Details
| Autor: | Marco Krondorf |
| Titel: | Analytical Methods for Multicarrier Performance Evaluation |
| Typ: | Dissertation |
| Fachgebiet: | Informationstechnik |
| Reihe: | Mobile Nachrichtenübertragung, Nr.: 45 |
| Auflage: | 1 |
| Sprache: | Englisch |
| Erscheinungsdatum: | August 2010 |
| Lieferstatus: | Lieferbar |
| Umfang: | 159 Seiten |
| Bindung: | Soft |
| Preis: | 49,00 EUR |
| ISBN: | 9783938860229 |
| Umschlag: | (vorn) |
| Inhaltsverzeichnis: | (pdf) |
Abstrakt in Englisch
This thesis extends state of the art OFDM link and system level performance evaluation methods, motivated by the practical relevance of the OFDM concept. The enormous system parameter space of practical OFDM implementations necessitates the development of evaluation methods which are mainly based on analytical or numerical calculations instead of time consuming Monte Carlo simulations. The investigated methods include the simultaneous effect of various transceiver impairments - so called Dirty RF effects, where the presented framework goes beyond the state of the art in OFDM performance analysis where such impairments are typically treated separately. Special focus is set on effects originating from user mobility and on the impact of the system’s carrier frequency - two parameters which are shown in this thesis to greatly affect the global system performance. The thesis introduces OFDM principles and explains the essential building blocks and baseband algorithms of an OFDM transceiver chain. In this respect, an equivalent OFDM baseband signal model is developed which accounts for the simultaneous effects of the men- tioned impairments. Subsequently, OFDM performance metrics are detailed and the mobile channel model is presented where it is shown that the entire OFDM Tx-Rx chain can be described by means of a conditional probability density function (PDF). This conditional PDF can finally be used for performance metric computations, leading to bit error rate and spectral effciency evaluation results.
Moreover, the thesis explains how to derive the conditional PDF for a variety of OFDM link setups. As an interesting result, the conditional PDF for various multi-antenna concepts has a common structure where the diversity degree directly affects the PDF. At the same time, the PDF is shown to be highly dependent on the channel estimation scheme and the OFDM pilot structure. In this respect, the performance loss due to outdated channel state information (CSI) at the receiver side is analytically evaluated and exhibits a strong impact on the overall system performance. Typically outdated CSI originates from imperfect CSI tracking in time- varying channels. The tracking accuracy is typically quantified as cross-correlation coe±cient of the instantaneous channel and the CSI used for OFDM signal equalization. Here, a crosscorrelation of one means perfect tracking. The thesis shows that even slightest decorrelations away from one introduce significant performance losses which tend to overwhelm those losses originating from Dirty RF.
As a major outcome, the results clearly indicate a distinction between carrier frequency dependent and non-dependent impairments. Here, phase noise and outdated CSI are identified as frequency dependent which offers interesting study items when extending the link level performance evaluation framework toward system level studies. The latter is done in this thesis for a LTE-based cellular infrastructure where the carrier frequency dependent spectral effciency is calculated for different user mobility profiles and system specifications.
The numerical results indicate the notion of a best suited carrier frequency in terms of spectral effciency maximization for a given user mobility. At the same time, the results hint the necessity of flexible spectrum allocation schemes as enablers of further growth in the wireless communications sector.
Abstrakt in Deutsch
Die vorliegende Arbeit behandelt die Thematik der numerischen Leistungsfähigkeitsbewertung von OFDM Systemen, wobei Methoden nach dem Stand der Technik erweitert bzw. neue Berechnungsverfahren entwickelt wurden. Bei dem vorgestellten Framework geht es im Kern darum, OFDM-Verbindungen hinsichtlich ihrer Übertragungskapazität zu untersuchen, wenn eine Reihe praktischer Störeinflüsse das System beeinflussen. Die einwickelten Berechnungsverfahren sind dabei vielseitig anwendbar und berücksichtigen eine Reihe gleichzeitig wirksamer Störeinflusse wie:
- restlicher Trägerfrequenzversatz nach imperfekter Synchronisation
- Kanalschätzfehler unter Berücksichtigung verschiedener Pilotsignalanordnungen und Kanalschätzalgorithmen
- I/Q Imbalance, Phasenrauschen, sendeseitige PA-Nichtlinearität, begrenzte ADC Auflösung
- Nutzermobilität und ungenaues empfangsseitiges Nachführen der Kanalinformation
Der Hauptteil der Arbeit beschreibt die mathematischen Grundlagen des Frameworks für SISO, MISO & SIMO OFDM Verbindungen und Untersucht das Systemverhalten im Falle verschiedener Störeinflüsse. Besonders ist dabei der Effekt nicht perfekt nachgeführter Kanalinformation herauszuheben, welcher bei hinreichend hoher Nutzermobilität bedeutende Performanceeinbrüche mit sich bringen kann. Diese Aussage erscheinen auf den ersten Blick als schon oft untersucht bzw. trivial, allerdings steckt hier der Neuigkeitswert in der stochastischen Signalbeschreibung welche hochgenaue Performanceanalysen zulässt. Die numerischen Verfahren zur Berechnung relevanter OFDM Leistungskenngrößen basieren dabei auf geeignet formulierten OFDM-Basisbandsignalmodellen und deren stochastischer Modellierung mittels einer Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion. Im Rahmen der Arbeit wird gezeigt, dass sich eine Vielzahl von OFDM-Mehrantennenkonfigurationen durch die gleiche parametrisierte Dichtefunktion beschreiben lassen, welche direkt vom Diversitätsgrad des Systems abhängt.
Das so entstandene Link-Level Framework kann, sofern entsprechend konfiguriert, nun in System-Level Simulationen eingesetzt werden, um das makroskopische Verhalten OFDM basierter Funkzugangsnetze zu untersuchen. Dabei liefert das Framework die Spektrale Effizienz bzw. die Spektrale Effizienz pro versorgter Fläche als relevante Leistungskenngrößen. Dementsprechend werden die entwickelten Berechnungsverfahren im letzten Teil der Arbeit auf ein zellulares LTE-Mobilfunksystem angewendet. In den gezeigten Untersuchungen wird dabei die Trägerfrequenz- sowie die Nutzermobilitätsproblematik in den Vordergrund gestellt. Die numerischen Berechnungen zeigen eine deutliche Abhängigkeit der spektralen Effizienz von zwei Systemparametern: (1) der Trägerfrequenz sowie (2) der Mobilität der Mobilfunknutzer. Weiterhin zeigt die Arbeit, wie sich verschiedene Techniken der Kapa- zitätssteigerungen auf das zellulare Funkzugangsnetz auswirken. Herausgehoben sie hierbei der geteilte Frequenzwiederholfaktor (engl. fractional frequency reuse - FFR) welcher durch trägerfrequenzabhängige Parametrisierung die spektrale Effizienz deutlich beeinflusst.