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Interferenz und Koexistenz in zellularen Netzen (2005)

Stefan Heilmann

Der Trend zur Verfügbarkeit mehrerer Mobilfunknetze im gleichen Versorgungsgebiet nicht nur unterschiedlicher Operatoren, sondern auch unterschiedlicher Mobilfunkstandards in möglicherweise unterschiedlichen Hierarchieebenen führt zu einer Vielzahl von Koexistenzszenarien, in denen Intersystem- und Interoperator-MAI die einzelnen Mobilfunknetze beeinträchtigen können. In der vorliegenden Arbeit wird ein systematischer Zugang zur Koexistenzproblematik durch die Klassifizierung der MAI erarbeitet. Eine MAI-Art kann dabei mehreren MAI-Klassen angehören. Durch die Einteilung in Klassen wird angestrebt, zum einen die eine MAI-Art beeinflussenden Effekte anhand der Zugehörigkeit zu bestimmten MAI-Klassen besser verstehen zu können. Zum anderen dient die Einteilung der MAI in Klassen zum Abschätzen der Gefährlichkeit einer MAI-Art, über die sich Aussagen machen lassen anhand der Zugehörigkeit zu bestimmten MAI-Klassen. Der Begriff Gefährlichkeit einer MAI-Art schließt neben der mittleren Leistung auch weitere Eigenschaften wie Varianz oder Ursache der MAI ein. Einfache Schlimmstfall-Abschätzungen, wie sie in der Literatur gebräuchlich sind, können leicht zu Fehleinschätzungen der Gefährlichkeit einer MAI-Art führen. Durch die Kenntnis der zugehörigen MAI-Klassen einer MAI-Art wird die Gefahr solcher Fehleinschätzungen erkennbar. Neben den Schlimmstfall-Abschätzungen unter Berücksichtigung der MAI-Klassen werden in der vorliegenden Arbeit auch Simulationen durchgeführt, anhand derer die Abschätzungen verifiziert werden. Dazu werden Werkzeuge in Form von mathematischen Modellen zum Berechnen der Leistung der verschiedenen MAI-Arten unter Einbeziehen der verschiedenen betrachteten Verfahren zum Mindern von MAI erarbeitet. Dabei wird auch ein Konzept zum Vermindern der erforderlichen Rechenleistung vorgestellt. Anhand der Untersuchung der Koexistenz der beispielhaften Mobilfunksysteme WCDMA und TD-CDMA wird gezeigt, daß sich das Auftreten extrem hoher Intersystem- bzw. Interoperator-MAI durch geeignete Wahl der Systemparameter wie Zellradien und Antennenhöhen, sowie durch Verfahren zum Mindern von MAI wie effizienten Leistungsregelungsverfahren und dynamische Kanalzuweisung meist vermeiden läßt. Es ist jedoch essentiell, daß die Koexistenzproblematik bereits in der Phase der Funknetzplanung adäquat berücksichtigt wird. Dabei ist eine Kooperation der beteiligten Operatoren meist nicht notwendig, lediglich besonders kritische Fälle wie Kollokation von BSen verschiedener TDD-Mobilfunknetze z.B. nach dem 3G-Teilstandard TD-CDMA müssen von den Operatoren einvernehmlich vermieden werden. Da bei der Koexistenz von Mobilfunknetzen in Makrozellen aufgrund ihres hohen Zellradius besonders hohe Interoperator-MAI für den Fall der Gleichstrecken-MAI auftreten kann, wird in der vorliegenden Arbeit ein neuartiges Konzept zum Vermindern dieser MAI basierend auf Antennentechniken vorgestellt. Das Konzept zeigt ein vielverspechendes Potential zum Mindern der Interoperator-MAI.

Empfängerorientierte Funkkommunikation - Grundzüge, Potential und Ausgestaltung einer unkonventionellen Übertragungstechnik für die Mobilkommunikation (2005)

Michael Meurer

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.

Joint Channel Estimation in Service Area Based OFDM Air Interfaces for Beyond 3G Mobile Radio Systems (2005)

Ioannis Maniatis

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.

Modelling and simulation of service area based OFDM air interfaces for beyond 3G mobile radio systems (2005)

Yin Liu

The thesis is focused on modelling and simulation of a Joint Transmission and Detection Integrated Network (JOINT), a novel air interface concept for B3G mobile radio systems. Besides the utilization of the OFDM transmission technique, which is a promising candidate for future mobile radio systems, and of the duplexing scheme time division duplexing (TDD), the subdivision of the geographical domain to be supported by mobile radio communications into service areas (SAs) is a highlighted concept of JOINT. A SA consists of neighboring sub-areas, which correspond to the cells of conventional cellular systems. The signals in a SA are jointly processed in a Central Unit (CU) in each SA. The CU performs joint channel estimation (JCE) and joint detection (JD) in the form of the receive-zero-forcing (RxZF) Filter for the uplink (UL) transmission and joint transmission (JT) in the form of the transmit-zero-forcing (TxZF) Filter for the downlink (DL) transmission. By these algorithms intra-SA multiple access interference (MAI) can be eliminated within the limits of the used model so that unbiased data estimates are obtained, and most of the computational effort is moved from mobile terminals (MTs) to the CU so that the MTs can do with low complexity. A simulation chain of JOINT has been established in the software MLDesigner by the author based on time discrete equivalent lowpass modelling. In this simulation chain, all key functionalities of JOINT are implemented. The simulation chain is designed for link level investigations. A number of channel models are implemented both for the single-SA scenario and the multiple-SA scenario so that the system performance of JOINT can be comprehensively studied. It is shown that in JOINT a duality or a symmetry of the MAI elimination in the UL and in the DL exists. Therefore, the typical noise enhancement going along with the MAI elimination by JD and JT, respectively, is the same in both links. In the simulations also the impact of channel estimation errors on the system performance is studied. In the multiple-SA scenario, due to the existence of the inter-SA MAI, which cannot be suppressed by the algorithms of JD and JT, the system performance in terms of the average bit error rate (BER) and the BER statistics degrades. A collection of simulation results show the potential of JOINT with respect to the improvement of the system performance and the enhancement of the spectrum e±ciency as compared to conventional cellular systems.

Transmit power reduction in MIMO multi-user mobile radio downlinks by the rationale receiver orientation (2005)

Wei Qiu

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.

Non-conventional multi-carrier air interface for mobile radio systems (2005)

Alessio Filippi

The present thesis deals with a novel approach to increase the resource usage in digital communications. In digital communication systems, each information bearing data symbol is associated to a waveform which is transmitted over a physical medium. The time or frequency separations among the waveforms associated to the information data have always been chosen to avoid or limit the interference among them. By doing so, n the presence of a distortionless ideal channel, a single receive waveform is affected as little as possible by the presence of the other waveforms. The conditions necessary to meet the absence of any interference among the waveforms are well known and consist of a relationship between the minimum time separation among the waveforms and their bandwidth occupation or, equivalently, the minimum frequency separation and their time occupation. These conditions are referred to as Nyquist assumptions. The key idea of this work is to relax the Nyquist assumptions and to transmit with a time and/or frequency separation between the waveforms smaller than the minimum required to avoid interference. The reduction of the time and/or frequency separation generates not only an increment of the resource usage, but also a degradation in the quality of the received data. Therefore, to maintain a certain quality in the received signal, we have to increase the amount of transmitted power. We investigate the trade-off between the increment of the resource usage and the correspondent performance degradation in three different cases. The first case is the single carrier case in which all waveforms have the same spectrum, but have different temporal locations. The second one is the multi carrier case in which each waveform has its distinct spectrum and occupies all the available time. Finally, the hybrid case when each waveform has its unique time and frequency location. These different cases are framed within the general system modelling developed in the thesis so that they can be easily compared. We evaluate the potential of the key idea of the thesis by choosing a set of four possible waveforms with different characteristics. By doing so, we study the influence of the waveform characteristics in the three system configurations. We propose an interpretation of the results by modifying the well-known Shannon capacity formula and by explicitly expressing its dependency on the increment of resource usage and on the performance degradation. The results are very promising. We show that both in the case of a single carrier system with a time limited waveform and in the case of a multi-carrier system with a frequency limited waveform, the reduction of the time or frequency separation, respectively, has a positive effect on the channel capacity. The latter, depending on the actual SNR, can double or increase even more significantly.

Interferenzreduktion in CDMA-Mobilfunksystemen - ein aktuelles Problem und Wege zu seiner Lösung (2003)

Tobias Weber

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.

Service Area Based OFDM Air Interface for Beyond 3G Mobile Radio Systems (2004)

Alexandros Sklavos

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.

Prädiktive Wärmeflussregelung solaroptimierter Wohngebäude mit neuartigen Verschattungs- und Speichersystemen (2004)

Werner Hube

Das moderne Wohngebäude zeichnet sich durch einen niedrigen Heizwärmebedarf aus. Mit Zunahme der Sensitivität des Wohngebäudes bezüglich der Solarstrahlung aufgrund neuartiger Systeme wie transparenter Wärmedämmung, Phasenwechselmaterialien oder großer Fensterflächen, erweitert sich der herkömmliche Regelungsansatz zur Einhaltung des behaglichen Raumklimas. Das thermische Gebäudeverhalten definiert sich weitaus komplexer. Es kommen neben der notwendigen Heizung weitere Aktoren (Sonnenschutzeinrichtung, Lüftung) ins Spiel. Die Zunahme der realisierbaren, solaren Erträge bewirken im Winter fossile Energieeinsparungen. Im Sommer sind jedoch ohne geeignete Maßnahmen Überhitzungen die Folge. Mit Hilfe moderner und vernetzter Regelungstechnik können Wirtschaftlichkeit des Systems und Komfort optimiert werden. Hierzu wurden bewährte Simulationswerkzeuge erweitert. Moderne Komponenten wie Phasenwechselmaterialien, transparente Wärmedämmung und Verschattungssysteme auf Basis einer schaltenden Schicht im Glasverbund erfahren eine Modellbildung. Umfangreiche Validierungen zu den Teilmodellen und zum Gesamtmodell zeigen, dass eine realitätsnahe Abbildung erreicht wird. Grundlage dieser Validierungssequenzen waren Feldtestmessungen an bewohnten Gebäuden, sowie Ergebnisse von Systemtestständen. Die Aussagesicherheit des gesamten Gebäudemodells wurde durch eine sogenannte "Cross-Validation" mit anderen etablierten Simulationsprogrammen hergestellt. Mit der Schaffung der realitätsnahen Abbildung eines solaroptimierten Wohngebäudes, welches an eine heizungsunterstützende, solarthermische Anlage gekoppelt ist, wurde die Grundlage zur Entwicklung einer prädiktiven Wärmeflussregelung in Wohngebäuden mit erweitertem thermischen Verhalten gelegt. Eine Untersuchung zum dynamischen Verhalten auf periodische Anregung von Einflussgrößen, zeigt die dominanten Zeitkonstanten des Gebäudesystems auf. Einfallende Solarstrahlung durch Fenster wirkt sich am schnellsten auf die empfundene Raumtemperatur aus. Dies hat Auswirkung auf die prädiktive Regelung. Während im Winter die Solarstrahlung zur Heizungsunterstützung herangezogen werden soll, gilt es, im Sommer die Bewohner vor Überhitzung zu schützen. Damit die Regelung in der Heizperiode an sonnigen Tagen nicht unnötig vorheizt (d. h. frühzeitig abgeschalten wird, da der zukünftige Heizbedarf von der Sonne gedeckt werden kann) und damit Überhitzungen(vor allem im Sommer) vermieden werden können, wurde für das untersuchte Gebäudemodell ein Prognosehorizont für den Prädiktor bestimmt. Mit dem modellbasierten Regelungskonzept wurde ein übergreifendes Wärmemanagementsystem entwickelt, welches mit der Information einer lokalen Wettervorhersage den thermischen Zustand des Gebäudes vorhersagt. Aufgrund des im Regler implementierten, reduzierten Modells, berücksichtigt die Prädiktion die besonderen Eigenschaften der eingesetzten Fassadenkomponenten. Umfangreiche, simulationsgestützte Untersuchungen bewerten das Regelungskonzept. Als Referenzsystem dient ein Gebäude mit herkömmlichem Regelungskonzept.

Layout and Structure Aware Synthesis of Integrated Circuits (2003)

Thomas Kutzschebauch

We present new algorithms and provide an overall framework for the interaction of the classically separate steps of logic synthesis and physical layout in the design of VLSI circuits. Due to the continuous development of smaller sized fabrication processes and the subsequent domination of interconnect delays, the traditional separation of logical and physical design results in increasingly inaccurate cost functions and aggravates the design closure problem. Consequently, the interaction of physical and logical domains has become one of the greatest challenges in the design of VLSI circuits. To address this challenge, we propose different solutions for the control and datapath logic of a design, and show how to combine them to reach design closure.

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