Filter Bank Multicarrier Modulation for future wireless systems

Abstract

Zukünftige drahtlose Kommunikationssysteme sollten in der Lage sein, eine Vielzahl an unterschiedlichen Anwendungen zu unterstützen. Dies erfordert eine flexible Zeit und Frequenz Zuteilung der vorhandenen Ressourcen. Das derzeit vorherrschende Übertragungsverfahren, Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM), ist dafür nicht optimal geeignet. Es werden somit Modifikationen von OFDM notwendig, oder gänzlich neue Übertragungsverfahren müssen zum Einsatz kommen. In dieser Dissertation untersuche ich Filter Bank Multicarrier Modulation (FBMC), ein solch neues Übertragungsverfahren, und stelle es OFDM basierten Systemen gegenüber. Meine Untersuchungen basieren nicht nur auf theoretischen Überlegungen und Simulationen, sondern werden anhand realer Messungen validiert. Insbesondere zeige ich, dass viele Herausforderungen die üblicherweise mit FBMC assoziiert werden, vor allem in Bezug auf mehrere Antennen und Kanalschätzung, effizient gelöst werden können. Ich leite geschlossene Lösungen für das Signal-zu-Interferenz Verhältnis her und zeige, dass in den meisten Fällen eine einfache, symbolweise, Multiplikation ausreicht, um einen Zeit- und Frequenz-Selektiven Kanal zu entzerren. Für die seltenen Fälle wo dies nicht möglich ist, entwickle ich neue Schätzverfahren und Entzerrungsmethoden. Im letzten Kapitel präsentiere ich eine Erweiterung von FBMC welche Daten mithilfe einer modifizierten diskreten Fourier-Transformation spreizt, bevor sie übertragen werden. Diese neue Methode weist einen reduzierten Scheitelfaktor auf, erlaubt niedrige Latenzzeiten und besitzt eine hohe spektrale Effizienz.

Future wireless systems will be characterized by a large range of possible use cases. This requires a flexible allocation of the available time-frequency resources, which is difficult in conventional Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM). Thus, modifications of OFDM, such as windowing or filtering, become necessary. Alternatively, one can employ a different modulation scheme, such as Filter Bank Multicarrier Modulation (FBMC). In this thesis, I provide a unifying framework, discussion and performance evaluation of FBMC and compare it to OFDM based schemes. My investigations are not only based on simulations, but are substantiated by real-world testbed measurements and trials, where I show that multiple antennas and channel estimation, two of the main challenges associated with FBMC, can be efficiently dealt with. Additionally, I derive closed-form solutions for the signal-to-interference ratio in doubly-selective channels and show that in many practical cases, one-tap equalizers are sufficient. For the rare cases where this is not true, I propose enhanced methods to deal with such harsh environments, including channel estimation and equalization. Finally, on top of a conventional FBMC system, I develop a novel precoding method based on a pruned Discrete Fourier Transform (DFT) in combination with one-tap scaling. This scheme offers a low peak-to-average power ratio, enables low latency transmissions and has a high spectral efficiency.