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Dissertation angenommen durch: Universität Duisburg-Essen, Campus
Duisburg, Fakultät für Ingenieurwissenschaften, Abteilung
Elektrotechnik und Informationstechnik, Fachgebiet
Nachrichtentechnische Systeme, 2006-04-21
BetreuerIn: Prof. Dr.-Ing. Andreas Czylwik ,
Universität Duisburg-Essen, Campus Duisburg, Fakultät für
Ingenieurwissenschaften, Abteilung Elektrotechnik und
Informationstechnik, Fachgebiet Nachrichtentechnische Systeme
GutachterIn: Prof. Dr.-Ing. Andreas Czylwik ,
Universität Duisburg-Essen, Campus Duisburg, Fakultät für
Ingenieurwissenschaften, Abteilung Elektrotechnik und
Informationstechnik, Fachgebiet Nachrichtentechnische Systeme
GutachterIn: Prof. Dr.-Ing. Armin Wittneben , ETH Zürich, Communications Technology Laboratory
Schlüsselwörter in Englisch: smart antennas, robust
beamforming algorithms, convex optimization, spatial covariance matrix,
robust MIMO transmitter, outage probability, multiuser MIMO
Schlüsselwörter in Deutsch: Intelligente Antennen, robuste
Strahlformungsalgorithmen, konvexe Optimierung, räumliche
Kovarianzmatrix, robuste MIMO-Sender, Ausfallwahrscheinlichkeit,
Mehr-Nutzer-MIMO
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Abstrakt in Englisch
In recent years, the demand for reliable transmission of high speed
data and multimedia traffic in wireless communications has been growing
tremendously. To enhance the capacity of the existing and future
generation wireless systems, attention has been recently turned into
Smart Antenna (SA) and Multiple Input Multiple Output (MIMO) systems
which may use adaptive beamforming. This dissertation aims at
investigating and designing beamforming algorithms for multiple antenna
wireless communication systems.
In the first part of the dissertation, the system level performance of
the Universal Mobile Telecommunication System (UMTS) with SAs at the
Base Stations (BSs) is evaluated by using a novel and dynamic system
level simulator. Compared with other investigations, the present
evaluation takes into account the dynamic and stochastic behaviour of
the radio propagation channel along with power control, soft handover
and code management.
The second part of the dissertation is devoted to downlink beamforming
based on uplink channel parameters for UMTS Frequency Division Duplex
(FDD) systems. A robust transformation of uplink to downlink spatial
covariance matrices is proposed in order to overcome the adverse effect
of uplink channel estimation errors into downlink beamforming. This
method performs better than the previous approaches and can be
efficiently implemented for realistic wireless networks.
Robust uplink and downlink beamforming algorithms based on an outage
probability criterion have been proposed in the third part of the
dissertation. These algorithms reduce the degradation in system level
performance caused by the uncertainty of the uplink and downlink
spatial covariance matrices. Compared with the earlier robust methods
based on worst-case performance optimization, the proposed algorithms
do not need the knowledge of the upper bound of the uncertainty.
In the last part of this dissertation, a new stochastic approach is
proposed for the design of a single user robust MIMO transmitter which
has only partial Channel State Information (CSI). The proposed
transmitter enhances the robustness of the MIMO system against
erroneous CSI. A power control optimization problem for multiuser MIMO
system is also solved in order to minimize the BS transmit power while
maintaining a minimum level of Quality of Service (QoS) for all Mobile
Stations (MSs).
Abstrakt in Deutsch
In den letzten Jahren ist die Nachfrage nach zuverlässigen und
hochratigen Übertragungssystemen für die Daten- und
Multimediaübertragung drastisch gestiegen. Um die Kapazität von bereits
existierenden und zukünftigen drahtlosen Übertragungssystemen zu
erhöhen, sind die Gebiete Intelligente Antennen (Smart Antennas, SA)
und MIMO (Multiple Input Mutiple Output) Systeme von besonderen
Interesse, bei denen adaptive Strahlformung zu diesem Zwecke eingesetzt
werden kann. Diese Dissertation befasst sich mit der Untersuchung und
der Entwicklung von Strahlformungsalgorithmen für drahtlose
Mehr-Antennen-Systeme.
Im ersten Teil der Dissertation wird die Leistungsfähigkeit eines
UMTS-Netzwerks (Universal Mobile Telecommunication System) mit
intelligenten Antennen auf der Basisstationsseite auf Systemebene mit
Hilfe eines neuartigen dynamischen Systemebenen-Simulators evaluiert.
Verglichen mit anderen Untersuchungen bezieht die vorgestellte
Evaluierung den dynamischen und stochastischen Charakter des
Übertragungskanals sowie die Leistungsregelung, die weiche Übergabe der
Mobilstationen (Soft Handover) und die Code Verwaltung innerhalb des
Netzwerks mit ein.
Der zweite Teil der Dissertation befasst sich mit der Strahlformung in
der Abwärtsstrecke, welche auf Kanalparametern der UMTS FDD (Frequency
Division Duplex) Aufwärtsstrecke basiert. Vorgestellt wird eine robuste
Transformation der räumlichen Kovarianzmatrix der Aufwärtsstrecke in
die räumlichen Kovarianzmatrix der Abwärtsstrecke durch die der
problematische Einfluss der Kanalschätzfehler in der Aufwärtstrecke in
die Strahlformung in der Abwärtstrecke überwunden wird. Dieses
Verfahren zeigt eine höhere Leistungsfähigkeit verglichen mit
vorhandenen Methoden und kann effizient in reale drahtlose Netzwerke
implementiert werden.
Robuste Algorithmen zur Strahlformung in der Aufwärts- und
Abwärtsstrecke, welche auf der Ausfallwahrscheinlichkeit basieren,
werden in dem dritten Teil der Dissertation behandelt. Diese
Algorithmen reduzieren die Degradation der Leistungsfähigkeit auf
Systemebene, die durch die Unsicherheit in der räumlichen
Kovarianzmatrix der Aufwärts- und Abwärtsstrecke verursacht wird.
Verglichen mit vorhandenen robusten Methoden, die auf der Optimierung
der Leistungsfähigkeit im ungünstigsten Fall (Worst-Case Optimierung)
basieren, zeichnet sich der vorgeschlagene Algorithmus durch die nicht
weiter benötigte Kenntnis der oberen Grenze der Unsicherheit aus. In
dem letzten Teil der Dissertation wird ein neuer stochastischer Ansatz
für die Auslegung eines Ein-Nutzer-MIMO Senders, der lediglich eine
teilweise Kenntnis des Kanalstatus ( Channel State Information, CSI)
besitzt. Die vorgeschlagene Sendestruktur erhöht die Robustheit des
MIMO Systems gegen fehlerbehaftete Kenntnis des Kanalstatus. Eine
Lösung für das Problem der Optimierung der Leistungsregelung wird
zusätzlich gefunden, um die Sendeleistung der Basisstationen zu
minimieren wobei für alle Mobilstationen mindestens die untere Grenze
der benötigten Qualität des Dienstes (Quality of Service, QoS) erzielt
wird.
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