Transmitter- and receiver-based optimization of signaling-assisted modulation classification in MIMO-OFDM systems with adaptive modulation and coding
Final Report Abstract
Adaptive Modulation und Codierung hat sich als ein leistungsfähiges Verfahren herausgestellt, um das Sendesignal in einem OFDM-System an den aktuellen Zustand des frequenzselektiven Übertragungskanals anzupassen. Im Unterschied zu drahtgebundenen Systemen wie der Digital Subscriber Line (DSL), in der diese Technik bereits erfolgreich einsetzt wird, erfordert die Zeitvarianz des Kanals in drahtlosen Mobilfunksystemen aber eine sehr schnelle Adaption des Sendeschemas. Die Reziprozität der Übertragungsrichtungen in den hier betrachteten Zeitduplex-Systemen ermöglicht zwar dem Sender, die für die adaptive Modulation und Codierung benötigte Kanalinformation aus dem Empfangssignal in der umgekehrten Übertragungsrichtung zu gewinnen. Jedoch müssen die Zuweisungen der Modulations- und Codierungsarten zu den Unterträgern auch dem Empfänger bekannt sein, um das Datenpaket korrekt decodieren zu können. Die konventionelle Möglichkeit, zur Synchronisation dieser Sendeparameter explizit Signalisierungsinformation auszutauschen, senkt aber die erzielbare effektive Datenrate signifikant und macht zum Teil die Vorteile der adaptiven Übertragung zunichte. Ziel des Projekt war es, leistungsfähige reziprozitätsbasierte Verfahren zur signalisierungsgestützten Klassifikation digitaler Modulationsarten für Multiple-Input Multiple-Output (MI-MO)-OFDM-Systeme mit adaptiver Modulation und Codierung zu entwickeln, die die System-Leistungsfähigkeit bei minimalem Signalisierungsaufwand maximieren. Um verschiedene Übertragungskonzepte fair miteinander vergleichen zu können, wurde als Maß für die Leistungsfähigkeit des Gesamtsystems stets die effektive Bandbreiteneffizienz bei einer festgelegten Rahmenfehlerwahrscheinlichkeit herangezogen, die die Verluste durch Signalisierungsbits mit einrechnet. Im Rahmen des Projekts wurden neuartige Maximum-A-Posteriori-(MAP)-basierte Modulationsklassifikationsalgorithmen entwickelt und analysiert, die die in Zeitduplex-Systemen vorhandene Zusatzinformation wie z. B. Reziprozität sowie Zeit- und Frequenzkorrelation des Funkkanals optimal ausnutzen. Ein reduziertes Maß an Signalisierungsinformation wurde zugelassen, um die Zuverlässigkeit der Klassifikation signifikant zu steigern. Darüber hinaus wurde eine gemeinsame Optimierung des sendeseitigen adaptiven Modulations- und Codierungsalgorithmus und des empfängerseitigen Klassifikationsverfahrens durchgeführt, die die effektive Bandbreiteneffizienz erhöht. Die entwickelten Algorithmen wurden zudem auf Mehrantennensysteme erweitert und in einem realistischen Simulationsszenario numerisch ausgewertet. Aus der Literatur bekannte Modelle für die imperfekte Reziprozität von Sendeund Empfangsstrecke wurden für die Analyse herangezogen. Dabei stellte sich heraus, dass die Zuverlässigkeit der Klassifikation und die Leistungsfähigkeit des adaptiven Übertragungsverfahrens durch die Unsymmetrie der Übertragungsrichtungen nur marginal reduziert werden, sofern eine sorgfältige Kalibrierung und Kompensation vor der Datenübertragung durchgeführt wird. Abschließend wurde eine bidirektionale Echtzeit-Übertragungsstrecke auf einer Software-Defined Radio-Plattform aufgebaut, mit der die Leistungsfähigkeit der erarbeiteten Klassifikationsalgorithmen auch in einer experimentellen Anordnung demonstriert werden kann. In dem hier bearbeiteten DFG-Projekt konnte für ein realistisches Innenraum-Szenario gezeigt werden, dass das vorgeschlagene adaptive Übertragungsverfahren mit neuartiger empfängerseitiger signalisierungsgestützter Modulationsklassifikation eine höhere Leistungsfähigkeit als ein adaptives System mit dediziertem Signalisierungskanal und als ein nichtadaptives Übertragungsschema erzielt.
Publications
- Implementation of a real-time adaptive modulation OFDM transceiver system, in Proceedings of the 17th International OFDM-Workshop (InOWo), Essen, Germany, Aug. 2012
C. Kisters, L. Häring, and A. Czylwik
- Performance comparison of adaptive modulation and coding in OFDM systems using signalling and automatic modulation classification, in Proceedings of the 17th International OFDM-Workshop (InOWo), Essen, Germany, pp. 1-8, Aug. 2012
L. Häring and C. Kisters
- Wireless Communications and Networks – Recent Advances, Intech, 2012, book chapter Automatic modulation classification for adaptive wireless OFDM systems, ISBN 978-953-51-0189-5
L. Häring
- Constraint-based adaptive OFDM transmission with signaling-assisted modulation classification, in Proceedings of the 47th IEEE Annual Asilomar Conference on Signals, Systems, and Computers, Pacific Grove, USA, Nov. 2013
L. Häring and C. Kisters
- MAP-based automatic modulation classification for wireless adaptive OFDM systems, IEEE International Conference on Acoustics, Speech, and Signal Processing (ICASSP), Vancouver, USA, May 2013
L. Häring and C. Kisters
- Signalling-assisted modulation classification in wireless OFDM systems with adaptive modulation and coding, IEEE International Conference on Communications (ICC), Budapest, Hungary, June 2013
L. Häring and C. Kisters
- Demonstrator for real-time OFDM transmission with bit loading in TDD systems, in Proceedings of the 18th International OFDM-Workshop (InOWo), Essen, Germany, Aug. 2014
C. Kisters, L. Häring, and A. Czylwik
- Signaling-assisted MAP-based modulation classification in adaptive MIMO OFDM systems, in Proceedings of the IEEE Vehicular Technology Conference Fall 2014, Vancouver, Sept. 2014
L. Häring and C. Kisters
(See online at https://doi.org/10.1109/VTCFall.2014.6966177)
