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Abstrakt in Englisch

This thesis investigates techniques of multi-user communication in asynchronous transmission systems. This mainly concerns asynchronisms in time and frequency which occur in cellular wireless communication systems where multiple base stations jointly serve clusters of users which transmit on same time and frequency resources. Based on a general timing analysis on system level it is shown that particularly for large inter-site distances the unavoidable time differences of arrival severely decrease the system performance. In order to provide an in-depth analysis of the occurring asynchronous interference power the conventional MIMO-OFDM transmission model in frequency domain is extended including the combined effects of time and frequency asynchronisms. In addition to spatial multi-user interference in such systems the receiver has also to cope with inter-carrier and inter-symbol interference. Therefore, the derived frequency domain transmission model is used to accurately describe the couplings among consecutive OFDM symbols and adjacent subcarriers.

Based on this analysis techniques of linear interference suppression as well as non-linear interference cancellation are proposed. All algorithms are examined in terms of their implementation complexity. It is shown that the specific structure of the asynchronous interference power distribution across the subcarriers can efficiently be exploited to reduce the implementation complexity of the suggested algorithms. In order to show if the predicted performance gains are also observable in practical measurements, at first estimation algorithms are derived for providing the required parameter knowledge. After investigating the algorithm performance with imperfect channel knowledge, results of practical measurements in a laboratory environment are discussed. With these measurements it is verified that the derived coupling models are applicable to real transmission channels as well as that the expected performance improvements of the asynchronous interference suppression and cancellation algorithms are also visible when using practical hardware systems.

Abstrakt in Deutsch

Die vorliegende Arbeit dient der Untersuchung von Techniken zur Mehrnutzerkommunikation in asynchronen Übertragungssystemen. Dies beinhaltet die auftretenden Effekte von Zeit- und Frequenz-Asynchronitäten, wie sie in zellularen drahtlosen Kommunikationssyste- men zu beobachten sind, in welchen mehrere Basisstationen gemeinsam Nutzer versorgen, welche dieselben Zeit- und Frequenzressourcen belegen. Basierend auf einer Analyse der auftretenden Zeitversätze in solchen Systemen, wird gezeigt, dass diese insbesondere bei großen Basisstationsabständen zu erheblichen Einbußen bezüglich der Systemleistung führen. Um eine Untersuchung der zu erwartenden Interferenzleistungen zu ermöglichen, wird ein MIMO- OFDM Übertragungsmodell in der Frequenzdomäne abgeleitet, welches die Effekte der Zeit- und Frequenz-Asynchronitäten entsprechend abbildet. Zusätzlich zur räumlichen Mehrnutzerinterferenz müssen nun im Empfänger ebenso Interträger- sowie Intersymbolinterferenz berücksichtigt werden. Hierbei dient das erweiterte Übertragungsmodell für die korrekte Beschreibung der Verkopplung von aufeinanderfolgenden OFDM Symbolen und benachbarten Unterträgern.

Basierend auf diesen Zusammenhängen werden Algorithmen für die lineare Interferenzunterdrückung sowie die nichtlineare Interferenzreduktion vorgeschlagen. Die spezifische Struktur der Verteilung der asynchronen Interferenzleistung über die Unterträger ist für eine effiziente Komplexitätsreduktion der untersuchten Algorithmen ausnutzbar. Um zu zeigen dass die Kompensationsalgorithmen auch in praktischen Systemen zu den gezeigten Gewinnen führen, werden Schätzalgorithmen abgeleitet, welche die benötigte Kanalkenntnis bereitstellen. Nach Unter- suchung der Leistungsfähigkeit der vorgeschlagenen Algorithmen mit imperfekter Kanalkenntnis, werden anschließend Resultate von praktischen Labormessungen diskutiert. Ziel dieser Messungen ist zu zeigen, dass die vorgestellten Kopplungsmodelle auch auf reale Übertragungskanäle anwendbar sind sowie dass die prädizierten Leistungsgewinne auch bei Nutzung herkömmlicher Übertragungstechnik den Beobachtungen entsprechen.