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Multi-user MIMO-OFDM in practice: Enabling spectrally efficient transmission over time-varying channels
Schellmann, Jan Malte
Die Kombination der MIMO Mehrantennentechnik mit der OFDM Mehrträgerübertragung verspricht das Erzielen hoher spektraler Effizienzen bei moderater Komplexität von Sender- und Empfängerstrukturen. Weiterhin erlaubt das MIMO-OFDM Systemkonzept die flexible Vergabe von Übertragungsressourcen in Zeit, Frequenz und Raum an unterschiedliche Nutzer. Diese Dissertation behandelt Verfahren zur Signalübertragung in Mehrnutzer MIMO-OFDM Systemen, die die Realisierung solcher Systeme in der Praxis ermöglichen sollen. Betrachtet wird hierbei eine isolierte Zelle, bestehend aus einer einzelnen Basisstation, die mehrere in der Zelle verteilte Nutzerterminals versorgt. Im Allgemeinen sind praktische Mobilfunkkanäle geprägt durch zeitvariantes Verhalten, das von der Bewegung der Nutzerterminals oder aber von Unstimmigkeiten innerhalb der Übertragungskette herrührt. Jene Zeitvarianz kann zu massiven Störungen im Übertragungssystem führen, die die praktisch erzielbare spektrale Effizienz beschränken. Um dennoch möglichst nah an die von der theoretischen Analyse versprochenen spektralen Effizienzen heranzukommen, müssen geeignete Verfahren gefunden werden, mit denen die der Zeitvarianz geschuldeten Degradationseffekte wirksam überwunden werden können. Die Dissertation gliedert sich in drei Hauptkapitel, in denen jeweils unterschiedliche Grade der Kanal-Zeitvarianz betrachtet werden. Die vorgestellten Ergebnisse zeigen, dass sich für alle betrachteten Fälle Lösun-gen mit moderaten Komplexitätsanforderungen für die Signalübertragung in MIMO-OFDM Systemen finden lassen, mit denen hohe spektrale Effizienzen auch in der Praxis erzielt werden können. Die spezifischen Inhalte und Ergebnisse der drei Kapitel werden im Folgenden kurz zusammengefasst: 1. Die einfachste Form der Zeitvarianz im Kanal wird verursacht durch einen Frequenzversatz der Signale an Sender und Empfänger. Kompensation der durch diesen Versatz hervorgerufenen Störeffekte ist Aufgabe der Synchronisation. Das erste Kapitel befasst sich daher mit der Entwicklung eines geschlossenen Konzep-tes für die Synchronisation des Mehrnutzer MIMO-OFDM Gesamtsystems bestehend aus Vorwärtsstrecke (Downlink) und Rückwärtsstrecke (Uplink). Für die Präambel-basierte Downlink-Synchronisation wird mit Hilfe analytischer und simulativer Mittel der Einfluss von Frequenzdiversität, räumlicher Diversität sowie der Präambellänge auf die Synchronisationsperformanz untersucht. Verwenden die Terminals in der Uplink-Phase den im Downlink geschätzten Frequenzversatz zur Vorkompensation ihrer Sendesignale, können die durch Schätzfehler verbleibenden Störungen direkt an der Basisstation kompensiert werden. Basierend auf einer Analyse der Signalbedingungen im Uplink wird ein einfaches Verfahren hierfür hergeleitet. 2. Nach erfolgreicher Synchronisation kann im Fall von nahezu statischen Verhältnissen in der Ausbreitungsumgebung ein adaptives Übertragungskonzept mit hoher spektraler Effizienz umgesetzt werden, das entsprechend der aktuellen Kanalbedingungen für jeden Nutzer die geeigneten Ressourcen sowie den bestmöglichen MIMO Übertragungsmodus auswählt. Ein solches Konzept wird für den Downlink eines Frequenz-Duplex Systems entwickelt, in dem der aktuelle Kanalzustand aller beteiligten Nutzer über einen begrenzten Feedback-Kanal bereitgestellt wird. Es wird gezeigt, dass mit diesem praktikablen Konzept unter idealen Bedingungen ein hoher Anteil der theoretisch erzielbaren Kapazität des MIMO Broadcast-Kanals realisiert werden kann. Mit zunehmender Mobilität der Nutzer und der damit einhergehenden schnellen Änderung der Kanalzustände erfährt dieses adaptive System jedoch eine Degradation der Systemleistung. Für moderate Fahrzeuggeschwindigkeiten und eine feste Antennenkonfiguration wird eine mögliche Erweiterung des Konzeptes aufgezeigt, die auf linearer Prädiktion der Nutzerkanäle beruht. Hiermit kann eine zuverlässige Funktion der adaptiven Übertragung auch bei Mobilität aufrechterhalten werden. 3. Bei sehr hohen Geschwindigkeiten der Nutzer verletzt die durch Doppler-Effekte hervorgerufene hohe Zeitvarianz des Kanals schließlich die Orthogonalität der OFDM Unterträgersignale; es kommt zur sogenannten Inter-Carrier Interferenz (ICI). Für allgemeine Doppler Kanäle wird für den Downlink ein einfaches Verfahren entwickelt, das die ICI mit Hilfe der am Empfänger verfügbaren Mehrantennen unterdrückt. Dieses Verfahren erhält die unterträgerweise Entzerrung im OFDM System aufrecht, wodurch es einfach zu realisieren ist. Die Schätzung der ICI kann anhand von gewöhnlichen Pilotsignalen durchgeführt werden und zeichnet sich durch einen geringen Realisierungsaufwand aus.
The combination of MIMO multiple antenna technique together with OFDM multi-carrier transmission promises to achieve high spectral efficiencies while setting moderate complexity demands on transmitter and receiver structures. Furthermore, the MIMO-OFDM system concept allows to flexibly allocate the resources in time, frequency and space to different users. This dissertation addresses methods for signal transmission in multi-user MIMO-OFDM systems, which are meant to be seen as enablers for the realization of such systems in practice. The focus thereby is on an isolated cell, where a single base station communicates with multiple user terminals distributed over the cell area. In general, practical mobile radio channels are of time-variant nature, which is attributed to movement of the user terminals or to impairments in the transmission chain. The time variance may cause severe distortions in the transmission system, limiting the spectral efficiencies achievable in practice. To get close to spectral efficiencies promised from theoretical analysis though, suitable methods to effectively overcome the degradation induced by the channel’s time variance need to be found. The dissertation is structured into three main chapters that deal with different degrees of the channel’s time variance. The presented results indicate that for all cases considered, solutions with moderate complexity demands can be found which allow to achieve high spectral efficiencies in MIMO-OFDM systems also in practice. The specific content and results of the three chapters are briefly summarized in the following: 1. The simplest form of time variance in the channel is caused by a frequency offset of the signals at transmitter and receiver. Compensation of the offset-induced distortions is the task of the synchronization process. Therefore, the first chapter addresses the development of a self-contained synchronization concept for the multi-user MIMO-OFDM system, consisting of downlink and uplink. For the preamblebased downlink synchronization, the impact of frequency diversity, spatial diversity as well as of the preamble length on the synchronization performance is investigated by analytical and simulative means. If the terminals use the offset estimated in the downlink for a pre-compensation of their transmit signals during the uplink phase, the residual distortions attributed to the estimation error can be compensated directly at the base station. Based on an analysis of the signal conditions in the uplink, a simple method for this purpose is derived. 2. In the case of quasi-static conditions in the propagation environment, the channel can be considered static itself after successful synchronization. Then an adaptive transmission concept with high spectral efficiency can be realized, which selects for each user the most suitable resources as well as the best-suited MIMO transmission mode according to its current channel conditions. Such a concept is developed for the downlink of a frequency division duplex system, where the current channel state information of each user is provided via a control channel with limited feedback. It is shown that under ideal conditions, this practical approach is capable of realizing a large proportion of the theoretically achievable capacity of the MIMO broadcast channel. However, with increasing mobility of the users, causing the user channels to vary rapidly over time, the performance of the adaptive system degrades. For moderate vehicular speeds and for a fixed antenna configuration, a possible extension of the concept is presented, which relies on linear prediction of the user channels. Herewith, a reliable operation of the adaptive transmission concept can be maintained even under user mobility. 3. At very high user speeds, the high time variance of the channel induced by Doppler effects violates the orthogonality of the OFDM subcarrier signals, giving rise to the so-called inter-carrier interference (ICI). For general Doppler channels, we develop a simple method for the downlink, which suppresses the ICI with the aid of the multiple antennas available at the receiver. This approach maintains the subcarrierwise equalization in OFDM, facilitating its implementation. Estimation of the ICI can be carried out based on common pilot signals by a simple method with low demands on computational complexity.
