Titelaufnahme

Titel
OFDM multi-user communication over time-variant channels / Thomas Zemen
VerfasserZemen, Thomas
Begutachter / BegutachterinBonek, Ernst ; Rupp, Markus
Erschienen2004
UmfangXI, 123 S. : Ill., graph. Darst.,
HochschulschriftWien, Techn. Univ., Diss., 2004
Anmerkung
Zsfassung in dt. Sprache
SpracheEnglisch
Bibl. ReferenzOeBB
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (GND)Mobilfunk / Übertragungskanal / OFDM / CDMA
URNurn:nbn:at:at-ubtuw:1-12464 Persistent Identifier (URN)
Zugriffsbeschränkung
 Das Werk ist frei verfügbar
Dateien
OFDM multi-user communication over time-variant channels [1.1 mb]
Links
Nachweis
Klassifikation
Zusammenfassung (Deutsch)

Die Verfügbarkeit hoher Datenraten für mobile Teilnehmer ist eine der wichtigsten Eigenschaften zukünftiger Mobilfunksysteme. Wir untersuchen ein MC-CDMA (multi-carrier code division multiple access) System bei dem eine OFDM (orthogonal frequency division multiplexing) basierte Mehrträgerübertragung mit der Spreizung der Datensymbol im Frequenzbereich verbunden wird. Die Spreizsequenz dient zur Identifikation der Benutzer und ermöglicht die Ausnützung der Mehrwegediversität des Mobilfunkkanals. Die Übertragung ist blockorientiert, wobei sich ein Block aus OFDM Pilot- und OFDM Datensymbolen zusammensetzt.

Für Schrittgeschwindigkeit kann der Mobilfunkkanal als konstant für die Dauer eines Datenblocks modelliert werden. Wir verwenden ein iteratives Mehrbenutzerdetektionsverfahren. Hierbei werden so genannte Softsymbole aus dem Ausgang des Dekoders gewonnenen. Diese Softsymbole werden verwendet um die Interferenz durch andere Benutzer zu minimieren. Wir entwickeln ein iteratives Kanalschätzverfahren für MC-CDMA, bei dem die Kanalschätzung mit Hilfe der zurückgeführten Softsymbole verbessert wird. Die Bitfehlerrate des iterativen Empfängers kommt der Einbenutzergrenze nahe. Die Einbenutzergrenze ist die Bitfehlerrate die der Empfänger für einen einzelnen Benutzer und mit perfekter Kanalkenntnis erreicht.

Für Fahrzeuggeschwindigkeiten kann der Kanal nicht mehr als konstant über die Dauer eines Datenblocks betrachtet werden. Daher benötigen wir eine adäquate Beschreibung seiner zeitlichen Veränderung. Wir untersuchen Algorithmen die den zeitvarianten Kanal schätzen können, ohne seine genaue Statistik zweiter Ordnung zu kennen. Wir nützen nur die Kenntnis der maximalen Dopplerbandreite in einem Mobilfunksystem, die durch die Trägerfrequenz und die maximale Geschwindigkeit der Benutzer bestimmt ist. Dieser Ansatz ist auch dadurch motiviert, dass ein real existierender Mobilfunkkanal nicht dem Jakes Model entspricht.

Wir untersuchen zuerst zeitvariante frequenzflache Kanäle. Slepians Theorie der zeitkonzentrierten und bandlimitierten Sequenzen eröffnet einen neuen Ansatz für die zeitvariante Kanalschätzung. Diese Theorie ermöglicht das Design von doppelt orthogonalen DPS (discrete prolate spheroidal) Sequenzen die an die Datenblocklänge und die maximale Dopplerbandbreite angepasst sind. Die DPS Sequenzen werden zur Definition der Slepian Basisentwicklung verwendet. Wir beweisen analytisch, dass der systematische Schätzfehler der Slepian Basisentwicklung mindestens eine Zehnerpotenz kleiner ist als der der Fourier Basisentwicklung.

Die Slepian Basisentwicklung verliert ihre Orthogonalität für pilotbasierte Kanalschätzung und ihr systematischer Schätzfehler wächst mit sinkender Pilotanzahl. Wir lösen dieses Problem durch das Design neuer endlicher Sequenzen die auch auf dem Pilotraster orthogonal sind und weiterhin bandlimitiert und zeitkomprimiert bleiben. Die generalisierte endliche Slepian Basisentwicklung, die auf den resultierenden generalisierten FDPS (finite discrete prolate spheroidal) Sequenzen aufbaut, zeigt die beste Leistung für pilotbasierte Kanalschätzung. Wir beweisen dies durch analytische Ergebnisse und präsentieren numerische Simulationen.

Wir verwenden die generalisierte endliche Slepian Basisentwicklung für die Kanalschätzung eines zeitvarianten frequenzselektiven Kanals in einem MC-CDMA System in der Abwärtstrecke. Simulationsergebnisse zeigen die hervorragende Leistung dieses Kanalschätzverfahrens speziell für eine geringe Anzahl an Pilotsymbolen. Der zeitvariante frequenzselektive Kanal bietet Mehrwegediversität und Dopplerdiversität. Ein MC-CDMA System kann beide Diversitätsquellen durch Verschachtelung und Kodierung der Datensymbole ausnützen. Wir leiten ein analytisches Maß für die Dopplerdiversität ab und untersuchen mit Simulationsergebnissen wie viel Diversität ein MC-CDMA System tatsächlich nützen kann.

Wir entwickeln in dieser Dissertation eine iterative Empfängerarchitektur für die Aufwärtsstrecke mit Mehrbenutzerdekodierung für zeitvariante Mobilfunkkanäle. Dieser Empfänger nähert sich der Einbenutzergrenze bis auf 2.5dB, unter voller Last mit 64 Benutzern, für ein Signal zu Rauschverhältnis von 14dB und mit mobilen Benutzern die sich mit einer Geschwindigkeit im Bereich von

Zusammenfassung (Englisch)

Wireless broadband communications for users moving at vehicular speed is a cornerstone of future mobile communication systems. We investigate a multi-carrier (MC) code division multiple access (CDMA) system which is based on orthogonal frequency division multiplexing (OFDM). A spreading sequence is used in the frequency domain in order to distinguish individual users and to take advantage of the multipath diversity of the wireless channel. The transmission is block oriented. A block consists of OFDM pilot and OFDM data symbols.

At pedestrian velocities the channel can be modelled as block fading. We apply iterative multi-user detection and channel estimation. In iterative receivers soft symbols are derived from the output of an soft-input soft-output decoder. These soft symbols are used in order to reduce the interference from other users and to enhance the channel estimates. We develop an iterative channel estimation scheme for MC-CDMA. The iterative MC-CDMA receiver achieves a performance close to the single-user bound in moderately overloaded systems. The single-user bound is defined as the performance for one user and perfect channel knowledge.

At vehicular velocities, the channel can not be treated as block fading for the duration of a data block. Instead, its temporal variation must be modelled adequately. We investigate channel estimation algorithms that do not take advantage of complete second order statistics. We assume an upper bound for the Doppler bandwidth only, which is determined by the carrier frequency and the maximum supported velocity.

This approach is motivated by the fact that existent wireless channels do not adhere to Jakes' model.

First, we deal with time-variant frequency-flat channels. Slepian's theory of time-concentrated and bandlimited sequences enables a new approach for time-variant channel estimation. It enables the design of doubly orthogonal discrete prolate spheroidal (DPS) sequences with just two parameters; the block length and the maximum Doppler bandwidth. The DPS sequences are used to define a Slepian basis expansion. We give analytic results showing that the bias of the Slepian basis expansion is at least one magnitude smaller compared to the Fourier basis expansion.

The Slepian basis expansion performance degrades for pilot based channel estimation because the orthogonality of the basis functions is lost due to the pilot grid. We tackle this problem by designing a new set of finite sequences that are orthogonal over the pilot index positions but keep their bandlimited and time-concentrated properties. The resulting generalized finite Slepian basis expansion achieves best performance for pilot based time-variant channel estimation which is proven by analytical results and shown in numerical simulations.

We apply the generalized finite Slepian basis expansion for time-variant frequency-selective channel estimation in an MC-CDMA downlink and discuss simulation results. The time-variant frequency-selective channel offers Doppler diversity in addition to multipath diversity. An MC-CDMA system can take advantage of the Doppler diversity through interleaving and coding over a data block. We derive an analytic measure for the Doppler diversity of a time-variant channel and support it by simulation results.

In this thesis, we design an iterative receiver-architecture for an MC-CDMA uplink with multi-user decoding for time-variant mobile radio channels. It is shown that this receiver type reaches the single-user bound under full load with N=64 users up to 2.5dB at an Eb/N0 = 14dB for mobile users moving with velocities in the range from