Current and evolved physical layer concepts [Elektronische Ressource] : potentials and limitations of mobile broadband wireless access / vorgelegt von Helge Erik Lüders

Marcelmainz

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• Publié par: rheinisch-westfalischen_technischen_hochschule_-rwth-_aachen
• Publié le: 01 janvier 2010
• Nombre de lectures: 19
• Langue: Deutsch
• Poids de l'ouvrage: 2 Mo

Extrait

Current and Evolved Physical Layer Concepts:
Potentials and Limitations of
Mobile Broadband Wireless Access
Von der Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik
der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen
zur Erlangung des akademischen Grades eines
Doktors der Ingenieurwissenschaften genehmigte Dissertation
vorgelegt von
Diplom-Ingenieur
Helge Erik Lüders
aus Bernau bei Berlin
Berichter: Universitätsprofessor Dr.-Ing. Peter Vary
Universitätsprofessor Dr. rer. nat. Rudolf Mathar
Tag der mündlichen Prüfung:
27. Juli 2010
Diese Dissertation ist auf den Internetseiten der Hochschulbibliothek online verfügbar.AACHENER BEITRÄGE ZU DIGITALEN NACHRICHTENSYSTEMEN
Herausgeber:
Prof. Dr.-Ing. Peter Vary
Institut für Nachrichtengeräte und Datenverarbeitung
Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen
Muffeter Weg 3a
52074 Aachen
Tel.: [phone]
Fax.: [phone]
Bibliografische Information der Deutschen Bibliothek
Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der
Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische
Daten sind im Internet über http://dnb.ddb.de abrufbar
1. Auflage Aachen:
Wissenschaftsverlag Mainz in Aachen
(Aachener Beiträge zu digitalen Nachrichtensystemen, Band 26)
ISSN 1437-6768
ISBN 3-86130-652-
© 2010 Helge Erik Lüders
Wissenschaftsverlag Mainz
Süsterfeldstr. 83, 52072 Aachen
Tel.: 02 41 / 2 39 48 oder 02 41 / 87 34 34
Fax: 02 41 / 87 55 77
www.Verlag-Mainz.de
Herstellung: Druckerei Mainz GmbH,
Süsterfeldstr. 83, 52072 Aachen
Tel.: 02 41 / 87 34 34; Fax: 02 41 / 87 55 77
www.Druckservice-Aachen.de
Gedruckt auf chlorfrei gebleichtem Papier
"D 82 (Diss. RWTH Aachen University, 2010)"Danksagung
Die vorliegende Arbeit entstand im Rahmen meiner Tätigkeit als wissenschaftlicher Mit-
arbeiter des Instituts für Nachrichtengeräte und Datenverarbeitung (IND) der Rheinisch-
Westfälischen Technischen Hochschule Aachen und wurde unterstützt durch meine Mitar-
beit im Exzellenzcluster Ultra High Speed Mobile Information and Communication (UMIC).
Mein besonders herzlicher Dank gilt Herrn Prof. Dr.-Ing. Peter Vary für die Betreuung
dieser Arbeit und die Schaffung eines abwechslungs- und facettenreichen Tätigkeitsfeldes,
welches die vielen Aspekte dieser Dissertation prägte.
Herrn Prof. Dr. rer. nat. Rudolf Mathar danke ich für sein Interesse an meiner Arbeit
und die Übernahme des Koreferats.
Durch die vermutlich einzigartige Zusammenarbeit und Kollegialität sowie den daraus
entstandenen Freundschaften wird mir die Arbeit am IND für immer in Erinnerung bleiben.
Dafür möchte ich mich bei allen aktiven und ehemaligen Kollegen am Institut und im UMIC-
Cluster herzlich bedanken! Vielen Dank Andreas, Annika, Aulis, Bastian, Bernte, Birgit,
Carsten, Christiane, Christoph, Florian, Frank, Hauke, Heiner, Laurent, Magnus, Marc A.,
Marc W., Marco, Martin, Matthias P., Matthias R., Sanne, Sylvia, Thomas E., Thomas S.,
Thorsten und Tobias!
Wichtige Teile dieser Arbeit stützen sich auf die Studien- und Diplomarbeiten der von
mir betreuten Studenten und Studentinnen, bei denen ich mich an dieser Stelle herzlich be-
danken möchte, insbesondere bei meinen späteren Kollegen Benedikt, Andreas und Katrin.
Schließlich danke ich meinen Eltern, die mir das Studium der Elektrotechnik ermöglicht
und mich stets nach Kräften unterstützt haben. Dir, liebe Jutta, danke ich für Deine Geduld,
Dein Verständnis und Deine Nähe!
Köln, im Juli 2010 Helge Lüders
iiiivAbstract
Two important factors fuel the fast evolution of mobile broadband access technologies: The
ever-increasing demand for high data rates due to the availability and acceptance of mobile
devices and applications and the demand for affordable broadband access in under served
areas where radio technologies are regarded as a substitute to fixed line technologies.
This thesis highlights potentials and limitations of current and future mobile radio sys-
tems for area-wide mobile broadband access. It describes and thoroughly analyzes the phys-
ical layer of the current Release 8 of the UMTS LTE mobile radio standard implemented as
single-antenna system. Different novel modifications and alternative concepts are introduced
and analyzed which aim at either increasing the physical layer performance or at decreasing
the computational complexity. In addition, upper bounds on the performance concerning the
obtainable bits per channel use are regarded for single- and multiple-antenna systems. It is
observed that single-antenna LTE operates at approximately 65 % of the Shannon limit.
On top of the physical layer simulation results, system-level simulations of the downlink
in a cellular environment are performed to evaluate the potentials and limitations of UMTS
LTE and the introduced physical layer modifications concerning the coverage, quality and
capacity of a radio cell within a mobile radio network. Two carrier frequencies are consid-
ered: 0.8 GHz and 2.0 GHz representing the frequencies from the digital dividend and of
current UMTS deployments, respectively. The employed frequency bandwidths of 5 MHz
and 20 MHz represent the frequency bandwidth of current UMTS and the largest frequency
bandwidth supported by UMTS LTE Release 8, respectively. Additionally, different propa-
gation scenarios representing typical mobile radio environments are considered.
System-level simulation results reveal an imbalance concerning the individual user good-
puts (error-free throughput) within a radio cell: near the cell edges these individual user
goodputs might drop to only one tenth of the user goodputs that are achieved near the base
station. The average cell goodput is derived and given for all combinations of the considered
system-level parameters. It is shown that the achieved goodputs scale linearly with the avail-
able frequency bandwidth. The influence of the carrier frequency is observed to significantly
influence the coverage and capacity of a radio cell only if it is interference limited.
In the future, major gains can be expected from more sophisticated coding and signal
processing. The most promising options are multiple-antenna systems and intelligent in-
terference management algorithms. With the derived bounds it is shown that in theory, a
capacity achieving 4×4 multiple-antenna system using 20 MHz frequency bandwidth and
ideal interference cancellation could achieve an average cell goodput> 1Gbit/s.
vviContents
Abbreviations xi
1 Introduction 1
2 MobileBroadbandAccess 3
2.1 WhatIsBroadband? ............................. 3
2.2 WhatIsMobileAces? ... 4
2.3 CurentSituationinGermany. 5
3 Fundamentals 9
3.1 NetworkArchitectureAspects 9
3.2 Spectral Efficiency, Throughput, and Coverage ............... 1
4 Physical Layer Concepts 15
4.1 GeneralTransmisionSystemModel..................... 15
4.1.1 SourceCoding............................ 16
4.1.2 ChanelCoding ... 16
4.1.3 ComplexMaping.. 17
4.1.4 Baseband Modulation 17
4.1.5 ChanelModelandEqualization................... 18
4.1.6 PerformanceMeasures 21
4.1.7 EXITAnalysis.... 2
4.2 SystemConceptsandTheirEvolution.................... 23
4.2.1 Second Generation Mobile Radio: FDM(A)/TDM(A)........ 24
4.2.2 ThirdGenerationMobileRadio:CDM(A).............. 26
4.2.3 FourthGenerationMobileRadio:OFDM(A)............ 28
4.3 LTEPerformanceAnalysis.......................... 34
4.3.1 EXITAnalysis.... 34
4.3.2 Bits Per Channel Use and Spectral Efficiency 35
5 Beyond UMTSLTE 41
5.1 ImprovingUMTSLTE64QAMPerformance................ 41
5.1.1 UEPandBitReordering....................... 41
5.1.2 SimulationResults.......................... 43
5.2 BICM-IDwithRepetitionCoding ...................... 47
viiContents
5.2.1 SystemModel ............................ 48
5.2.2 SimulationParametersandResults.................. 49
5.2.3 EXITAnalysis.... 51
5.2.4 AlgorithmicComplexity....................... 52
5.3 EXIToptimizedBICM-ID.. 53
5.3.1 SDMEXITCharacteristics...................... 54
5.3.2 SimulationResults.......................... 56
5.4 OFDM Turbo DeCodulation . 61
5.4.1 OFDMTDeCwithConvolutionalCoding.............. 62
5.4.2 EXIToptimizationoftheBICM-IDstage 63
5.4.3 Simulationexamples. 63
5.4.4 BlockCodedOFDMTDeC ..................... 66
5.5 OFDM Turbo DeCodulation vs. UMTS LTE................. 67
5.6 MIMOAproximation............................ 69
5.7 ConceptsforInterferenceManagement.................... 72
6 From Bit-Levelto System-Level 73
6.1 AbstractionandSystemModel 73
6.1.1 Network Geometry, Carrier Frequencies, and Frequency Bandwidth 73
6.1.2 Signal-to-Interference-and-NoiseRatio............... 76
6.1.3 ServiceScenarios... 82
6.1.4 SummaryofSystem-LevelSimulationParameters ......... 83
6.2 Prediction of Average Cell GoodputG .................... 84
6.2.1 HSDPAvs.LTE........................... 85
6.2.2 InfluenceofthePropagationScenario................ 85
6.2.3 PHYSimulationvs.Aproximation................. 86
6.2.4 InfluenceofthePHYChannelModel 86
6.2.5 InfluenceofInterferenceCancelation 8
6.2.6 Bounds on