Adaptive blinde und semiblinde Entzerrung und Kanalschätzung für frequenzselektive MIMO-Kanäle
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Aufgrund der von Industrie und den Verbrauchern geforderten immer höheren Datenraten von mobilen Funksystemen bei niedrigem Bandbreitenbedarf wurde in den letzten Jahrzehnten die Entwicklung von Mehrantennensystemen forciert. Da jedoch die Anzahl der Kanalparameter insbesondere bei gedächtnisbehafteten Multiple-Input Multiple- Out put-Systemen (MIMO) sehr hoch sein kann, ist der Signalisierungsaufwand zur Erlangung der bei kohärentem Empfang benötigten Kanalzustandsinformation ebenfalls sehr groß. Insbesondere bei kurzen Kanal-Kohärenzzeiten kann dies zu Engpässen bei der Datenübertragung führen, da ein Großteil der zur Verfügung stehenden Bandbreite für Pilotdaten verbraucht wird. Im Rahmen dieses Projektes wurden daher alternative Kanalschätzmethoden entwickelt und untersucht, die wenige oder gar keine Pilotdaten benötigen. Die dabei untersuchten Kanalschätzalgorithmen lassen sich im Wesentlichen in die zwei Klassen "semiblind" und "blind" aufteilen. Die semiblinden Kanalschätzverfahren nutzen im Gegensatz zu den herkömmlichen pilotdatengestützten Verfahren auch den informationstragenden Anteil des Empfangssignals. Für diese Klasse wurde eine theoretische Schranke ermittelt, die die minimal erreichbare Fehlervarianz erwartungstreuer Schätzer nach unten begrenzt. Aufbauend auf diesen Ergebnissen wurden eingehende Analysen der Leistungsfähigkeit von sog. Decsion-Feedback-Verfahren durchgeführt. Bei der Klasse der blinden Schätzalgorithmen - also solcher, die keine Pilotdaten benötigen - wurde mit den Code-basierten Ansätzen ein völlig neues Konzept verfolgt. Dabei wurde die durch den Kanalcode eingebrachte Redundanz zur Kanalschätzung genutzt. Im Gegensatz zu den bislang bekannten Second- und Higher-Order-Statistics (SOS und HOS) Ansätzen lässt sich damit eine phasen- und zuordnungsrichtige Schätzung von MIMOKanälen bewerkstelligen. Wie sich herausgestellt hat, harmonieren Code-basierte Verfahren aufgrund der sehr dünn besetzten Parity-Check-Matrizen hervorragend mit Low- Density-Parity-Check-Codes (LDPC-Codes). Des Weiteren wurden Empfangskonzepte erarbeitet, die eine gemeinsame Datendetektion und Kanalschätzung auf Basis von Graphen durchführen. Mit Hilfe eines gaußschen Interferenzmodells lassen sich die Berechnungen an Variablen- und Funktionsknoten effizient durchführen. Die simulierten Bit-und Framefehlerraten weisen eine beachtliche Leistungsfähigkeit bei vergleichsweise niedrigem Rechenaufwand nach. Durch die rasant fortschreitende Entwicklung werden schon bald Mehrantennen-Konzepte in bestehende Mobilfunk-Systeme integriert sein. Wie bereits einführend erwähnt, wird dies die Anwendung von semiblinden oder blinden Kanalschätzmet ho den in der Physical- Layer-Schicht zwingend erforderlich machen. Dabei scheinen aufgrund der geringeren Rechenanforderungen und der robusteren Schätzergebnisse insbesondere die entscheidungsrückgekoppelten semiblinden Verfahren für einen dahingehenden Einsatz am besten geeignet zu sein. Jedoch existieren insbesondere beim Zusammenspiel mit dem Decoder noch Defizite, da die zur Decodierung benötigten Zuverlässigkeitsinformationen bislang nur in unzureichender Güte bereit gestellt werden können. Hier ist zukünftig nach besseren Lösungen zu suchen. Vielversprechend sind die hier erstmals vorgeschlagenen Co de-basier ten Kanalschätzverfahren; das in ihnen steckende Potential wurde durch die im Rahmen des Projektes durchgeführten Simulationen aufgezeigt. Jedoch befindet man sich noch am Anfang der Entwicklung. So wäre es beispielsweise von Interesse, ob sich das Konzept der asymmetrischen binären Codes auch auf nicht-binäre Codes erweitern lässt.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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A. Rizaner, H. Amca, K. Hacioglu, A. H. Ulusoy and A. Scherb, "Singleuser MMSE based channel estimation for synchronous CDMA systems," Wireless Personal Communications, Volume 42, Number 4, September 2007.
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A. Rizaner, H. Amca, K. Hacioglu, A.H. Ulusoy, and A. Scherb, "An adaptive near-far resistant single-user channel estimation algorithm for multipath fading DS-CDMA systems", in Proc. International Conference on Wireless and Mobile Communications, Bucharest, Romania, 29-31 July 2006.
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A. Scherb and K.-D. Kammeyer, "Noncoherent LDPC decoding on graphs," in Proc. IEEE Information Theory Workshop (ITW06), Chengdu, China, Oct. 2006.
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A. Scherb and K.-D. Kammeyer,"Bayesian channel estimation for doubly correlated MIMO systems," in Proc. International ITG/IEEE workshop on smart antennas, Vienna, Austria, Feb. 2007.
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A. Scherb, K.-D. Kammeyer, T. Wo, and P.A. Hoeher, "Blind equalization of frequency selective MIMO systems via statistical and trellis-based methods," in Proc. Asilomar Conference on Signals, Systems, and Computers, Monterey, USA, Oct. 2006.
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T. Wo and P.A. Hoeher, "A simple iterative Gaussian detector for severely delayspread MIMO channels," in Proc. IEEE International Conference on Communications (ICC 2007), Glasgow, Scotland, 24-28 June 2007.
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T. Wo, A. Scherb, P.A. Hoeher, and K.-D. Kammeyer, "Analysis of semiblind channel estimation for FIR-MIMO systems," in Proc. 4th International Symposium on Turbo Codes & Related Topics, Munich, Germany, Apr. 2006.
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T. Wo, C. Liu, and P.A. Hoeher, "Graph-based iterative Gaussian detection with soft channel estimation for MIMO systems," accepted for publication at the 7th Internationa] ITG Conference on Source and Channel Coding, Ulm, Germany, Jan. 2008.
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T. Wo, C. Liu, and P.A. Hoeher, "Graph-based soft channel and data estimation for MIMO systems with asymmetric LDPC code," submitted for publication to the IEEE International Conference on Communications (ICC 2008), Beijing, China, May 2008.
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T. Wo, J.Ch. Fricke, and P.A. Hoeher, "A graph-based iterative Gaussian detector for frequency-selective MIMO channels," in Proc. IEEE Information Theory Workshop (ITW06), Chengdu, China, Oct. 2006.
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T. Wo, P.A. Hoeher, A. Scherb, and K.-D. Kammeyer, "Performance analysis of maximum-likelihood semiblind estimation of MIMO channels," in Proc. IEEE 63rd Vehic. Techn. Conf. (VTC Spring), Melbourne, Australia, May 2006.
