Zusammenfassung

Ziel des Projektes ist die Einbeziehung verschiedener Einflüsse in die Optimierung adaptiver Verfahren für Mehrnutzer-Mehrantennen Systeme. Einerseits zielt dies auf Kanalkodierungsverfahren ab, die in der Literatur häufig unberücksichtigt bleiben, zum anderen sollen Einflüsse fehlerhafter Kenntnis des Übertragungskanals berücksichtigt werden. Dabei sind Schätzfehler, aber auch Verzögerungen bei der Bereitstellung dieser Information sowie Quantisierungsfehler zu beachten. Ein Kernpunkt des Forschungsvorhaben ist dabei die Entwicklung von geeigneten Optimierungsmetriken, die eine Berücksichtigung der genannten Einflüsse erlauben.

Einleitung

Die unter dem Stichwort Long Term Evolution (LTE) derzeit anlaufende Standardisierung stellt den nächsten Schritt in der Entwicklung moderner zellularer Mobilfunksysteme dar. Die wachsenden Anforderungen mobiler Nutzung erfordern eine grundlegende Weiterentwicklung der Funkschnittstelle unter der Ausnutzung modernster Technologien. Aus diesem Grund wurde für den Downlink (Übertragung von der Basisstation zu mobilen Endgeräten) das Zugriffsverfahren OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) in Kombination mit mehreren Sende- und Empfangsantennen (Multiple Input Multiple Output, MIMO) gewählt, was in hohes Maß an Flexibilität bei der Bedienung unterschiedlicher Nutzer bietet. Dabei gewinnen Adaptive Konzepte und Ideen für hocheffiziente Mobilfunksysteme Wichtigkeit, da weitere Effizienzsteigerungen gegenüber bisherigen Systemen in Zukunft stark von der Anpassungsfähigkeit des Mobilfunksystems an die verschiedenen Umgebungsbedingungen (Qualität der Übertragung, Anforderungen durch Dienste, Mobilität der Nutzer) abhängen werden. Auch die Möglichkeit, mobile Endgeräte durch eine zentrale Datenverarbeitung an der Basisstation einfacher und damit kostengünstiger oder mit längeren Betriebszeiten durch geringeren Strombedarf aufbauen zu können, stellt einen der attraktiven Aspekte von „Adaptivität“ dar. Ziel des vorliegenden Forschungsvorhabens ist es, Adaptive Konzepte zu entwickeln, zu analysieren und zu erproben. Die Systemannahmen des Downlinks von Long Term Evolution dienen hierbei als Beispielszenario. Ausgehend von den informationstheoretischen Lösungen über Simulationen bis hin zur Evaluation mittels einer vorhandenen Demonstratorhardware soll ein umfassender Überblick über die Realisierbarkeit und den Nutzen einzelner Verfahren entwickelt werden. Die anlaufende Standardisierung von LTE geht von Adaptiven Verfahren für das zukünftige Mobilfunksystem aus, viele wichtige Aspekte sind jedoch noch ungeklärt. So ist die Optimierung Adaptiver Verfahren unter Berücksichtigung der Kanalcodierung noch weitgehend offen. Ein Fokus dieses Vorhabens besteht daher in der Untersuchung von Link Adaptation (z.B. Bit- und Powerloading) für OFDMA im Downlink mit Kanalcodierung unter Berücksichtigung der durch die Nutzung mehrere Antennen zusätzlich eingebrachten Freiheitsgrade. Darüber hinaus ist es nötig die Robustheit möglicher Verfahren gegenüber nicht perfekter Kanalkenntnis am Sender (veraltete Information, Schätzfehler, Quantisierung) systematisch zu untersuchen.

Imperfekte Kanalkenntnis

Die vielfältigen Ansätze zur Nutzung von Kanalkenntnis am Sender, von Bit- und Leistungsanpassungen über lineare Verfahren bis hin zu nichtlinearen Precodern reichen, setzen zumeist eine perfekte Kenntnis des Übertragungskanals voraus. Gemeinhin kann aber nicht von einer fehlerfreien Kenntnis ausgegangen werden, da verschiedene Fehlereinflüsse zu berücksichtigen sind. Unter der Annahme, dass eine Kanalkenntnis am Sender stets ein Feedback des Empfängers über den Kanalzustand benötigt, sind im wesentlichen drei Faktoren zu berücksichtigen. Zum einen muss Wissen über den Übertragungskanal erst durch eine Schätzung erlangt werden, zum anderen verlangt die Übertragung zum Sender eine geeignete Beschränkung der Rate des Feedbacksignals, was durch eine Quantisierung erreicht werden kann. Zusätzlich dazu besteht abhängig von der Kohärenzzeit des Kanals das Problem, dass durch die Verzögerung der Rückübertragung die Kanalkenntnis bereits zu einem gewissen Maß veraltet ist. All diese Faktoren wirken als Fehlerquellen, im einfachsten Fall als zusätzliche Rauschleistung aufzufassen, welche zu erheblichen Leistungsdegradierungen führen. 

Aus diesem Grund ist die Ausnutzung von imperfekter Kanalkenntnis ein viel beachtetes Thema der aktuellen Literatur, wobei zum einen die Nutzung von bekannten Verfahren mittels imperfekter Kenntnis (so genannte "robuste" Verfahren) und zum anderen die Entwicklung neuer Methoden im Fokus stehen. Dieses Forschungsprojekt verfolgt im wesentlichen den ersten Ansatz, insbesondere unter Beachtung des Einflusses von Kanalcodierung.

Der Einfluss von Kanalcodierung

In der Literatur finden sich viele Ansätze, Kanalkenntnis am Sender gewinnbringend einzusetzen, um die Fehlerwahrscheinlichkeit einer Übertragung zu minimieren. Allerdings wird hierbei zumeist auf uncodierte Systeme Bezug genommen, die den Einfluss eines geeigneten Kanalcodes außer Acht lässt. Diese Vorgehen führt aber nicht automatisch zu einer Optimierung des Gesamtsystem inklusive der Kanalcodierung, da kein eindeutiger Zusammenhang zwischen der Bitfehlerrate vor und nach Decodierung unabhängig vom eingesetzten Code, der Übertragungsrate und den weiteren Systemparametern besteht bzw. keine geschlossene Beschreibung möglich ist. Insbesondere im Fall von Mehrantennensystemen gestaltet sich eine Beschreibung schwierig, da zunächst ein Parameter gefunden werden muss, welcher es erlaubt, die Qualität des Decodierergebnisses zu beschreiben. Ziel dieses Projektes ist daher die Formulierung solcher Qualitätsmaße zur Optimierung des Gesamtsystems inklusive Kanalcodierung. Erste Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Transinformation bei Berücksichtigung der diskreten Sendealphabete, welche üblicherweise in Kommunikationssystemen eingesetzt werden, ein adäquates Maß der Decodierqualität bietet. Weitere Kandidaten sind außerdem die so genannten Cut-Off Rate und bestimmte Schranken, welche aus der Codierungstheorie bekannt sind.

Interessante Links

Ein Übersichtsposter zum Thema Adaptivität

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