Optimierung von iterativen Algorithmen für MIMO-OFCDM-Systeme unter der Berücksichtigung der Eigenschaft von realen Funkkanälen
Final Report Abstract
Das Projekt befasste sich mit dem Entwurf und der Analyse von Algorithmen für Single-User (SU) und Multi-User (MU) Systeme mit mehreren Antennen auf der Sender-/Empfängerseite und ihre Evaluierung auf der Basis von gemessenen Funkkanälen. Ein wesentlicher Schwerpunkt dieses Forschungsvorhabens war die Entwicklung und Bewertung (hinsichtlich der Konvergenz) von neuartigen aufwandsgünstigen iterativen (Turbo-) Empfangsalgorithmen auf der Basis des MMSE-Ansatzes für verschiedene Anwendungsgebiete in der Mobilkommunikation. In diesem Zusammenfang wurde ein neuartiger Turbo-Detektor für MIMO-OFDM Übertragungen mit unzureichenden zyklischen Prefix entwickelt. Der Detektor erreicht annähernd die Leistungsfähigkeit eines konventionellen OFDM-basierten Turbo-Detektors (bei Übertragungen mit ausreichenden zyklischen Prefix) bei gleicher Ordnung der Komplexität. Der entwickelte Empfänger besitzt eine eingeschränkte Leistungsfähigkeit in räumlich korrelierten frequenzselektiven MU-Kanälen mit geringer Mehrwegediversität. Aus diesem Grund wurde der vorhandene Turbo-Algorithmus um eine recheneffiziente Verbunddetektion, welche lineare adaptive MMSE-Filterung und optimale a posteriori probability (APP)-Detektion miteinander verbindet, erweitert. Die Konvergenzanalyse mit Extrinsic Information Transfer (EXIT)-Diagrammen belegt, dass der neuartige „hybride“ Detektor eine Verbesserung von Konvergenzrate und –schwelle und damit eine signifikante Leistungssteigerung im Hinblick auf die erreichbaren Bit-/Paketfehlerraten gegenüber den konventionellen Turbo-Detektoren erzielt. Hinsichtlich des aktuellen Forschungsstandes wurde im Rahmen dieses Projekts erstmals auch ein Turbo-Konzept vorgestellt, welches aus der Kombination des klassischen MMSE-Filterkonzeptes und des PDA-Filters besteht. Ein derartiger Detektor erzielt eine Verbesserung der Konvergenzeigenschaften gegenüber den bekannten MMSE Turbo- Detektoren bei Übertragungen mit sehr hochratigen Kanalcodes und erreicht eine signifikante Verringerung der Bitfehlerrate am Detektorausgang bei gleicher Komplexitätsordnung. Zur Steigerung der spektralen Effizienz von SU- und MU-MIMO-Systemen mit MMSE Turbo-Detektion wurden verschiedene senderseitige Strategien zur Linkadaption unter Ausnutzung der vorhandenen Kanalzustandsinformation am Sender für codierte Übertragungen über frequenzselektive Kanäle untersucht. Für die adaptive Ratenzuweisung von MU Turbo-Systemen wurde eine geschlossene analytische Lösung des Summenratenmaximierungsproblems für den Zwei-Nutzer Fall und ein numerisches graphenbasierten Verfahren für den N-Nutzer (N>2) Fall hergeleitet. Neben der Entwicklung von Ratenallokationsstrategien für MU-Turbo-Systeme wurde auch ein Algorithmus zur Leistungsallokation für SU-MIMO-Systeme mit iterativer MMSE-Detektion entwickelt, wobei für das betreffende Optimierungsproblem Aussagen zur Konvexität abgeleitet werden konnten.
Publications
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“Measurement based Performance Evaluation of MIMO-OFDM with Turbo-Equalization,”. IEEE VTC2005 Spring, Stockholm, Sweden, June 2005
C. Schneider, M. Grossmann, R. Thoma
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“Coded Space-Time Single Carrier Transmission with MMSE MIMO Turbo Equalization,”. In: Proc. International Symposium on Wireless Communication Systems, Valencia, Spain, September 2006
M. Särestöniemi, T. Matsumoto, M. Grossmann
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“Frequency Domain Turbo Equalisation for MIMO-OFDM Systems with insufficient GI,”. International Zurich Seminar on Communications (IZS 2006), Zurich, Switzerland, February 2006
M. Grossmann, C. Schneider, R. Thoma
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“Untersuchungen zum Konvergenzverhalten von Turbo-MIMO-Detektoren für MIMO-OFCDM-Systeme unter Verwendung von semianalytischen Extrinsic Information Transfer (EXIT)-Funktionen,”. DFG-Koll., Hannover, Februar 2006
M. Grossmann
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“Hybrid Turbo Multiuser Detection for OFDM Transmission with Spatially-Correlated Channels,”. IEEE Communications Letters, Vol. 11, pp. 420-422, May 2007
M. Grossmann, T. Matsumoto
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“Nonlinear Frequency Domain MMSE Turbo Equalization using Probabilistic Data Association,”. IEEE Communications Letters, Vol. 12, pp. 295-297, April 2008
M. Grossmann, T. Matsumoto
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“Rate Allocation for K-user MAC with Turbo Equalization,”. In: Proc. International Workshop on Smart Antennas (WSA 2009), February 2009
M. Grossmann, T. Matsumoto
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“SVD-based Precoding for Single Carrier MIMO Transmission with Frequency Domain MMSE Turbo Equalization,”. IEEE Signal Processing Letters, Vol. 16, pp. 418-421, May 2009
M. Grossmann
