Real Time Signal Processing for Multi-Antenna Systems and experimental Verification on a reconfigurable Hardware Test-bed (2006)

In Mobilfunksystemen der dritten und vierten Generation werden Mehrantennensysteme eingesetzt, um die Leistungsfähigkeit der Systeme, ihre spektrale Effizienz sowie die Zuverlässigkeit der Funk-verbindung zu verbessern. Aus der Informationstheorie ist bekannt, daß die Kanalkapazität von Mehrantennensystemen linear mit der Anzahl der verwendeten Sende- und Empfangsantennen ansteigen kann. Wichtige Kenngrößen zur Systemcha-rakterisierung sind z.B. die Kanalkapazität und der mittlere quadratische Fehler. Beide Kenngrößen hängen von den Eigenschaften des Mehrantennen-Funkkanals sowie vom Umfang und der Art der verfügbaren Kanalinfor-mation am Sender und Empfänger. In der vorliegenden Arbeit werden optimale Übertragungsverfahren für Einnutzer- und Mehrnutzer- Mehranten-nen-Systeme (MIMO) hergeleitet, jeweils abhängig von der vorhandenen Kanalkenntnis. Hierzu wird der Sum-men-MSE als Optimierungskriterium herangezogen. Die sich daraus ergebenden Resultate weichen erwartungs-gemäß von denen für die ergodische Kapazität ab. Für das MIMO-Einnutzerszenario mit perfekter Kanalkennt-nis am Empfänger und keiner oder ebenfalls perfekter Kanalkenntnis am Sender wird die optimale Übertra-gungsstrategie hergeleitet. Des weiteren leiten wir die optimale Sendestrategie für den Mehrnutzer-Zugriffskanal mit jeweils einer Antenne pro Mobilterminal und mehreren Antennen an der Basisstation her. Wir untersuchen das funktionale Verhalten der zu maximierenden Summenrate unter Anwendung der SNR-Gap-Approximation. Um einen Übergang von der etablierten Theorie zu Implementierungen auf echten Systemen zu ermöglichen, werden einige grundsätzliche und durch die Praxis motivierte Betrachtungen für Mehrantennensysteme vorge-nommen. Hier betrachten wir insbesondere die Anzahl und Art der verwendeten Antennen auf jeder Seite der Übertragungsstrecke. Wir untersuchen die Auswirkung von Sichtverbindungen im Funkkanal auf systemrelevan-te Parameter, wie den Rang des Übertragungskanals, die Kapazität und die erreichbare Bitfehlerrate. Der MIMO Broadcast-Kanal als duales Äquivalent des MIMO-Vielfachzugriffskanals wird für eine Mehranten-nenbasisstation und verteilte Mobilterminals mit jeweils einer Antenne betrachtet. Bei ausreichender Kanal-kenntnis an der Basisstation können räumliche Vorcodiertechniken eingesetzt werden. Wir vergleichen verschie-dene lineare und nicht-lineare Vorcodierverfahren. In der Praxis kommt es häufig zu Performanzdegradation, z.B. durch Kanalschätzfehler, eine begrenzte Sende-dynamik oder durch Gleichkanalinterferenzen. Wir untersuchen die Auswirkungen verschiedener Ursachen und entwickeln Lösungsvorschläge zur Beseitigung bzw. Begrenzung. Die Verwendung kanalangepaßter Übertragungsverfahren ist eine Schlüsseltechnik zur Erreichung eines optima-len Datendurchsatzes. Hierzu wird die Datenübertragung an die aktuelle Güte des Funkkanals angepaßt, so daß z.B. eine Übertragung in schlechten Kanälen vermieden werden kann. Wir erweitern das dazu verwendete adap-tive Bitladeverfahren um Mehrnutzer-Scheduling-Algorithmen. In einem schichtübergreifenden Ansatz werden sowohl die aktuellen Kanalzustände aller Nutzer als auch Übertragungsgüteanforderungen der einzelnen Nutzer berücksichtigt. Dieser Ansatz ermöglicht einen hohen Zelldurchsatz und eine hohe Systemstabilität bezüglich der Warteschlangen für jeden Nutzer. Eine Echtzeitimplementierung zeigt, daß eine Umsetzung bereits auf heutiger Hardware möglich ist. Eine wesentliche Voraussetzung für die Umsetzung der entwickelten MIMO-Übertragungstechniken ist eine sorgfältige Anforderungsanalyse und Algorithmenoptimierung der notwendigen Basisbandalgorithmen beson-ders bezüglich einer Abbildung auf die digitale Zielplattform Der letzte Teil der Arbeit ist den experimentellen Resultaten gewidmet, wo sich Theorie und Praxis treffen. Wir führen in die wesentlichen Übertragungsmodi des MIMO-Testbetts und die dazugehörigen relevanten System-parameter ein und berichten dann über die Experimente zu Antennendiversität und zum räumlichen Multiplexing. Wir vergleichen verschiedene Übertragungsverfahren bezüglich der gemessenen Bitfehlerrate und des erreichten Datendurchsatzes mit adaptivem Bitladen unter Verwendung von linearen und nicht-linearen Detektionsverfah-ren. Des weiteren berichten wir über eine erste echtzeitfähige Implementierung von adaptiver Kanalinversion.