Details

Abstrakt in Englisch

The requirements on throughput per area in cellular communications are steadily increasing due to the growing demand for multimedia applications. This challenge can basically be overcome by higher bandwidths, smaller cells as well as an increase in resource utilization, in terms of higher spectral efficiency. The first two approaches typically come with large financial investments due to the costs of rights to use radio frequencies, or the installation of additional base stations. An increase in spectral efficiency can be achieved by using new technologies. As of today, multi-antenna systems lead to significant gains in the performance of mobile communication networks. In this regard, spatial degrees of freedom can be exploited by shaping interference beneficially and transmitting multiple data streams in parallel using the same radio resource. The original concept includes colocated antenna arrays in combination with spatial signal processing on transmitter and receiver side. The limited size of mobile devices makes it beneficial to extend the multi- antenna concept to point-to-multi-point applications, with distributed non-cooperative user equipments, by shifting the spatial signal processing to the base station side. The downlink direction is particularly challenging, since interference between multiple users needs to be processed jointly before transmission. This pre-processing (precoding) requires channel state information (CSI) at the base station site, which is made available via feedback in frequency division duplex systems. The extension to multi-point-to-multi- point systems is achieved by coupling the antennas of multiple base stations virtually to increase the number of data streams transmitted in parallel. This technique requires additional signal processing effort as well as an increased amount of user data and CSI exchanged between base stations. While theory provides significant gains for cooperative multi-cell transmission, the performance of practical systems suffers from impaired CSI due to, e.g., noisy pilot reception, quantization, and delays in feedback transmission and backhaul exchange. Although, backhaul latency can be reduced by replacing the infrastructure, large investments are required. This work provides an alternative approach which bears infrastructural imperfections by reducing the impact of impaired channel knowledge with robust signal processing. In this regard, a two-step approach is presented. First the quality of CSI is increased and second, advanced precoding techniques which exploit statistical side information of the channel uncertainty are introduced. A major aspect of this work pertains to techniques and requirements for distributed precoding, which has the potential to provide significant gains compared to centralized precoding.

Abstrakt in Deutsch

Der Bedarf an Datendurchsatz pro Fläche steigt in zellularen Mobilfunknetzen aufgrund wachsender Ansprüche an multimediale Anwendungen stetig. Diese Herausforderung kann durch mehr Bandbreite, kleinere Mobilfunkzellen sowie einer höheren spektralen Effizienz bewältigt werden. Die ersten beiden Ansätze sind in der Regel mit erheblichen finanziellen Aufwendungen durch den Erwerb von Frequenznutzungsrechten oder der Installation neuer Basisstationen verbunden. Die Erhöhung der spektralen Effizienz kann durch den Einsatz von Mehrantennensystemen erfolgen, welche bereits heute für deutliche Leistungsgewinne in mobilen Funkstandards sorgen. Hierbei können räumliche Freiheitsgrade ausgenutzt werden um Interferenz gewinnbringend zu verformen und mehrerer Datenströme auf der selben Funkressource parallel zu übertragen. Das ursprüngliche Konzept beinhaltet lokale Antennenfelder sowie räumliche Signalverarbeitung auf Sende- und Empfangsseite. Durch die begrenzte Größe mobiler Endgeräte ist es vorteilhaft das Konzept auf Punkt-zu-Mehrpunkt Anwendungen mit nicht kooperierenden Empfängern zu erweitern. Dabei muss die räumliche Signalverarbeitung auf die Basisstationsseite verschoben werden. Die Abwärtsstrecke ist besonders herausfordernd, da Interferenz zwischen Nutzern gemeinsam vor der Übertragung verarbeitet werden muss. Diese Vorverarbeitung (Vorverzerrung) benötigt Kanalzustandsinformationen (CSI) auf basisstationsseite, welche durch Feedback verfügbar gemacht wird. Die Erweiterung zu Mehrpunkt-zu-Mehrpunkt Systemen wird durch die virtuelle Kopplung der Antennen mehrerer Basisstationen erreicht, wodurch die Anzahl an parallel übertragenen Datenströmen gesteigert werden kann. Diese Technik erfordert neben zusätzlichem Signalverarbeitungsaufwand einen erhöhten Austausch von Nutzerdaten und CSI zwischen den Basisstationen. Während theoretisch hohe Gewinne durch kooperative Übertragung möglich sind, werden praktische Systeme durch Störungen des CSI beeinträchtigt, welche z.B. durch verrauschten Pilotsignale, Quantisierungs- und Verzögerungseffekte bei Feedback- und Backhaul-Übertragung verursacht werden. Zwar können Backhaul-Latenzen durch Infrastrukturerneuerungen verringert werden, dafür sind jedoch hohe Investitionen erforderlich. Diese Arbeit stellt einen alternativen Ansatz vor, welcher die Eigenschaften der Infrastruktur akzeptiert und den Einfluss nicht-perfekter Kanalkenntnis durch robuste Signalverarbeitung mindert. Es wird ein Zweistufenansatz präsentiert, bei dem zunächst die Qualität der Kanalinformation verbessert wird und anschließend robuste Vorverzerrungstechniken eingeführt werden, welche statistische Seiteninformationen über die Kanalunsicherheit ausnutzen. Ein wesentlicher Aspekt dieser Arbeit bezieht sich auf Techniken für verteilte Vorverzerrung, welche gegenüber zentralisierter Verarbeitung deutliche Gewinne aufweist.