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Abstrakt in Englisch

The current annual growth rate of mobile traffic is about 70%. One important lever to cope with this demand is increasing spectral efficiency by deploying advanced network technologies. The spectral efficiency in cellular systems is limited by interference from neighboring cells. Inter-cell interference, in systems with independent base stations can only be avoided by increasing the distance at which the frequency is reused. As a result, scarce and expensive resources are wasted as frequency bands are not reused in every cell. Since inter-cell interference particularly impairs communications of users located at cell edges, it also prevents ubiquitous quality of service which to provide is another main objective of mobile operators. It has been known for quite some time that cooperation among base stations potentially provides a means to solve the interference problem. A very powerful form of cooperation is the joint application of multi-antenna techniques at multiple base stations (in the cellular uplink referred to as joint detection). The benefit of joint detection is backed by a lot of promising theoretic results. However, the models used in this research oversimplify the complex cell coupling and other challenges in the implementation, such as hardware impairments, synchronization, and reliable control signaling. Consequently, they cannot be used for a credible assessment of communications performance in realistic cellular networks. The major testing ground during the standardization of communications methods are sophisticated system level simulations which have, in the past, however, occasionally failed to meet their purpose of accurate performance assessment. Consequently, industry players are cautious about embracing innovations that require costly upgrades of the cellular infrastructure. In order to bring innovations into the communications standards, system complexity and performance need to be assessed under real-world conditions, and simulation studies have to be accompanied by field trials that prove the maturity of a concept and provide reference data. This thesis investigates the performance of uplink joint detection in a representative large scale testbed. To this end, a reference signal processing design for incorporating joint detection in the LTE uplink is implemented in a prototype system. Using this system, extensive multi-cell and multi-user field trials of joint detection show that spectral efficiency is increased by 50 – 70%, on average. Especially, the performance of cell-edge users is improved (by about 300%) which increases fairness and is a significant step towards ubiquitous quality of service. A comparison of simulation and field trial measurements shows that state-of-the-art models provide accurate prediction of wireless multi-cell propagation. These results prove the accuracy of system level simulations and provide a basis for enhancements of joint detection algorithms and cellular system design in general.

Abstrakt in Deutsch

Die Datenraten in Mobilfunknetzen steigen jährlich um ungefähr 70%. Ein wesentliches Mittel, um dieses Wachstum auch in Zukunft zu erhalten, ist die Steigerung der spektralen Effizienz durch den Einsatz innovativer Technologien. Die spektrale Effizienz in heutigen zellularer Netze ist grundsätzlich durch Interferenz begrenzt. In Systemen mit unabhängigen Basisstationen kann zellübergreifende Interferenz einzig verringert werden, indem der Abstand vergrößert wird, in dem Frequenzbänder wiederverwendet werden. Wird auf dieses Vorgehen und damit auf die Verschwendung begrenzter und teurer Frequenzressourcen verzichtet, dann verringert Interferenz vor allem die Übertragungsqualität von Nutzern, die sich an Zellgrenzen befinden. Eine vom Nutzerstandort unabhängige Verbindungsqualität ist allerdings ebenfalls ein wichtiges Kriterium, an Hand dessen Nutzer die Qualität eines Mobilfunknetzes bewerten. Es ist bekannt, dass sich das Interferenzproblem potentiell durch die Kooperation von Basisstationen lösen oder zumindest abmindern lässt. Eine leistungsstarke Art der Kooperation ist die gemeinsame Anwendung von Mehrantennentechniken an mehreren Basisstationen. Diese Methode wird in der zellularen Aufwärtsstrecke als gemeinsame Detektion bezeichnet. Der prinzipielle Nutzen gemeinsamer Detektion wurde bereits in vielen theoretischen Untersuchungen gezeigt. Diese Arbeiten basieren allerdings auf stark vereinfachten Annahmen bei der Modellierung des Übertragungskanals. Darüber hinaus vernachlässigen bisherige Arbeiten wichtige Herausforderungen, die sich aus der Implementierung in einem Gesamtsystem ergeben. Zu nennen sind hier Hardwarestörungen, die benötigte Synchronisation, und die Berücksichtigung der Kontrollsignalisierung. Daher können solche Ergebnisse nicht für eine zuverlässige Bewertung der Datenkommunikation in einem realistischen zellularen System herangezogen werden. Die wichtigste Plattform für den Test und die Bewertung von Kommunikationsverfahren, die im Rahmen der Standardisierung vorgenommen wird, sind Systemlevelsimulationen. Diese haben allerdings in der Vergangenheit ebenfalls gelegentlich zu teuren Fehlbewertungen geführt. Aus diesem Grund sind die Operatoren von Mobilfunknetzen sehr vorsichtig bezüglich der Einführung innovativer Techniken, die einen teuren Umbau ihrer Infrastruktur benötigen. Um Funkstandards um innovative Techniken zu erweitern, muss daher deren Beherrschbarkeit und Leistungsfähigkeit unter realen Bedingungen bewertet werden. Außerdem müssen Simulationsstudien von Feldversuchen begleitet werden, die den Reifegrad einer Technologie beweisen und Referenzergebnisse liefern. Diese Arbeit untersucht die realistische Leistungsfähigkeit gemeinsamer Detektion in der zellularen Aufwärtsstrecke. Zu diesem Zweck wurden umfangreiche Feldmessungen in einem repräsentativen Testsystem durchgeführt, das sowohl mehrere Funkzellen also auch mehrere Nutzer umfasst. Die so gewonnenen Messergebnisse zeigen, dass gemeinsame Detektion die spektrale Effizienz im Mittel um ungefähr 50 – 70% erhöht. Da besonders Nutzer, die sich an Zellgrenzen befinden, von gemeinsamer Detektion profitieren (um ca. 300% erhöhte spektrale Effizienz) ergibt sich eine wesentlich gesteigerte Qualität mobiler Anwendungen. Des Weiteren wurden die Messungen mit Systemlevelsimulationen verglichen. Der Vergleich zeigt, dass heutige Simulationsmodelle eine sehr genaue Übereinstimmung mit Feldmessungen erreichen. Dieses überzeugende Ergebnis ist zugleich eine wichtige Grundlage und Referenz für zukünftige Weiterentwicklungen von CoMP Algorithmen und das Design von Mobilfunknetzen im Allgemeinen.