Robuste adaptive Funkübertragungssysteme unter Ausnutzung der Kanalinformationen aus dem Reverse Link

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Karl-Dirk Kammeyer; Professor Dr.-Ing. Steffen Paul; Professor Dr.-Ing. Martin Schneider
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung von 2008 bis 2014
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 71227297

• Erstellungsjahr: 2013

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Ziel dieses Projektes war die Verbesserung von adaptiven Übertragungsverfahren in Zeitduplexsystemen unter Ausnutzung von Kanalkenntnis aus der Gegenrichtung bei nichtperfekter Kanalreziprozität. Im Fokus der Untersuchungen stand dabei zunächst die Analyse von linearen und nichtlinearen Einzeleffekten der Hardware-Komponenten innerhalb von Transceiver-Frontends. Es konnte gezeigt werden, dass unter Einbeziehung der möglichen Nicht-Idealitäten von kostengünstigen, hochintegrierten Komponenten eine resultierende nicht perfekte Äquivalenz der Übertragungsrichtungen zu einer starken Degradation der Leistungsfähigkeit unter Verwendung von adaptiven Übertragungsverfahren führt. Die Evaluation der durch die Nicht-Idealitäten verursachten Fehler mittels geeigneter Basisbandmodelle bestätigte den Bedarf an Kompensation dieser Nicht-Idealitäten in hochratigen, adaptiven Systemen. Dieses konnte sowohl durch Simulationen als auch durch Messungen belegt werden. In Hinblick auf betrachtete Einzeleffekte wurden anschließend Algorithmen zur Kompensation von I/Q-Unsymmetrien und der Dynamik-Kompression abgeleitet. Darüber hinaus wurde ein auf Streumatrizen basierendes Mehrnutzer-Mehrantennen-Systemmodell abgeleitet und erweitert, welches die Übertragungsfaktoren der Transceiverzweige sowie deren Verkopplungen untereinander in frequenzabhängiger Weise abbildete. Ein Schwerpunkt wurde dabei auf die Modellierung der Verkopplungen von Mehrantennensystemen gelegt, da dieser in der Literatur zuvor widersprüchlich behandelt wurde. Im Rahmen der hier betrachteten Systeme beträgt die relative Bandbreite circa 1%. Für solch relative Bandbreiten ist die Frequenzabhängigkeit der Antennenverkopplung vernachlässigbar und kann somit als konstant angenommen werden. Das mathematische Systemmodell wurde anschließend genutzt, um Kalibrierverfahren auf Basis von Least Squares und so genannten Total Least Squares (TLS) Lösungen, die auf der Kenntnis der Übertragungskanale in Auf-und Abwärtsrichtung basieren, zu entwerfen. Um eine lineare Beschreibung des Gesamtsystems über die Modellierung zu gewährleisten, musste von einem linearen Hardwareeinfluss ausgegangen werden. Die entwickelten TLS-Lösungen stellten sich als robust gegenüber Kanalschätzfehlern heraus. Eine Fokussierung auf Realisierungsaspekte und die dabei aufkommenden Fragestellungen nach dem Signalisierungs- und Implementierungsaufwand der TLS-Kalibrierlösungen waren Teil des zweiten Projektabschnittes. Dabei ließ sich die Kalibrierung in Verfahren im Zeit- und Frequenzbereich unterteilen. Weiterhin mussten ge- und entkoppelte Systeme unterschieden werden. Unter Verwendung des OFDM-Mehrträgerverfahrens stellte sich die Frequenzbereichskalibrierung als aufwandsgünstiger heraus. Es wurde dabei gezeigt, dass mit zusätzlichem Feedback im Reverse Link, welches Kenntnis über den Forward Link an die Basisstation übermittelt, die Äquivalenz der Übertragungskanäle im Basisband durch diese Signalverarbeitungskonzepte an der Basisstation angeglichen werden kann. Dies ist für die sendeseitige Vorverarbeitung in adaptiven Systemen wiederum notwendig, um für folgende Übertragungen die direkte Kanalschätzung aus der Gegenrichtung verwenden zu können. Unter Verkopplungen stellte sich der erhöhte Signalverarbeitungsaufwand zur Kalibrierung als nachteilig heraus, so dass Konzepte zur Reduzierung der Komplexität entworfen wurden. Das daraufhin u.a. entwickelte konjugierte Gradientenverfahren zur Minimierung des zum TLS-Problem zugehörigen Rayleigh-Quotienten zeigte beispielsweise eine vergleichbare Leistungsfähigkeit gegenüber einer sonst notwendigen Singularwertzerlegung bei reduzierter Rechenkomplexität. Für die Implementierung der Kalibrierung mittels TLS in echtzeitfähiger Hardware wurde statt der Verwendung einer Singulärwertzerlegung eine zweiseitige orthogonale Zerlegung (ULVD) verwendet. Diese kann sehr effizient mit Hilfe von zwei QR-Zerlegungen auf FPGA oder ASICs implementiert werden. Im Projekt wurde mit der FPGA-Implementierung eine annhährend gleiche BER-Performance im Vergleich zur Singularwertzerlegung im Fließkommaformat erreicht. Messungen an institutseigenen Mehrantennendemonstratoren bestätigten die Leistungsfähigkeit der Algorithmen. Es wurde dabei die Überlegenheit der TLS-basierten Verfahren im Vergleich zu einer Hardwarekalibrierung demonstriert. Die entwickelten Signalverarbeitungsmethoden funktionieren demnach auch unter realen Randbedingungen, wobei eine Anpassung der präsentierten, rekursiven Verfahren an die jeweilige Rahmenstruktur von standardisierten TDD-Systemen vorzunehmen wäre. Der zusätzlich notwendige, hohe Signalisierungsaufwand im Falle einer Kalibrierung stellte zwar ein Problem dar, konnte aber geschickt über mehrere Pakete verteilt werden. Für die angestrebten hochratigen Übertragungssysteme ist dieser beobachtete Aufwand an digitaler Signalverarbeitung und Feedback gerechtfertigt, wenngleich eine geeignete Kombination aus robuster Vorentzerrung, Codierung und Kalibrierung eine weitere Reduzierung der Komplexität und des Feedbacks verspricht. Insgesamt lässt sich zusammenfassen, dass auf Basis der erforschten Verfahren eine aufwandsgünstige Kalibrierung von adaptiven, breitbandigen Zeitduplexverfahren mittels reiner Signalverarbeitung erreicht werden kann. Anhand der untersuchten Mehrnutzer-MISO-OFDM-Systeme konnte die gute Leistungsfähigkeit der Kalibrierung auch unter fehlerhafter Kanalzustandsinformation beider Übertragungsrichtungen an der Basisstation nachgewiesen werden.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Improving the Performance of BICM-OFDM Systems in Presence of HPA Nonlinearities by Efficient Bit and Power Loading. In International ITG Workshop on Smart Antennas (WSA 09), Berlin, Februar 2009
  M. Petermann, C. Bockelmann, D. Wübben und K.-D. Kammeyer
  
• Influence of Non-Reciprocal Transceivers at 2.4 GHz in Adaptive MIMO-OFDM Systems. In 14th International OFDM-Workshop 2009 (InOWo 09), Hamburg, September 2009
  M. Stefer, M. Petermann, M. Schneider, D. Wübben und K.-D. Kammeyer
  
• Joint Constellation Extension and Tone Reservation for PAPR Reduction in Adaptive OFDM Systems. In IEEE International Workshop on Signal Processing Advances in Wireless Communications (SPAWC 09), Perugia, Italien, Juni 2009
  M. Petermann, D. Wübben und K.-D. Kammeyer
  
• Evaluation of Encoded MU-MISO-OFDM Systems in TDD Mode with Non-ideal Channel Reciprocity. In 8th International ITG Conference on Source and Channel Coding (SCC 10), Siegen, Januar 2010
  M. Petermann, D. Wübben und K.-D. Kammeyer
  
• Iterative Pre-Compensation of I/Q Imbalances in an Adaptive 2.4 GHz MIMO-OFDM System. In International ITG Workshop on Smart Antennas (WSA 10), Bremen, Februar 2010
  M. Petermann, M. Niemiec, D. Wübben, K.-D. Kammeyer, M. Stefer und M. Schneider
  
• Low- Complexity Calibration of Mutually Coupled Non-Reciprocal Multi-Antenna OFDM Transceivers. In The 7th Intern. Symp. on Wireless Comm. Systems (ISWCS 10), York, UK, September 2010
  M. Petermann, M. Stefer, D. Wübben, M. Schneider und K.-D. Kammeyer
  
• On Modeling Antenna Coupling for Adaptive MIMO-OFDM Systems. In International ITG Workshop on Smart Antennas (WSA 10), Bremen, Februar 2010
  M. Stefer und M. Schneider
  
• Synchronisation Aspects while using Reciprocity for Precoding in MIMO-OFDM. In International ITG Workshop on Smart Antennas (WSA 10), Bremen, Februar 2010
  T. Wiegand, F. Ludwig und S. Paul
  
• Architecture and FPGA-implementation of a high throughput K+ -Best detector. In Design, Automation and Test in Europe Conference & Exhibition (DATE), Grenoble, France, März 2011
  N. Heidmann, T. Wiegand und S. Paul
  
• Calibration for Single-Carrier preFDE Transceivers Based on Property Mapping Principles. In Intern. ITG Workshop on Smart Antennas (WSA 11), Aachen, Germany, Februar 2011
  M. Petermann, D. W¨bben, A. Dekorsy und K.-D. Kammeyer
  
• Enhanced Adaptive Downlink Transmission in MIMO-OFDM Systems by Hardware-Based Calibration. In 16th Intern. OFDM-Workshop (InOWo 11), Hamburg, Germany, August 2011
  M. Stefer, M. Petermann, M. Schneider, D. Wübben und K.-D. Kammeyer
  
• Effects of Downlink Channel Quantization on the Performance of Relative Calibration in OFDM Systems. In 16th Intern. OFDM-Workshop (InOWo 11), Hamburg, Germany, August 2011
  M. Petermann, F. Ludwig, D. Wübben, S. Paul und K.-D. Kammeyer
  
• Relative Downlink Channel Calibration in OFDM Systems with Cordic QR Decomposition. In 16th Intern. OFDM-Workshop (InOWo 11), Hamburg, Germany, August 2011
  F. Ludwig, M. Petermann, D. Wübben, K.-D. Kammeyer und S. Paul
  
• Low Complexity QR-Decomposition Architecture using the Logarithmic Number System. In Design, Automation and Test in Europe Conference & Exhibition (DATE), Grenoble, France, März 2013
  J. Rust, F. Ludwig und S. Paul