Robuste Adaptive Mehrnutzer-Mehrantennen Systeme bei nicht perfekter Kanalkenntnis
Final Report Abstract
Ziel dieses Projektes war die Untersuchung von robusten Verfahren - im Sinne einer Robustheit gegenüber fehlerhafter Kanalzustandsinformation - zur Anpassung von Mehrnutzersystemen, welche mehrere Antennen zur Verfügung haben und als Strategie der Ressourcenzuteilung Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA) einsetzen. Letzteres bedeutet, dass Nutzern in einem orthogonalen Mehrträgersystem Frequenzen/Unterträger zugeteilt werden, auf denen diese Daten übertragen dürfen. Im Fokus der Untersuchungen stand dabei der Einfluss der Kanalcodierung auf die Optimierung des Gesamtsystems im Gegensatz zu klassischen Verfahren des Bit- und Powerloading, die keinerlei Kanalcodierung berücksichtigen. Im Hinblick auf diesen Aspekt konnte gezeigt werden, dass in Abhängigkeit von den eingesetzten Kanalcodes erhebliche Leistungssteigerungen durch die Optimierung von Sendeleistung, Modulationsverfahren und verwendeter Coderate für Einnutzer OFDM-Systeme erzielt werden können. Hierfür konnten zwei Kriterien, nämlich die Kapazität des Bit Interleaved Coded Modulation Systems (BICM) und das Signal-zu-Rausch-Verhältnis in Bezug auf die Rahmenfehlerrate nach Codierung als sinnvolle Optimierungskriterien identifiziert werden, auf deren Basis die Formulierung geeigneter Algorithmen erfolgte. Zentrales Resultat dieser Untersuchung war die Feststellung, dass auch für hohe Datenraten noch Gewinne durch eine Linkanpassung erzielt werden können, wenn die Coderate in die Optimierung mit einbezogen wird, was klassischen Verfahren nicht gelingt. Die Leistungsfähigkeit der neuen Verfahren bei nicht perfekt bekannter Kanalzustandsinformation am Sender stellte sich als robust bei kleinem bis mittlerem Fehler der Kanalinformation dar. Vor allem für stärker gestörte Kanalkenntnis konnten außerdem robuste Erweiterungen der erarbeiteten Algorithmen formuliert werden, die auch unter dieser praxisnäheren Annahme Gewinne gegenuüber einer nicht-adaptiven Übertragung ermöglichen. Darüber hinaus wurde das Themenfeld der robusten Vorentzerrung in Mehrantennen-Systemen unter Annahme imperfekter Kanalkenntnis untersucht. Die simulativen Ergebnisse lassen hier den Schluss zu, dass ein robuster Entwurf der Vorentzerrung bei hinreichend starker Kanalcodierung keinen entscheidenden Einfluss auf die Leistung des Gesamtsystems hat, was im Gegensatz zu den in der Literatur üblichen Betrachtungen ohne Codierung steht. Weitere Untersuchungen für Systeme mit mehreren Antennen haben ferner gezeigt, dass für einfache Space-Time Codes zur Ausnutzung von räumlicher Diversität, speziell (quasi-) orthogonalen Space-Time Block Codes, nur für zwei Sende- und Empfangsantennen Gewinne gegenüber der Übertragung unabhängiger Datensträme (Spatial Multiplexing) zu erwarten sind, da die Rate der Space-Time Codes zu gering ist. Eine Erweiterung auf komplexere Space-Time Codes konnte aus Aufwandsgründen nicht erreicht werden. Darüber hinaus beschränkte sich die Betrachtung von mehreren Nutzern in Form von OFDMA auf den Einfluss von Mehrnutzerdiversität, wenn die Vergabe von Unterträger separiert vom restlichen Linkanpassungsproblem betrachtet wird. Hierbei hat sich gezeigt, dass schon bei kleiner Anzahl von aktiven Nutzern eine geschickte Zuteilung von Unterträgern einen größeren Einfluss auf die Gesamtleistung des Systems haben kann als die Link Adaptation der einzelnen Nutzer. Insgesamt lässt sich zusammenfassen, dass auf Basis der erforschten Verfahren eine bessere Linkanpassung unter Berücksichtigung der eingesetzten Kanalcodierung erreicht werden kann. Auch für fehlerhafte Kanalzustandsinformation lassen sich so durch robuste Verfahren deutliche Gewinne im Durchsatz von OFDM-Systemen erzielen.
Publications
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“Comparison of Receiver/Transmitter Algorithms for OFDMA with Dynamic Subcarrier Allocation”, 12th International OFDM-Workshop 2007 (InOWo 07), Hamburg, Deutschland, August 2007
C. Bockelmann, M. Petermann, and K.-D. Kammeyer
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“Mutual Information based Rate Adaptation for MIMO-OFDM Systems with Finite Signal Alphabets”, International ITG Workshop on Smart Antennas (WSA 08), Darmstadt, Deutschland, Februar 2008
C. Bockelmann, D. Wübben, and K.-D. Kammeyer
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“Efficient Coded Bit and Power Loading for BICM-OFDM”, 69th Vehicular Technology Conference 2009 (VTC2009-Spring), Barcelona, Spanien, April 2009
C. Bockelmann, D. Wübben, and K.-D. Kammeyer
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“Link Adaptation for MIMO-OFDM with partial CSI”, 14th International OFDM-Workshop 2009 (InOWo 09), Hamburg, Deutschland, September 2009
C. Bockelmann, D. Wübben, and K.-D. Kammeyer
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“Robust Link Adaptation using SNR-Outage based Loading for BICM-OFDM”, 15th International OFDM-Workshop 2010 (InOWo 10), Hamburg, Deutschland, September 2009
C. Bockelmann, D. Wübben, and K.-D. Kammeyer
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“Outage Capacity based Link Adaptation for BICM-OFDM with imperfect CSI”, 8th International Workshop on Multi-Carrier Systems & Solutions (MC-SS 2011), Herrsching, Deutschland, Mai 2011
C. Bockelmann, D. Wübben, and K.-D. Kammeyer
