Einträger-Verfahren für die hochratige WLAN-Übertragung mit Mehrantennensystemen basierend auf Space-Time-Codierung und Beamforming
Final Report Abstract
2.1 Darstellung der wesentlichen Ergebnisse und der erzielten Fortschritte Wireless Local Area Networks (WLANs) ermöglichen einen schnellen drahtlosen Internetzugriff. Benutzerdichte und nachgefragte Datenrate sind dabei stetig wachsend. Um eine sehr hochratige Übertragung zu ermöglichen, können mehrere Antennen sowohl am Sender als auch am Empfänger eingesetzt werden (Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) Systeme). Während einige WLAN-Standards Mehrträgerübertragung (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing (OFDM)) als Ü b er tragungs ver fahren verwenden, ist auch herkömmliche Einträgerübertragung aufgrund eines gegenüber OFDM reduzierten Spitzenwertfaktors und einer geringeren Emfindlichkeit gegenüber Synchronisationsfehlern weiterhin attraktiv. So verwendet der WLAN-Standard IEEE 802.11b das Einträgerverfahren Complementary Code Keying (CCK). Ziel des Projektes war die Verbesserung von bestehenden WLAN-Einträgerübertragungsverfahren sowie deren Kombination mit MIMO-Systemen zur Steigerung der Robustheit bzw. Datenrate der Übertragung. Im ersten Teil des Projektes wurden dabei bekannte CCK-Detektionsverfahren für verzerrende Kanäle, die auf Entscheidungsrückkopplung (Decision-Feedback Equalization, DFE) bzw. zustandsreduzierter Sequenzschätzung (Reduced-State Sequence Estimation, RSSE) basieren, weiterentwickelt. Durch Ausnutzung der Darstellbar keit der gesamten Menge bzw. Teilmengen der CCK-Codeworte durch Trellisdiagramme, die mit dem Trellisdiagramm des verzerrenden Kanals kombiniert werden können, konnten Block-DFE (bDFE) und Block-RSSE (bRSSE) Verfahren mit zusätzlichem Per Survivor (pS) Processing im Tretlisdiagramm (bDFE-pS und bRSSE^pS) angeben werden, die durch eine deutlich reduzierte Komplexität bei gleicher Leistungsfähigkeit wie bDFE bzw. bRSSE charakterisiert sind. In einer nochmaligen Weiterentwicklung wurden diese Detektoren mit einem Sphere Constraint (SC) kombiniert, was zu Verfahren mit nochmals signifikant reduzierter Komplexität führt (SC-bDFE-pS bzw. SC-bRSSE-pS), die sich hervorragend für eine praktische Implementierung eignen. Im nächsten Teil des Vorhabens wurde eine space-time-codierte CCK-Übertragung über einen verzerrenden MIMO-Kanal mit Gleichkanalinterferenzen betrachtet, verursacht durch andere Benutzer im selben Frequenzband. Für dieses Szenario wurde ein adaptiver Empfänger mit Gleichkanalinterferenzunterdrückung, Space-Time-Decodierung und Diversity Combining in einer ersten Stufe sowie Entzerrung in einer zweiten Stufe entworfen. Dabei erwies es sich als besonders günstig, die beiden Sendesequenzen des verwendeten Time-Reversal Space-Time Block Codes (TR-STBCs) gemeinsam mit einer MIMO-DFE zu entzerren, um auch in Umgebungen mit starker Gleichkanalinterferenz eine hohe Zuverlässigkeit der Übertragung zu ermöglichen. Um die Leistungsfähigkeit einer MIMO-Übertragung weiter zu steigern, kann sendeseitiges Beamforming angewendet werden, wenn Kanalzustandsinformation am Sender vorliegt. Aufgrund von Kanalschätzfehlern und Quantisierung der Kanalkoefiizienten zur Reduktion des Overheads bei der Rückübertragung sowie einer Verzögerung durch den Rückkanal liegt bei praktischen Anwendungen jedoch nur imperfekte Kanalzustandsinformation am Sender vor. Es wurden neuartige robuste Be am forming-Ver fah ren für verzerrende Kanäle ohne und mit zusätzlicher Space-Time-Codierung entwickelt (rBF bzw. TR-STBC-rBF), bei denen der Entwurf der Beamforming-Filter auf der Grundlage eines Bayes'schen Modells für die imperfekte Kanalzustandsinformation und unter Einbeziehung des empfangsseitigen Entzerrverfahrens vorgenommen wird. Es konnte gezeigt werden, daß bei diesem Entwurf eine deutlich bessere Leistungsfähigkeit der Übertragung resultiert als bei herkömmlichen Beamforming-Verfahren, die die Qualität der am Sender vorliegenden Kanalzustandsinformation nicht berücksichtigen. 2.2 Ausblick auf künftige Arbeiten und Beschreibung möglicher Anwendungen CCK-Modulation ist nicht nur für Einträgerübertragung relevant, sondern kann auch bei OFDMbasierter WLAN-Übertragung zur Reduktion des Spitzenwertfaktors eingesetzt werden. Die in diesem Projekt entwickelten neuartigen CCK-Detektionsverfahren können auf diese Problemstellung übertragen werden. Vor allem die auf Sphere Decoding basierenden Detektoren versprechen einen exzellenten Austausch zwischen Komplexität und Leistungsfähigkeit, so daß entsprechende detaillierte Untersuchungen als lohnenswert erscheinen. Bei Beamforming mit imperfekter Kanalzustandsinformation könnten zusätzlich noch Übertragungsfehler bei der Rückübertragung von quantisierter Kanalzustandsinformation in die Beamformeroptimierung einbezogen werden. Dazu müsste das Bayes'sche Modell für die imperfekte Zustandsinformation noch entsprechend angepasst werden. Der Vorteil dieser Modifikation wäre eine noch weiter gesteigerte Robustheit bei realer, fehlerbehafteter Rückübertragung. Für eine weitere Steigerung der Übertragungsrate empfiehlt es sich, bei MIMO-Systemen von Space-Time-Codierung auf Spatial Multiplexing, d.h. die Übertragung unabhängiger Datenströnie über die verschiedenen Sendeantennen, überzugehen. Auch hier kann Beamforming eingesetzt werden. Empfangsseitig sind MIMO-Entzerrverfahren, z.B. eine MIMO-DFE, zu verwenden. Es könnte nun eine Beamformeroptimierung für Spatial Multiplexing und MIMODFE vorgenommen werden. Zu unterscheiden wären wieder die Fälle von idealer, verrauschter/ quantisierter und verzögerter Kanalzustandsinformation. Generell wurde im Vorhaben Wert auf Übertragungskonzepte mit geringer Komplexität und dennoch einer Leistungsfähigkeit nahe an den theoretischen Grenzen gelegt. So erscheinen die entwickelten CCK-Detektoren für eine Implementierung in Terminals bzw. Access Points sehr interessant, da mit ihnen eine deuttich bessere Leistungsfähigkeit als mit zuvor aus der Literatur bekannten Konzepten bei sehr geringer Komplexität erreicht werden kann. Die entworfenen Beamforming-Algorithmen berücksichtigen praxisrelevante Gesichtspunkte wie Quantisierung und Verzögerung von Kanalzustandsinformation in für verzerrende Kanäle neuartiger Weise in der Optimierung und sind auch deswegen für praktische Anwendungen sehr gut geeignet.
Publications
- C. Jonietz, W. Gerstacker, and R. Schober, Combined Time-Reversal Space-Time Block Coding and Transmit Beamforming for Frequency-Selective Fading Channels, In Proceedings of IEEE Intemational Conference on Communications (ICC), Beijing, China. May 2008
- C. Jonietz, W. Gerstacker, and R. Schober, Robust Transmit Beamforming for Frequency- Selective Fading Channels with Imperfect Channel Feedback, In Proceedings of IEEE Global Communications Conference (Globecom), Washington, DC, November 2007
- C. Jonietz, W. Gerstacker, and R. Schober, Sphere Constrained Block DFE with Per- Survivor Intra-BIock Processing for CCK TVansmission Over ISI Channels, In Proceedings of European Wireless (EW) Conference, Prague, Czech Republic, June 2008
- C. Jonietz, W. Gerstacker, and R. Schober, Sphere Constrained Block RSSE with Per- Survivor Intra-Block Processing for CCK Transmission, In Proceedings of International Symposium on Spread Spectrum Techniques and Applications (ISSSTA), July 2008, Bologna, Italy
- Christof Jonietz, Advanced Transmission and Reception Concepts for Single-Carrier WLAN Systems, Dissertation, Universität Erlangen-Nürnberg, Oktober 2008
- W. Gerstacker, C. Jonietz, and R. Schober, Receivers for IEEE 802.11b WLAN Transmission with Space-Time Block Coding and Co-Channel Interference, In Proceedings of International Symposium on Wireless Personal Multimedia Communications (WPMC), San Diego, CA, September 2006
