Titelaufnahme

Titel
Pilot pattern optimization for doubly-selective MIMO OFDM transmissions / von Michal Šimko
VerfasserŠimko, Michal
Begutachter / BegutachterinRupp, Markus ; Diniz, Paulo S.R.
Erschienen2013
UmfangXII, 127 S. : graph. Darst.
HochschulschriftWien, Techn. Univ., Diss., 2013
Anmerkung
Zsfassung in dt. Sprache
SpracheEnglisch
Bibl. ReferenzOeBB
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (DE)MIMO / OFDM / Pilotenmuster / Leistungsverteilung / adaptive Pilotenmuster / ICI
Schlagwörter (EN)MIMO / OFDM / pilot patterns / power distribution / adaptive pilot patterns / ICI
Schlagwörter (GND)Mobilfunk / MIMO / OFDM / Informationsübertragung
URNurn:nbn:at:at-ubtuw:1-53586 Persistent Identifier (URN)
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Pilot pattern optimization for doubly-selective MIMO OFDM transmissions [5.24 mb]
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Zusammenfassung (Deutsch)

Heutige Mobilfunkstandards liegen weit hinter ihren theoretischen Leistungsgrenzen.

Der Hauptgrund dafür liegt in der konservativen Vorgangsweise der Standardisierungsorganisationen.

Die neuesten Mobilfunkstandards setzen wegen ihrer hohen spektralen Effizienz auf MIMO OFDM Modulation. Solche Systeme erfordern den Einsatz von beim Empfänger bekannter Signale, um den Übertragungskanal zu schätzen. Diese so-genannten Pilotsymbole konsumieren allerdings verfügbare Ressourcen wie Leistung und Bandbreite und vermindern damit die spektrale Effizienz.

Zunächst wird eine optimale Leistungsverteilung zwischen Daten und Pilotsymbolen betrachtet. Das Post-Entzerrer SINR wird maximiert, um optimale Leistungsfähigkeit zu gewährleisten. Der optimale Leistungsabstand zwischen Pilot und Datensymbolen hängt von dem Verhältnis der Pilot und Datensymbole sowie dem Vermögen des verwendeten Kanalschätzers ab. Der durch optimale Leistungsverteilung erreichbare Gewinn hängt vom Arbeitspunkt ab. Durchsatzerhöhungen von 10% können erreicht werden.

Darüberhinaus schlägt die vorliegende Arbeit eine Methodik zur optimalen Gestaltung von Pilotmuster für MIMO OFDM Übertragungen über doppelt selektive Kanäle vor. Eine obere Grenze der bedingten Kanalkapazität, die Kanalschätzfehler mit berücksichtigt, wird angegeben. Dies erlaubt es, optimale Pilotmuster für gegebenes SNR, Kanalkorrelation und Kanalschätzer zu berechnen. In Vergleich zu standardisierten Pilotsequenzen können nun optimale Sequenzen verwendet werden, die signifikante Durchsatzverbesserungen erreichen. Diese Verbesserungen können bis zu 850% groß sein, wenn ein 4x4 LTE System zugrunde gelegt wird.

In der vorliegenden Arbeit schlage ich Lösungen vor, die theoretisch erreichbare Grenzen annähern. Die vorgeschlagenen Lösungen lassen sich leicht in zukünftige Standards einbauen und erhöhen den Datendurchsatz signifikant.

Zusammenfassung (Englisch)

Current wireless transmission systems are far from their theoretically achievable performance bounds. The main reason behind this is a conservative approach of the standardization organizations. Most current standards for wireless communication employ Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) Orthogonal Frequency-Division Multiplexing (OFDM) modulation as it offers a high spectral efficiency. These systems require the insertion of at the receiver known symbols in order to estimate the transmission channel. These so-called pilot-symbols consume available resources such as power and bandwidth, and therefore eeffectively decrease spectral efficiency.

This thesis deals with pilot pattern optimization for MIMO OFDM transmission systems.

First, an optimal power distribution among pilot- and data-symbols is considered. The post-equalization Signal to Interference and Noise Ratio (SINR) is maximized in order to deliver optimal performance. The optimal power oset between the pilot- and data-symbols depends on the ratio between the number of pilot- and data-symbols, and on the distinct performance of the utilized channel estimator. The achievable gains by the optimal power distribution depend on the operational point.

Throughput gains up to 10% can be achieved.

Furthermore, this thesis proposes a framework for optimal pilot pattern design for MIMO OFDM systems under doubly selective channels. An upper bound of the constrained channel capacity including channel estimation errors is provided. This allows to find an optimal pilot pattern for a given Signal to Noise Ratio (SNR), channel correlation, and channel estimator.

Significant throughput gains can be achieved by employing the optimal pilot patterns compared to transmission systems with standardized fixed pilot patterns. The throughput gains can reach up to 850% when comparing with a 4x4 Long Term Evolution (LTE) system.

In this thesis, I propose solutions how to approach the theoretically achievable performance bounds. The proposed solutions can easily be implemented into the future standards for wireless communication, and significantly improve their throughput.