Joint Channel Estimation in Service Area Based OFDM Air Interfaces for Beyond 3G Mobile Radio Systems

Gemeinsame Kanalschätzung in OFDM-Luftschnittstellen für Mobilfunksysteme jenseits der 3. Generation auf der Basis von Service-Gebieten

  • In the thesis the task of channel estimation in beyond 3G service area based mobile radio air interfaces is considered. A system concept named Joint Transmission and Detection Integrated Network (JOINT) forms the target platform for the investigations. A single service area of JOINT is considered, in which a number of mobile terminals is supported by a number of radio access points, which are connected to a central unit responsible for the signal processing. The modulation scheme of JOINT is OFDM. Pilot-aided channel estimation is considered, which has to be performed only in the uplink of JOINT, because the duplexing scheme TDD is applied. In this way, the complexity of the mobile terminals is reduced, because they do not need a channel estimator. Based on the signals received by the access points, the central unit estimates the channel transfer functions jointly for all mobile terminals. This is done by resorting to the a priori knowledge of the radiated pilot signals and by applying the technique of joint channel estimation, which is developed in the thesis. The quality of the gained estimates is judged by the degradation of their signal-to-noise ratio as compared to the signal-to-noise ratio of the respective estimates gained in the case of a single mobile terminal radiating its pilots. In the case of single-element receive antennas at the access points, said degradation depends solely on the structure of the applied pilots. In the thesis it is shown how by a proper design of the pilots the SNR degradation can be minimized. Besides using appropriate pilots, the performance of joint channel estimation can be further improved by the inclusion of additional a-priori information in the estimation process. An example of such additional information would be the knowledge of the directional properties of the radio channels. This knowledge can be gained if multi-element antennas are applied at the access points. Further, a-priori channel state information in the form of the power delay profiles of the radio channels can be included in the estimation process by the application of the minimum mean square error estimation principle for joint channel estimation. After having intensively studied the problem of joint channel estimation in JOINT, the thesis rounds itself by considering the impact of the unavoidable channel estimation errors on the performance of data estimation in JOINT. For the case of small channel estimation errors occurring due to the presence of noise at the access points, the performance of joint detection in the uplink and of joint transmission in the downlink of JOINT are investigated based on simulations. For the uplink, which utilizes joint detection, it is shown to which degree the bit error probability increases due to channel estimation errors. For the downlink, which utilizes joint transmission, channel estimation errors lead to an increase of the required transmit power, which can be quantified by the simulation results.
  • Die vorliegende Dissertation betrachtet die Aufgabe der Kanalschätzung in Mobilfunksystemen jenseits der 3. Generation auf der Basis von Service-Gebieten. Das Mobilfunksystem mit der Bezeichnung Joint Transmission and Detection Integrated Network (JOINT) dient als die erforderliche Plattform für die entsprechenden Untersuchungen. Es wird ein einziges Service-Gebiet von JOINT betrachtet, innerhalb dessen eine Anzahl mobiler Endgeräte über eine Anzahl von Zugangspunkten versorgt wird, die ihrerseits mit einer zentralen Einheit verbunden sind. Die zentrale Einheit trägt die Aufgabe der Signalverarbeitung. Das Modulationsverfahren von JOINT ist OFDM. Es wird die pilot-basierte Kanalschätzung betrachtet, die aufgrund des Einsatzes von Zeitduplex nur in der Aufwärtsstrecke von JOINT durchgeführt werden muß. Dadurch wird die Komplexität der mobilen Endgeräte reduziert, da diese keinen Kanalschätzer benötigen. Basierend auf an den Zugangspunkten empfangenen Signalen schätzt die zentrale Einheit die Kanalübertragungsfunktionen gemeinsam für alle Teilnehmer. Dies geschieht durch das Anwenden der a-priori Kenntnis der abgestrahlten Pilotsignale und der Technik der gemeinsamen Kanalschätzung, welche in der Arbeit vorgestellt wird. Die Qualität der Schätzung wird mittels der Degradation ihres Signal-Stör-Verhältnisses im Vergleich zum Signal-Stör-Verhältnis der Kanalschätzung bei einem Einteilnehmersystem beurteilt. Im Falle des Einsatzes nur eines Antennenelements an den Zugangspunkten hängt diese SNR-Degradation einzig und allein von der Struktur der benutzten Piloten ab. In der Arbeit wird gezeigt, wie durch einen geeigneten Entwurf der Pilotsignale die SNR-Degradation minimiert werden kann. Neben dem Einsatz vorteilhaft gewählter Piloten kann man die Performanz der gemeinsamen Kanalschätzung durch das Einbringen zusätzlicher a-priori Information in den Schätzprozeß weiter verbessern. Ein Beispiel solcher zusätzlicher Information ist die Kenntnis der direktionellen Eigenschaften der Mobilfunkkanäle. Diese Kenntnis kann gewonnen werden, wenn mehrere Antennenelemente an den Zugangspunkten eingesetzt werden. Des weiteren kann a-priori Information über die Verzögerungsleistungsdichtespektren der Mobilfunkkanäle in den Schätzprozeß eingebracht werden, indem man das Minimum Mean Square Error Schätzprinzip einsetzt. Nachdem das Problem der gemeinsamen Kanalschätzung in JOINT ausführlich diskutiert wurde, wird die Arbeit abgerundet durch die Untersuchung des Einflußes unvermeidbarer Kanalschätzfehler auf die Performanz der Datenschätzung in JOINT. Im Falle kleiner Kanalschätzfehler, die durch die Präsenz von Rauschen an den Zugangspunkten zustandekommen, werden die Performanz von Joint Detection in der Aufwärtsstrecke und die Performanz von Joint Transmission in der Abwärtsstrecke von JOINT simulativ untersucht. Im Falle der Aufwärtsstrecke, wo Joint Detection zum Einsatz kommt, wird der Grad der Erhöhung der Bitfehlerwahrscheinlichkeit aufgrund der vorhandenen Kanalschätzfehlern gezeigt. Im Falle der Abwärtsstrecke, wo Joint Transmission zum Einsatz kommt, führen Kanalschätzfehler zu einem Anstieg der erforderlichen Sendeenergie, welcher durch die Simulationsergebnisse quantifiziert werden kann.

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Metadaten
Author:Ioannis Maniatis
URN (permanent link):urn:nbn:de:hbz:386-kluedo-18242
Advisor:Paul Walter Baier
Document Type:Doctoral Thesis
Language of publication:English
Year of Completion:2005
Year of Publication:2005
Publishing Institute:Technische Universität Kaiserslautern
Granting Institute:Technische Universität Kaiserslautern
Acceptance Date of the Thesis:2005/02/04
Tag:Kanalschätzung; OFDM-Mobilfunksysteme
Channel estimation; OFDM mobile radio systems
GND-Keyword:Mobilfunk
Faculties / Organisational entities:Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik
DDC-Cassification:620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten

$Rev: 12793 $