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Abstrakt in Englisch

The extension of cellular communication standards with multiple transmit and receive antennas is constantly crossing new technological frontiers from point-to-point towards spatially distributed communication links. This thesis investigates a coordinated multi-point transmission system in the downlink to overcome the limitations from spatial interference observed by several terminals. It will be shown that especially cell-edge users profit from the joint-transmission amongst the base stations if the cellular network operates on the same carrier frequency. The central results are gained from field trials within a cellular testbed where different spatial configurations are compared to interference limited systems in terms of the spectral efficiency. At first, the system model of OFDM is introduced and the implications of distributed radio channel links especially onto the synchronization mechanisms are emphasized. Then, the model for the spatial transmission system is outlined where also the performance of precoding algorithms is related to spatial channel parameters. This derives the connection to the field trial experiments. The second part concentrates on the measurement campaigns. Implementation details are presented for the transmit Wiener filter as an order-recursive precoding algorithm. It provides a low-complex solution and enables spatial configurations from multiple transmission streams over several terminals down to the single-user case. Then, the entire measurement system and experiments are portrayed including a comparison to the downlink of 3GPP LTE Rel. 8 as reference technology. But also the shortcomings of the prototyping hardware are illustrated which restrict the closed-loop real-time experiments to intra-site measurements. The results within this thesis are gained by a two-fold approach: It is shown that data-rates over multiple modulation and coding schemes match to observed post-equalization signal-to-interference-and-noise ratios and enable the prediction of SINRs solely based on physical channel coefficients. Further field trials gathered physical channel coefficients to anticipate the spectral efficiency at the cell-edge. From these field trials, a spectral efficiency gain by base station cooperation at the cell-edges of at least 100 % could be observed, but also the relative cell-edge size must be considered. The results confirm the trade-off between the amount of spatial streams to the interference of multiple users and additional streams especially under line-of-sight conditions. Furthermore, an observation is made that the transmission concepts without full cooperation are valuable alternatives only if the cell-edge will not be considered. Then, the achieved performance gains may not justify the large implementation and signaling overhead of the realized precoding scheme. Although the system achieved homogenous performance results over the entire cell, appropriate scenarios with precise synchronization and finegranular channel knowledge are required.

Abstrakt in Deutsch

Mit der stetigen Erweiterung zellularer Mobilfunknetze werden punkt-zu-punkt Mehrantennensysteme zu räumlich verteilten und koordinierten Kommunikationssystemen gewandelt. Die vorliegende Arbeit untersucht die Mehrpunktkommunikation experimentell mit dem Ziel, die räumliche Interferenz zwischen Mobilfunkteilnehmern anhand der Abwärtsstrecke zu begrenzen. Es wird dargelegt, dass insbesondere die Teilnehmer am Zellrand von einer gemeinsamen Sendestrategie zwischen Basisstationen profitieren, wenn das zellulare Netzwerk dieselbe Trägerfrequenz verwendet. Die Hauptergebnisse dieser Arbeit wurden durch Übertragungsexperimente in einem Testbett gewonnen, in denen die spektralen Effizienzen verschiedener Antennenkonfigurationen verglichen werden, die auch interferenzbegrenzte Systeme umfassen. Der erste Teil der Arbeit betrachtet das OFDM Systemmodel und beschreibt die Synchronisation unter verteilten Ausbreitungskanälen. Im Anschluss wird das Mehrantennensystemmodel vorgestellt, anhand dessen das Verhalten einiger Vorentzerrungsalgorithmen im Zusammenhang verschiedener Ausbreitungsbedingungen erläutert wird, um das Verständnis zu den Experimenten herzustellen. Der zweite Teil konzentriert sich auf die Messkampagnen. Hierzu werden die Implementierungsdetails des Wiener Sendefilters als ordnungsrekursiven Vorentzerrungsalgorithmus beschrieben. Dieser bietet eine einfache technische Realisierung und ermöglicht das Umschalten zwischen verschiedenen Antennenkonfigurationen sowie mehreren Datenströmen über verschiedene Teilnehmer. Danach wird das Messsystem wie auch -vorgehen erläutert und von der 3GPP LTE Rel. 8 Referenz abgegrenzt. Hierbei wird auch auf die technischen Defizite des Prototyps eingegangen. Die Echtzeitexperimente mit rückgeführten Kanalkoeffizienten sind auf die Durchführung innerhalb eines Standortes beschränkt, wobei die Signalverarbeitung in mehreren Basisstationen getrennt erfolgt. Die Ergebnisse dieser Arbeit wurden auf zwei Arten gewonnen: Zunächst erfolgte ein Abgleich gemessener Datenraten unter verschiedenen Modulations- und Kodierschemata zu beobachteten Signal-zu-Interferenz-und-Rauschverhältnissen. Das ermöglicht die Prädiktion von Messergebnissen basierend auf physikalischen Kanalkoeffizienten. Während weiteren Messfahrten wurden diese Koeffizienten dann großflächig bestimmt, um spektrale Effizienzen in Zellrandszenarien zu erhalten. Es konnte ein Gewinn an spektraler Effizienz von mehr als 100 % an Zellrändern erzielt werden, wobei zusätzlich der Anteil des Zellrandes an der Gesamtfläche zu berücksichtigen ist. Die Ergebnisse bestätigen den Kompromiss zwischen der Anzahl der verwendeten Datenströme und der räumlichen Mehrnutzerinterferenz, weil die Ausbreitungsbedingungen häufig eine Sichtverbindung zwischen Sendern und Empfängern aufwiesen. Außerdem stellen die Verfahren ohne volle Kooperation einen guten technischen Kompromiss dar, wenn die Ergebnisse auf die gesamte Zellfläche bezogen werden. Die Verfahren ohne volle Kooperation einen guten technischen Kompromiss nur dar, wenn die Ergebnisse nicht auf die gesamte Zellfläche bezogen werden. Dann rechtfertigen die erreichten Datenraten mitunter nicht den zusätzlichen Implementierungsaufwand und die Signalisierung für den verwendeten Vorentzerrungsalgorithmus. Das Messsystem erreicht eine homogene Verteilung der Datenraten innerhalb der Zelle. Aber das Übertraungsverfahren beschränkt sich auf ausgewählte Nutzungsszenarien und bedingt eine präzise Synchronisation mit feingranularer Kanalkenntnis.