Kaiserslautern - Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik
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Moderne Mobilfunksysteme, die nach dem zellularen Konzept arbeiten, sind interferenzbegrenzte Systeme. Ein wesentliches Ziel beim Entwurf zukünftiger Mobilfunkkonzepte ist daher die Reduktion der auftretenden Interferenz. Nur so läßt sich die spektrale Effizienz künftiger Mobilfunksysteme noch signifikant gegenüber dem Stand der Technik steigern. Die Elimination der Intrazellinterferenz, das heißt der auftretenden Wechselwirkungen zwischen Signalen mehrerer von der gleichen Zelle bedienter Teilnehmer, durch gemeinsame Detektion (engl. Joint Detection, JD) ist bereits ein wesentliches Merkmal des Luftschnittstellenkonzepts TD-CDMA. Ein bislang noch weitgehend unbeachtetes Potential zum Steigern von spektraler Effizienz und Kapazität hingegen ist die Reduktion der Interzellinterferenz, das heißt der durch Teilnehmer verschiedener Zellen wechselseitig verursachten Interferenz. Insbesondere in Systemen mit niedrigen Clustergrößen verspricht eine Reduktion der in diesem Fall sehr starken Interzellinterferenz erhebliche Gewinne. Die Interzellinterferenzreduktion ist daher der logische nächste Schritt nach der Intrazellinterferenzreduktion. Die vorliegende Arbeit leistet einen Beitrag zum Entwickeln gewinnbringender Verfahren zur Reduktion der Interzellinterferenz in zukünftigen Mobilfunksystemen durch entsprechende Berücksichtigung und Elimination des Einflusses der Interzellinterferenzsignale in der empfängerseitigen Signalverarbeitung. Ziel ist eine verbesserte Schätzung der übertragenen Teilnehmerdaten zu erhalten, dazu werden Signale von Interzellinterferenzquellen beim Datenschätzen berücksichtigt. Die dabei benötigten Informationen werden mit den ebenfalls erläuterten Verfahren zur Identifikation und Selektion starker Interzellinterferenzquellen sowie einer gegenüber dem bisherigen Systementwurf erweiterten Kanalschätzung gewonnen. Es wird gezeigt, daß sich mit einem aufwandsgünstigen Detektor die relevanten Interzellinterferenzquellen zuverlässig identifizieren lassen. Mit einem auf kurze Mobilfunkkanäle, die in Hotspots vermehrt zu erwarten sind, optimierten Kanalschätzverfahren werden die aktuellen Mobilfunkkanalimpulsantworten für alle relevanten Teilnehmer bestimmt. Um die Datenschätzung für viele Teilnehmer durchführen zu können, wird das Schätzverfahren Multi-Step Joint Detection entworfen, das die von der herkömmlichen gemeinsamen Detektion bekannte SNR-Degradation verringert. Die Simulationsergebnisse zeigen die Leistungsfähigkeit des entworfenen Systemkonzeptes. Die Interzellinterferenzreduktionsverfahren können sowohl zum Erhöhen der spektralen Effizienz des Systems, als auch zu einer Verbesserung der Dienstgüte bei gleichbleibender spektraler Effizienz gewinnbringend eingesetzt werden.
Das europäische Mobilfunksystem der dritten Generation heißt UMTS. UTRA - der terrestrische Funkzugang von UMTS - stellt zwei harmonisierte Luftschnittstellen zur Verfügung: Das TDD-basierte TD-CDMA und das FDD-basierte WCDMA. Das Duplexverfahren TDD bietet gegenüber FDD erhebliche Vorteile, z.B. können TDD-basierte Luftschnittstellen unterschiedliche Datenraten in der Aufwärts- und Abwärtsstrecke i.a. effizienter bereitstellen als FDD-basierte Luftschnittstellen. TD-CDMA ist Gegenstand dieser Arbeit. Die wichtigsten Details dieser Luftschnittstelle werden vorgestellt. Laufzeit und Interferenz sind wesentliche Gesichtspunkte beim Verwenden von TDD. Diese wesentlichen Gesichtspunkte werden eingehend für den Fall des betrachteten TD-CDMA untersucht. In UMTS spielen neben der Sprachübertragung insbesondere hochratige Datendienste und Multimediadienste eine wichtige Rolle. Die unterschiedlichen Qualitätsanforderungen dieser Dienste sind eine große Herausforderung für UMTS, insbesondere auf der physikalischen Ebene. Um den Qualitätsanforderungen verschiedener Dienste gerecht zu werden, definiert UTRA die L1/L2-Schnittstelle durch unterschiedliche Transportkanäle. Jeder Transportkanal garantiert durch die vorgegebene Datenrate, Verzögerung und maximal zulässige Bitfehlerrate eine bestimmte Qualität der Übertragung. Hieraus ergibt sich das Problem der Realisierung dieser Transportkanäle auf physikalischer Ebene. Dieses Problem wird in der vorliegenden Arbeit eingehend für TD-CDMA untersucht. Der UTRA-Standard bezeichnet die Realisierung eines Transportkanals als Transportformat. Wichtige Parameter des Transportformats sind das verwendete Pooling-Konzept, das eingesetzte FEC-Verfahren und die zugehörige Coderate. Um die Leistungsfähigkeit unterschiedlicher Transportformate quantitativ zu vergleichen, wird ein geeignetes Bewertungsmaß angegeben. Die zur Bewertung erforderlichen Meßwerte können nur durch Simulation auf Verbindungsebene ermittelt werden. Deshalb wird ein Programm für die Simulation von Transportformaten in TD-CDMA entwickelt. Bei der Entwicklung dieses Programms wird auf Konzepte, Techniken, Methoden und Prinzipien der Informatik für die Software-Entwicklung zurückgegriffen, um die Wiederverwendbarkeit und Änderbarkeit des Programms zu unterstützen. Außerdem werden wichtige Verfahren zur Reduzierung der Bitfehlerrate - die schnelle Leistungsregelung und die Antennendiversität - implementiert. Die Leistungsfähigkeit einer exemplarischen Auswahl von Transportformaten wird durch Simulation ermittelt und unter Verwendung des Bewertungsmaßes verglichen. Als FEC-Verfahren werden Turbo-Codes und die Code-Verkettung aus innerem Faltungscode und äußerem RS-Code eingesetzt. Es wird gezeigt, daß die untersuchten Verfahren zur Reduzierung der Bitfehlerrate wesentlichen Einfluß auf die Leistungsfähigkeit der Transportformate haben. Des weiteren wird gezeigt, daß die Transportformate mit Turbo-Codes bessere Ergebnisse erzielen als die Transportformate mit Code-Verkettung.
Utilization of Correlation Matrices in Adaptive Array Processors for Time-Slotted CDMA Uplinks
(2002)
It is well known that the performance of mobile radio systems can be significantly enhanced by the application of adaptive antennas which consist of multi-element antenna arrays plus signal processing circuitry. In the thesis the utilization of such antennas as receive antennas in the uplink of mobile radio air interfaces of the type TD-CDMA is studied. Especially, the incorporation of covariance matrices of the received interference signals into the signal processing algorithms is investigated with a view to improve the system performance as compared to state of the art adaptive antenna technology. These covariance matrices implicitly contain information on the directions of incidence of the interference signals, and this information may be exploited to reduce the effective interference power when processing the signals received by the array elements. As a basis for the investigations, first directional models of the mobile radio channels and of the interference impinging at the receiver are developed, which can be implemented on the computer at low cost. These channel models cover both outdoor and indoor environments. They are partly based on measured channel impulse responses and, therefore, allow a description of the mobile radio channels which comes sufficiently close to reality. Concerning the interference models, two cases are considered. In the one case, the interference signals arriving from different directions are correlated, and in the other case these signals are uncorrelated. After a visualization of the potential of adaptive receive antennas, data detection and channel estimation schemes for the TD-CDMA uplink are presented, which rely on such antennas under the consideration of interference covariance matrices. Of special interest is the detection scheme MSJD (Multi Step Joint Detection), which is a novel iterative approach to multi-user detection. Concerning channel estimation, the incorporation of the knowledge of the interference covariance matrix and of the correlation matrix of the channel impulse responses is enabled by an MMSE (Minimum Mean Square Error) based channel estimator. The presented signal processing concepts using covariance matrices for channel estimation and data detection are merged in order to form entire receiver structures. Important tasks to be fulfilled in such receivers are the estimation of the interference covariance matrices and the reconstruction of the received desired signals. These reconstructions are required when applying MSJD in data detection. The considered receiver structures are implemented on the computer in order to enable system simulations. The obtained simulation results show that the developed schemes are very promising in cases, where the impinging interference is highly directional, whereas in cases with the interference directions being more homogeneously distributed over the azimuth the consideration of the interference covariance matrices is of only limited benefit. The thesis can serve as a basis for practical system implementations.
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.
In Anbetracht der ständig steigenden Nachfrage nach Mobilkommunikation einerseits und der nur begrenzt zur Verfügung stehenden Ressource Frequenzspektrum andererseits müssen Mobilfunksysteme der dritten Generation (3G) eine hohe Frequenzökonomie haben. Dies trifft insbesondere auf die Abwärtsstrecken dieser Systeme zu, in denen auch paketorientierte Dienste mit hohen Datenraten angeboten werden sollen. Seitens der Basisstationen kann die spektrale Effizienz der Abwärtsstrecke durch das Verwenden mehrelementiger adaptiver Sendeantennen erhöht werden. Hierzu sind leistungsfähige Signalverarbeitungskonzepte erforderlich, die die effektive Kombination der adaptiven Antennen mit der eingesetzten Sendeleistungsregelung ermöglichen. Die wichtigsten Aspekte beim Entwerfen von Signalverarbeitungskonzepten für adaptive Sendeantennen sind das Gewährleisten mobilstationsspezifischer Mindestdatenraten sowie das Reduzieren der aufzuwendenden Sendeleistungen. Die vorliegende Arbeit trägt dazu bei, den Einsatz mehrantennenelementiger adaptiver Sendeantennen in Mobilfunksystemen der dritten Generation voranzutreiben. Existierende Konzepte werden dargestellt, vereinheitlicht, analysiert und durch eigene Ansätze des Autors erweitert. Signalverarbeitungskonzepte für adaptive Antennen benötigen als Wissensbasis zumindest einen gewissen Grad an Kenntnis über die Mobilfunkkanäle der Abwärtsstrecke. Beim für den FDD-Modus angedachten 3G-Teilstandard WCDMA ergibt sich das Problem, daß wegen des Frequenzversatzes zwischen der Auf- und der Abwärtsstrecke die Ergebnisse der Kanalschätzung in der Aufwärtsstrecke nicht direkt zum Einstellen der adaptiven Sendeantennen verwendet werden können. Eine Möglichkeit, in FDD-Systemen an den Basisstationen ein gewisses Maß an Kenntnis über die räumlichen Eigenschaften der Mobilfunkkanäle der Abwärtsstrecke verfügbar zu machen, besteht im Ausnutzen der an den Basisstationen ermittelbaren räumlichen Korrelationsmatrizen der Mobilfunkkanäle der Aufwärtsstrecke. Diese Vorgehensweise ist nur dann sinnvoll, wenn die relevanten Einfallsrichtungen der Aufwärtsstrecke mit den relevanten Abstrahlungsrichtungen der Abwärtsstrecke übereinstimmen. Für diesen Fall wird in der vorliegenden Arbeit ein aufwandsgünstiges Verfahren zum Anpassen der adaptiven Sendeantennen erarbeitet, das nicht auf komplexen Richtungsschätzalgorithmen beruht. Eine verläßlichere Methode, an den Basisstationen ein gewisses Maß an Kenntnis über die räumlichen Eigenschaften der Mobilfunkkanäle der Abwärtsstrecke verfügbar zu machen, ist das Signalisieren von Kanalzustandsinformation, die an den Mobilstationen gewonnen wird, über einen Rückkanal an die versorgende Basisstation. Da dieses Rücksignalisieren zeitkritisch ist und die Übertragungskapazität des Rückkanals begrenzt ist, wird in der vorliegenden Arbeit ein aufwandsgünstiges Verfahren zum Vorverarbeiten und Rücksignalisieren von Kanalzustandsinformation erarbeitet.
Interferenzreduktion in CDMA-Mobilfunksystemen - ein aktuelles Problem und Wege zu seiner Lösung
(2003)
Eine signifikante Steigerung der Leistungsfähigkeit von Mobilfunksystemen und die damit verbundene Erhöhung des mit begrenzten Frequenzspektrumsressourcen erzielbaren ökonomischen Gewinns erfordert eine Interferenzreduktion. Da der von einem empfangenen Interferenzsignal erzeugte Störeffekt sowohl von der Leistung des Interferenzsignals als auch von der Struktur des Interferenzsignals im Vergleich zur Struktur des Nutzsignals abhängt, ergeben sich zwei prinzipielle Ansätze zur Reduktion der Interferenz. Bei den Interferenzreduktionsverfahren auf der Systemebene wird die Leistung der empfangenen Interferenzsignale zum Beispiel durch geschickte Regelung der Sendeleistungen oder durch Einstellen der Richtcharakteristiken von Antennen reduziert. Interferenzreduktionsverfahren auf der Systemebene sind relativ einfach realisierbar und können bereits in heutigen Mobilfunksystemen erfolgreich eingesetzt werden. Interferenzreduktionsverfahren auf der Verbindungsebene zielen auf eine vorteilhafte Beeinflussung oder Berücksichtigung der Signalstrukturen. Ausgehend von allgemeingültigen Eigenschaften des Mobilfunkkanals wie Linearität kann man Signalstrukturen finden, die a priori zu wenig oder sogar keiner schädlichen Interferenz führen. Solche einfachste, vom aktuellen Zustand des Mobilfunkkanals unabhängigen Interferenzreduktionsverfahren auf der Verbindungsebene sind beispielsweise die Vielfachzugriffsverfahren, die in jedem Mobilfunksystem eingesetzt werden. In letzter Zeit werden auch vermehrt Interferenzreduktionsverfahren auf der Verbindungsebene untersucht, die die Kenntnis des aktuellen Kanalzustands ausnutzen. Solche Interferenzreduktionsverfahren erfordern komplizierte Berechnungen in Sender oder Empfänger, in die die einzelnen Signalabtastwerte und die schnell zeitvarianten Kanalimpulsantworten eingehen. Der daraus resultierende hohe Rechenaufwand verhinderte bis vor kurzem eine Realisierung in kommerziellen Produkten. Interferenzreduktionsverfahren auf der Verbindungsebene kann man in senderseitige Verfahren und empfängerseitige Verfahren unterteilen. Die senderseitigen Verfahren versuchen, durch geschickte Gestaltung der Sendesignale schädliche Interferenzen zu vermeiden. Ein Schwerpunkt der vorliegenden Schrift ist das Untersuchen empfängerseitiger Interferenzreduktionsverfahren auf der Verbindungsebene. Hier interessiert neben der gemeinsamen Kanalschätzung insbesondere die gemeinsame Datenschätzung. Ein wesentliches Problem bei der empfängerseitigen Interferenzreduktion auf der Verbindungsebene ist die erhöhte Anzahl zu berücksichtigender Mobilstationen bei der gemeinsamen Datenschätzung. Im Vergleich zu Empfängern ohne Interferenzreduktion müssen mehr Daten aus einer unveränderten Anzahl an verfügbaren Empfangswerten geschätzt werden, was zu einem verminderten Mehrteilnehmercodierungsgewinn des Datenschätzers führt. Verfahren der gemeinsamen Datenschätzung können nur dann gewinnbringend eingesetzt werden, wenn der negative Effekt des verminderten Mehrteilnehmercodierungsgewinns durch den positiven Effekt der reduzierten Interferenz mindestens kompensiert wird. Diese Forderung ist bei der Interzellinterferenzreduktion besonders kritisch, da die einzelnen Interzellinterferer häufig nur mit geringer Leistung empfangen werden, das heißt der positive Effekt der reduzierten Interferenz bei Berücksichtigen eines Interzellinterferers relativ gering ausfällt. Eine Voraussetzung zur erfolgreichen Interferenzreduktion und insbesondere zur Interzellinterferenzreduktion sind folglich Datenschätzer mit hohem Mehrteilnehmercodierungsgewinn. Die bekannten linearen gemeinsamen Datenschätzer wie der Zero-Forcing-Schätzer können diese Forderung nach hohem Mehrteilnehmercodierungsgewinn bei größeren Anzahlen gemeinsam detektierter Mobilstationen nicht erfüllen. Ein mögliche Lösung zum Erzielen hoher Mehrteilnehmercodierungsgewinne mit moderaten Rechenaufwänden sind die in der vorliegenden Schrift untersuchten, auf dem Turbo-Prinzip basierenden iterativen gemeinsamen Datenschätzer. Prinzipiell handelt es sich bei den hier untersuchten Datenschätzern um iterative Versionen der bekannten linearen gemeinsamen Datenschätzer, die um einen nichtlinearen Schätzwertverbesserer erweitert werden. Der nichtlineare Schätzwertverbesserer nutzt die Kenntnis des Modulationsalphabets und optional des eingesetzten Fehlerschutzcodes zum Verbessern der Schätzergebnisse. Die vielen vorgestellten Varianten der iterativen gemeinsamen Datenschätzer und die verschiedenen Schätzwertverbesserer bilden eine Art Baukastensystem, das es erlaubt, für jeden Anwendungsfall einen maßgeschneiderten gemeinsamen Datenschätzer zu konstruieren.
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.
In conventional radio communication systems, the system design generally starts from the transmitter (Tx), i.e. the signal processing algorithm in the transmitter is a priori selected, and then the signal processing algorithm in the receiver is a posteriori determined to obtain the corresponding data estimate. Therefore, in these conventional communication systems, the transmitter can be considered the master and the receiver can be considered the slave. Consequently, such systems can be termed transmitter (Tx) oriented. In the case of Tx orientation, the a priori selected transmitter algorithm can be chosen with a view to arrive at particularly simple transmitter implementations. This advantage has to be countervailed by a higher implementation complexity of the a posteriori determined receiver algorithm. Opposed to the conventional scheme of Tx orientation, the design of communication systems can alternatively start from the receiver (Rx). Then, the signal processing algorithm in the receiver is a priori determined, and the transmitter algorithm results a posteriori. Such an unconventional approach to system design can be termed receiver (Rx) oriented. In the case of Rx orientation, the receiver algorithm can be a priori selected in such a way that the receiver complexity is minimum, and the a posteriori determined transmitter has to tolerate more implementation complexity. In practical communication systems the implementation complexity corresponds to the weight, volume, cost etc of the equipment. Therefore, the complexity is an important aspect which should be taken into account, when building practical communication systems. In mobile radio communication systems, the complexity of the mobile terminals (MTs) should be as low as possible, whereas more complicated implementations can be tolerated in the base station (BS). Having in mind the above mentioned complexity features of the rationales Tx orientation and Rx orientation, this means that in the uplink (UL), i.e. in the radio link from the MT to the BS, the quasi natural choice would be Tx orientation, which leads to low cost transmitters at the MTs, whereas in the downlink (DL), i.e. in the radio link from the BS to the MTs, the rationale Rx orientation would be the favorite alternative, because this results in simple receivers at the MTs. Mobile radio downlinks with the rationale Rx orientation are considered in the thesis. Modern mobile radio communication systems are cellular systems, in which both the intracell and intercell interferences exist. These interferences are the limiting factors for the performance of mobile radio systems. The intracell interference can be eliminated or at least reduced by joint signal processing with consideration of all the signals in the considered cell. However such joint signal processing is not feasible for the elimination of intercell interference in practical systems. Knowing that the detrimental effect of intercell interference grows with its average energy, the transmit energy radiated from the transmitter should be as low as possible to keep the intercell interference low. Low transmit energy is required also with respect to the growing electro-phobia of the public. The transmit energy reduction for multi-user mobile radio downlinks by the rationale Rx orientation is dealt with in the thesis. Among the questions still open in this research area, two questions of major importance are considered here. MIMO is an important feature with respect to the transmit power reduction of mobile radio systems. Therefore, first questionconcerns the linear Rx oriented transmission schemes combined with MIMO antenna structures. The investigations of the MIMO benefit on the linear Rx oriented transmission schemes are studied in the thesis. Utilization of unconventional multiply connected quantization schemes at the receiver has also great potential to reduce the transmit energy. Therefore, the second question considers the designing of non-linear Rx oriented transmission schemes combined with multiply connected quantization schemes.
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.
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.