Analytical Methods for Multicarrier Performance Evaluation

Die vorliegende Arbeit behandelt die Thematik der numerischen Leistungsfähigkeitsbewertung von OFDM Systemen, wobei Methoden nach dem Stand der Technik erweitert bzw. neue Berechnungsverfahren entwickelt wurden. Bei dem vorgestellten Framework geht es im Kern darum, OFDM-Verbindungen hinsichtlich ihrer Übertragungskapazität zu untersuchen, wenn eine Reihe praktischer Störeinflüsse das System beeinflussen. Die einwickelten Berechnungsverfahren sind dabei vielseitig anwendbar und berücksichtigen eine Reihe gleichzeitig wirksamer Störeinflusse wie:

* restlicher Trägerfrequenzversatz nach imperfekter Synchronisation

* Kanalschätzfehler unter Berücksichtigung verschiedener Pilotsignalanordnungen und Kanalschätzalgorithmen
* I/Q Imbalance, Phasenrauschen, sendeseitige PA-Nichtlinearität, begrenzte ADC Auflösung

* Nutzermobilität und ungenaues empfangsseitiges Nachführen der Kanalinformation

Der Hauptteil der Arbeit beschreibt die mathematischen Grundlagen des Frameworks für SISO, MISO & SIMO OFDM Verbindungen und Untersucht das Systemverhalten im Falle verschiedener Störeinflüsse. Besonders ist dabei der Effekt nicht perfekt nachgeführter Kanalinformation herauszuheben, welcher bei hinreichend hoher Nutzermobilität bedeutende Performanceeinbrüche mit sich bringen kann. Diese Aussage erscheinen auf den ersten Blick als schon oft untersucht bzw. trivial, allerdings steckt hier der Neuigkeitswert in der stochastischen Signalbeschreibung welche hochgenaue Performanceanalysen zulässt. Die numerischen Verfahren zur Berechnung relevanter OFDM Leistungskenngrößen basieren dabei auf geeignet formulierten OFDM-Basisbandsignalmodellen und deren stochastischer Modellierung mittels einer Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion. Im Rahmen der Arbeit wird gezeigt, dass sich eine Vielzahl von OFDM-Mehrantennenkonfigurationen durch die gleiche parametrisierte Dichtefunktion beschreiben lassen, welche direkt vom Diversitätsgrad des Systems abhängt.
Das so entstandene Link-Level Framework kann, sofern entsprechend konfiguriert, nun in System-Level Simulationen eingesetzt werden, um das makroskopische Verhalten OFDM basierter Funkzugangsnetze zu untersuchen. Dabei liefert das Framework die Spektrale Effizienz bzw. die Spektrale Effizienz pro versorgter Fläche als relevante Leistungskenngrößen. Dementsprechend werden die entwickelten Berechnungsverfahren im letzten Teil der Arbeit auf ein zellulares LTE-Mobilfunksystem angewendet. In den gezeigten Untersuchungen wird dabei die Trägerfrequenz- sowie die Nutzermobilitätsproblematik in den Vordergrund gestellt. Die numerischen Berechnungen zeigen eine deutliche Abhängigkeit der spektralen Effizienz von zwei Systemparametern: (1) der Trägerfrequenz sowie (2) der Mobilität der Mobilfunknutzer. Weiterhin zeigt die Arbeit, wie sich verschiedene Techniken der Kapa- zitätssteigerungen auf das zellulare Funkzugangsnetz auswirken. Herausgehoben sie hierbei der geteilte Frequenzwiederholfaktor (engl. fractional frequency reuse - FFR) welcher durch trägerfrequenzabhängige Parametrisierung die spektrale Effizienz deutlich beeinflusst.