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Abstrakt in Englisch

In today’s scenario, radio spectrum is becoming scarce, and the intelligent use of the available spectrum by cognitive radio (CR) has become an important aspect of research in wireless communication. To cope with this huge demand for spectrum, regulatory bodies (such as FCC in the USA, BNetzA in Germany, and Ofcom in the UK) have recently opened up licensed spectrum for secondary unlicensed access. Unlicensed access in licensed bands should not create interference to incumbent users, and hence, new physical layer (PHY) designs and waveforms are being researched, which can fill in the TV white spaces (TVWS) in an opportunistic manner. One of the strict specifications for CR physical layer modulation design is that the opportunistic signal should have extremely low out-of-band radiation, so that incumbent signals are not disturbed, and co-existence is assured. Moreover, to cope with spectrum fragmentation, the receiver should be able to aggregate several TV white spaces (TVWS) by a single wide band signal. Hence, innovative waveform design with a new multicarrier modulation capable of interference mitigation has emerged as a very important topic of research. The multiband Generalized Frequency Division Multiplexing (GFDM) is a new idea for designing a multicarrier PHY. GFDM is block based multicarrier transmission scheme derived from filter bank approach where the transmit data of each block is distributed in time and frequency and each subcarrier is pulse shaped with an adjustable pulse shaping filter. GFDM is well suited for cognitive radio, as the choice of pulse shaping filters makes the out-of-band leakage extremely small. Compared to OFDM, which has rectangular pulse shaping, GFDM with a choice of transmit pulse shaping, causes lesser interference to the adjacent incumbent frequency bands. The thesis introduces the concept of GFDM and extends it towards cognitive radio applications. The basic GFDM transceiver chain is described in detail along with all its intricacies. The thesis analyses the adjacent channel leakage ratio of GFDM and compares them with traditional OFDM and other new waveforms like filter bank multi-carrier (FBMC) and interference avoidance partition frequency technique (IAPFT). The thesis studies the effects of different pulse shaping filters, like raised cosine and root raised cosine filters, to out of band leakage, and also, to the bit error rate performance. The thesis studies the adjacent channel leakage ratio (ACLR) of GFDM and introduces the concept of cancellation carrier insertion to GFDM. This method reduces the out of band leakage to match that of FBMC. In a cognitive radio application, sensing the opportunistic signal is extremely important. Towards this, the thesis studies the sensing performance of GFDM. Along with theoretical analysis, simulation methods are explained and numerical studies have been performed. The thesis also introduces the idea of sensing opportunistic signals with GFDM sharper filters with a significant gain in performance. Along with sensing, feature detection of an opportunistic signal is also an interesting and invigorating study. The thesis details the study of cyclostationary properties of GFDM and identifies new correlative properties in the GFDM signals which give rise to additional cyclostationary peaks in the cyclostationary autocorrelation function. The thesis uses these additional peaks of correlative informations to improve the detection performance of a GFDM signal compared to OFDM. The concept of GFDM data block and flexible pulse shaping filters to reduce the ACLR, however, introduces severe non-orthogonality between the subcarriers. This in-turn produces self interference which degrades the bit error rate (BER) performance of the GFDM system. The thesis implements a successive interference cancellation scheme which cancels out the self interference and matches the GFDM performance to theoretical studies and that of OFDM. The thesis also describes an experimental testbed for GFDM as a cognitive radio waveform in a 4G LTE cellular whitespace. The GFDM waveform is transmitted with SIGNALION SDR testbed, and interference to the legacy LTE signal is calculated. Apart from which, a sensor, which proves the spectral efficiency of sharper GFDM waveform compared to traditional OFDM, has also been implemented. The prototype implementation proves the validity of GFDM as a suitable candidate for CR access beyond doubt. As a major outcome, the results clearly indicate the suitability of GFDM as an opportunistic waveform for application in fragmented TVWS cognitive radio environments. The thesis studies the applicability of GFDM in cognitive radio not only in respect to its out of band leakage but also to its robust sensing performance. The new results of low ACLR in GFDM and improved sensing performance for GFDM makes it very suitable for CR applications. Additional correlative properties found in its cyclostationary autocorrelative functions improves its detection performance and also hints at ease of synchronization of GFDM in this direction. The results from the thesis highlights the overall applicability and suitability of GFDM as a next generation flexible waveform for cognitive radio application in fragmented spectrum scenarios.

Abstrakt in Deutsch

In heutigen Mobilfunkanwendungen ist Bandbreite eine knappe Resource und die intelligente Nutzung des verfügbaren Spektrums durch Cognitive Radio (CR) Systeme ist zu einem bedeutenden Aspekt der Erforschung drahtloser Kommunikation geworden. Um den hohen Bandbreitnanforderungen nachzukommen, haben Regulierungsbehörden (z.B. FCC in den USA, BNetzA in Deutschland und Ofcom in Großbritannien) seit Kurzem für Mobilfunk lizensierte Frequenzen für eine weitere Nutzung durch unlizensierten Zugriff freigegeben. Unlizensierter Zugriff in lizensierten Frequenzbändern sollte keine Interferenz für die existierenden Nutzer erzeugen, wodurch ein neuer Entwurf der physikalischen Schicht (PHY) samt Wellenform zu einem Forschungsschwerpunkt geworden ist, insbesondere um TV White Spaces (TVWS) in geeigneter Weise zu nutzen. Eines der strengsten Kriterien des CR-Modulationsentwurfs ist eine extrem niedrige Außerband- strahlung, so dass existierende Signale nicht gestört werden und gleichzeitiges Bestehen von ursprünglichen und opportunistischen Signalen sichergestellt wird. Um mit der Fragmentierung des Spekturms umgehen zu können sollte der Empfänger in der Lage sein, mehrere TVWS in ein einziges Breitbandsignal zusammenzufügen. Dabei hat sich ein innovativer Wellenformentwurf mit einer neuartigen interferenzunterdrückenden Mehrträgermodulation als ein bedeut- sames Forschungsfeld herausgestellt. Generalized Frequency Division Multiplexing (GFDM) ist eine neue Idee für den Entwurf eines Mehrträger-PHY. GFDM ist ein blockbasiertes Mehrträgerübertragungsschema, das vom Filterbankansatz abgeleitet wurde. Bei diesem Schema sind die übertragenen Daten eines jeden Blocks in Zeit und Frequenz verteilt und jeder Unterträger wird mit einem veränderlichen Pulsformungsfilter gebildet. GFDM ist gut geeignet für CR, da die geeignete Wahl der Pulsformungsfilter die Außerbandstahlung extrem gering halten kann. Verglichen mit Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM), welches Rechteckpulsformung verwendet, verursacht GFDM mit der Wahl der Pulsformung weniger Interferenz für bestehende Frequenzbänder. Diese Dissertation führt das Konzept von GFDM ein und erweitert es auf CR Anwendungen. Die grundlegende GFDM Übertragungsstrecke wird in ihren Feinheiten detailliert beschrieben. Diese Arbeit analysiert das Nachbarkanalstörungsverhältnis (Adjacent Carrier Leakage Ratio - ACLR) von GFDM und vergleicht es mit traditionellem OFDM und anderen Wellenformkonzepten wie Filter Bank Multi-Carrier (FBMC) und Interference Avoidance Partition Frequency Technique (IAPFT). Es wird der Effekt von verschiedenen Pulsformungsfiltern wie Raised Cosine und Root Raised Cosine auf die Außerbandstrahlung und die Bitfehlerrate untersucht. Neben der Analyse des ACLR von GFDM wird in dieser Dissertation das Konzept des Cancelation-Carrier-Einschubs für GFDM vorgestellt, welches die Außerbandstrahlung auf den Wert von FBMC reduziert. In einer CR Anwendung ist es sehr wichtig, das opportunistische Signal aufzuspüren (Sensing). Dementsprechend wird in dieser Arbeit die Sensing-Leistungsfähigkeit für GFDM untersucht. Neben theoretischen Analysen werden Simulationsmethoden erklärt und numerische Untersuchungen durchgeführt. Weiterhin wird die Idee, opportunistische Signale mit schärferen GFDM Filtern aufzuspüren präsentiert, wodurch ein bedeutender Gewinn an Leistungsfähigkeit erzielt wird. Neben Sensing ist die Merkmalsdetektion eines opportunistischen Signals ebenfalls eine interessante und vielversprechende Studie. Diese Arbeit beschreibt die Untersuchung zyklostationärer Eigenschaften von GFDM und identifiziert neue übereinstimmende Merkmale von GFDM Signalen, welche zusätzliche Maxima der zyklostationären Autokorrelationsfunktion hervorrufen. Diese Maxima übereinstimmender Informationen werden in dieser Arbeit verwendet, um die Leistungsfähigkeit der Detektion eines GFDM Signals im Vergleich zu einem OFDM Signal zu verbessern. Das Konzept von GFDM Datenblöcken und flexiblen Pulsformungsfiltern zur Reduktion des ACLRs bringt jedoch starke Nichtorthogonalitäten zwischen Unterträgern mit sich. Dies verursacht Eigeninterferenz, welche die Bitfehlerrate eines GFDM Systems erhöht. In dieser Arbeit wird ein Successive Interference Cancelation Schema realisiert, welches die Eigeninterferenz beseitigt und die Leistungsfähigkeit von GFDM mit theoretischen Studien in Übereinstimmung bringt und somit an jene von OFDM anpasst. Die vorliegende Arbeit beschreibt einen Versuchsaufbau zur experimentellen Überprüfung ausgesuchter theoretischer Ergebnisse. GFDM wird dabei als sekundäres Cognitive Radio in einem 4G LTE System eingesetzt. Während LTE mithilfe dezidierter Hardware emuliert wird, kommt für GFDM eine flexible Software-Defined-Radio-Plattform zum Einsatz. Dieser Aufbau erlaubt es den Einfluss von GFDM bzw. OFDM auf ein primäres LTE - System zu untersuchen. Ein Spektrumanalysator zeigt die bessere spektrale Effizienz von GFDM gegenüber OFDM und bestätigt somit GFDM zweifelsfrei als geeigneten Kandidaten für CR-Zugang. Als wesentliches Resultat dieser Dissertation zeigen die Ergebnisse eindeutig die Tauglichkeit von GFDM als opportunistische Wellenform für Anwendungen in fragmentierten TVWS-CR-Umgebungen. Die Arbeit untersucht nicht nur die Anwendbarkeit von GFDM bezüglich Außer- bandstrahlung sondern auch hinsichtlich seiner robusten Sensing-Leistungsfähigkeit. Die neuen Ergebnisse von geringem ALCR für GFDM und der verbesserten Sensing-Leistungsfähigkeit untermauert die Eignung von GFDM für CR Anwendungen. Zusätzliche übereinstimmende Merkmale, welche in der zyklostationären Autokorrelationsfunktion gefunden wurden, verbessern die Detektionsleistungsfähigkeit und weisen auf eine mögliche Vereinfachung der Synchronisierung für GFDM hin. Die Ergebnisse dieser Dissertation unterstreichen die allumfassende Anwendbarkeit von GFDM als die Wellenform der nächsten Generation für CR Anwendungen in Szenarien mit fragmentiertem Spektrum.