilfunksystems abgestrahlt wurden, sind unerwünscht und bilden die Interzellinterferenz. Wegen der Interzellinterferenz ist die spektrale Kapazität zellularer Systeme begrenzt und daher ist die Reduktion der Interzellinterferenz ein wichtiges Ziel beim Entwurf zukünftiger Mobilfunksysteme. In der vorliegenden Dissertation wird ein neuartiges Luftschnittstellenkonzept auf der Basis von Service Gebieten, in dem Interferenz mittels Joint Detection und Joint Transmission bekämpft wird und dadurch eine höhere spektrale Kapazität als in zellularen Mobilfunksystemen gemäß dem Stand der Technik erzielt werden kann, untersucht. Eine Vielfalt von Algorithmen, mit deren Hilfe die Intraserviceareainterferenz unterdrückt werden kann, werden untersucht. In der Aufwärtsstrecke wird die Wahrscheinlichkeit der Fehlentscheidung mittels optimalem Joint Detection minimiert. Alternativ kann durch geringere Komplexität gekennzeichnetes suboptimales Joint Detection eingesetzt werden. Mit linearem Zero-Forcing Joint Detection wird die Interferenz innerhalb eines Service Gebietes eliminiert und lineares Minimum Mean Square Error Joint Detection bildet einen Kompromiss zwischen Interferenzelimination und Rauschenverstärkung. Zusätzlich wird Iteratives Joint Detection untersucht und es wird gezeigt, daß Konvergenz der Datenschätzungen von Iterativem Joint Detection ohne Schätzwertverbesserung und linearem Joint Detection erreicht werden kann. Iteratives Joint Detection kann man verbessern, indem man die Datenschätzungen in jeder Iteration verbessert. Für die Abwärtsstrecke wird die Reziprozität zwischen den Kanälen der Auf- und Abwärtsstrecke von Joint Transmission ausgenutzt. Somit wird die Notwendigkeit einer Kanalschätzung in der Abwärtsstrecke eliminiert und die Komplexität der Mobile Terminals gering gehalten. Ein neuartiges Verfahren für optimales Joint Transmission wird eingeführt und der Entwurf von Sendesignalen, die zu minimaler Bitfehlerwahrscheinlichkeit an den Mobile Terminals führen, beschrieben. Mit Hilfe von linearem Joint Transmission kann Interferenz in der Abwärtsstrecke eliminiert werden und mit Iterativem Joint Transmission werden die Sendesignale iterativ konstruiert. In einem nächsten Schritt wird die Performanz von Joint Detection und Joint Transmission in auf Service Gebieten basierenden Systemen untersucht. Es wird gezeigt, daß das suboptimale Nutzen der Empfangsenergie in der Aufwärtsstrecke und der Sendeenergie in der Abwärtsstrecke im Vergleich zum Referenzsystem der für die Unterdrückung der Interferenz zu zahlende Preis ist. Es folgt, daß im Fall von linearem Zero-Forcing Joint Detection und linearem Transmit Zero-Forcing Joint Transmission der selbe Preis für die Interferenzunterdrückung zu zahlen ist, der sich mit der Energieeffizienz quantitativ beschreiben läßt. Schließlich wird gezeigt, daß bei konstanter Systemlast in einem Service Gebiet die Anzahl der Mobile Terminals beliebig erhöht werden kann, ohne daß die Energieffizienz der Datenübertragung merklich abnimmt.

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Metadaten
Author:Alexandros Sklavos
URN (permanent link):urn:nbn:de:hbz:386-kluedo-17644
ISBN:3-936890-47-1
Advisor:Tobias Weber
Document Type:Doctoral Thesis
Language of publication:English
Year of Completion:2004
Year of Publication:2004
Publishing Institute:Technische Universität Kaiserslautern
Granting Institute:Technische Universität Kaiserslautern
Acceptance Date of the Thesis:2004/07/19
Tag:Empfangssignalverarbeitung; MIMO Systeme; Mobilfunksysteme; Sendesignalverarbeitung
MIMO; beyond 3G; mobile radio systems; multiuser detection; multiuser transmission
GND-Keyword:Mobilfunk
Source:Forschungsberichte Mobilkommunikation ; Bd. 15
Faculties / Organisational entities:Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik
DDC-Cassification:620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten

$Rev: 12793 $