Strategien für den Entwurf einer OFDM Übertragung in einem drahtlosen Kommunikationssystem. Systemkonzept einer OFDM-Übertragung auf Basis eines Vielfachzugriffskanals
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Laufe des Verbundprojektes wurden am Institut für Nachrichtentechnik der TUHH umfangreiche Untersuchungen an einer OFDM basierten Übertragungsstrecke durchgeführt. Als wesentliche Besonderheit wurde dazu jeweils eine Funkzelle mit mehreren Nutzern betrachtet. Ein Schwerpunkt der Untersuchungen lag im Vergleich unterschiedlicher Vielfachzugriffsverfahren. Mit Hilfe dieser Verfahren können die innerhalb einer Zelle verfügbaren Ressourcen optimal auf die Nutzer verteilt werden. Für die qualitativen und quantitativen Untersuchungen der verschiedenen Zugriffsverfahren wurde jeweils eine ideale Kanalkenntnis im Sender und im Empfänger angenommen, so dass basierend darauf eine optimierte Ressourcenzuordnung ermöglicht wurde. Ein wesentlicher Punkt im Rahmen dieses Verbundprojektes war der Vergleich der Systemkonzepte beider Projektpartner. Hierzu wurden gemeinsame Kanalmodelle und einheitliche Performance-Kriterien entwickelt. Für den Systemvergleich wurde die Anzahl der Nutzer ermittelt, die mit ihren individuellen Systemanforderungen (QoS) innerhalb einer Zelle vollständig versorgt werden konnten. Unsere Projektpartner betrachteten ein Broadcast-System, das die Mehrfachausnutzung von Ressourcen erlaubt, während im vorliegenden Teilvorhaben ein OFDM-FDMA basiertes System mit exklusiver Ressourcenzuteilung untersucht wurde. Informationstheoretisch betrachtet, erlaubt ein Broadcast-Ansatz eine höhere Systemkapazität verglichen mit einem System, in dem ein rein exklusiver Zugriff praktiziert wird. In der konkreten Systemrealisierung muss allerdings - aufgrund der Mehrfachausnutzung der Ressourcen - eine höhere Verarbeitungskomplexität bei der Ressourcenverteilung und -signalisierung, sowie bei der Nutzertrennung im Empfänger in Kauf genommen werden. Unsere Untersuchungen haben gezeigt, dass der informationstheoretisch belegte Kapazitätsvorsprung des Broadcast-Ansatzes auch in den untersuchten Systemrealisierungen zu beobachten ist. Allerdings fällt dieser Vorsprung für die betrachteten Nutzeranforderungen meist nur gering aus, so dass der Mehraufwand bei Signalisierung und Ressourcenzuordnung für ein Broadcast-System nicht immer gerechtfertigt erscheint. Dennoch haben beide Systeme ihre Berechtigung. Je nach Anwendungsszenario muss zwischen der höheren Flexibilität des Broadcast-Ansatz und dem wesentlich geringeren Verarbeitungsaufwand des OFDM-FDMA-Ansatzes abgewogen werden. Darüber hinaus wurden auch die Auswirkungen von zeitvarianten Kanälen auf die Leistungsfähigkeit der Ressourcenzuordnung für das OFDM-FDMA-System untersucht. Es hat sich gezeigt, dass eine adaptive Ressourcenzuordnung auch in mobilen Szenarien vorteilhaft einsetzbar ist, wenn zusätzlich einfache Kanalprognoseverfahren angewandt werden. Die Dauer eines Übertragungsrahmens sollte jedoch deutlich unterhalb der Kohärenzzeit des Kanals liegen, da sonst Diversitätstechniken gegenüber einer Linkadaption im Vorteil sind. Ein weiterer Aspekt war der Einfluss einer nicht-idealen Synchronisation in der Aufwärtsstrecke. Hier lag das Augenmerk vor allem auf der, durch Trägerfrequenz-Offset verursachten, gegenseitigen Interferenz von Subträgern (Intercarrier Interference; ICI). Die Abhängigkeit dieser Interferenz von verschiedenen Subträgerzuordnungs-Schemata wurde untersucht. Insgesamt konnte gezeigt werden, dass die Interferenzleistung für technisch relevante Synchronisationsgenauigkeiten nur eine geringe, bzw. vernachlässigbare Minderung der Performance verursacht. Eine konkrete Anwendung der hier betrachteten Systemkonzepte ist in einem zukünftigen Mobilfunksystem der vierten Generation (4G) zu sehen. Die inhärente Flexibilität und die gezeigte Leistungsfähigkeit der betrachteten Konzepte sind geeignet, Systemanforderungen zu erfüllen, die über die der heutigen Standards weit hinausgehen. Über die vorgestellten Ergebnisse hinaus wäre zu untersuchen, wie die Verfahren zur Linkadaption eingesetzt werden können, wenn die Annahme gleicher Datenraten für alle Nutzer fallen gelassen wird. Dies führt auf Cross-Layer-Ansätze, die nicht nur den momentanen Kanalzustand, sondern zusätzlich auch die dynamisch wechselnden Anforderungen der Nutzer an das System berücksichtigen. Ein interessanter Ansatz in diesem Zusammenhang wäre auch der Einsatz von Mehrantennensystemen (Beamforming) zur selektiven Versorgung von räumlich getrennten Nutzern.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- "OFDM Transmission Technique- A Strong Candidate for the Next Generation Mobile Communications". In: "Mobile Multimedia Communications: Concepts, Applications and Challenges". Edited by: Prof. Laurence S. Dooley and Dr. Com C. Karmakar, Australia
H. Rohling
- „Multiuser Diversity and Subcarrier Allocation in OFDM-FDMA Systems". 10th International OFDM Workshop (InOWo '05), Hamburg, Germany, August 2005
S. Olonbayar, H. Rohling
- "PHY-Mode Selection and Multiuser Diversity in OFDM based Transmission Systems". 11th International OFDM Workshop (InOWo '06), Hamburg, Germany, August 2006
M. Stemick, S. Olonbayar, H. Rohling
- „Multiple Access Techniques and Channel Estimation in OFDM Communication Systems". Dissertation TU Hamburg-Marburg, 2006
Sonom Olonbayar
- "OFDM-FDMA-Scheme for the Uplink of a Mobile Communication System". Wireless Personal Communications, Vol. 40, No. 2, pp. 157-170, 2007
M. Stemick, H. Rohling
- "PHY-Mode Selection and Multiuser Diversity in OFDM based Systems". FREQUENZ, vol. 61, pp. 7-10, 2007
M. Stemick, S. Olonbayar, H. Rohling
