Robust Signal Processing for Cooperative Multi-Cell Transmission

Der Bedarf an Datendurchsatz pro Fläche steigt in zellularen Mobilfunknetzen aufgrund wachsender Ansprüche an multimediale Anwendungen stetig. Diese Herausforderung kann durch mehr Bandbreite, kleinere Mobilfunkzellen sowie einer höheren spektralen Effizienz bewältigt werden. Die ersten beiden Ansätze sind in der Regel mit erheblichen finanziellen Aufwendungen durch den Erwerb von Frequenznutzungsrechten oder der Installation neuer Basisstationen verbunden. Die Erhöhung der spektralen Effizienz kann durch den Einsatz von Mehrantennensystemen erfolgen, welche bereits heute für deutliche Leistungsgewinne in mobilen Funkstandards sorgen. Hierbei können räumliche Freiheitsgrade ausgenutzt werden um Interferenz gewinnbringend zu verformen und mehrerer Datenströme auf der selben Funkressource parallel zu übertragen. Das ursprüngliche Konzept beinhaltet lokale Antennenfelder sowie räumliche Signalverarbeitung auf Sende- und Empfangsseite. Durch die begrenzte Größe mobiler Endgeräte ist es vorteilhaft das Konzept auf Punkt-zu-Mehrpunkt Anwendungen mit nicht kooperierenden Empfängern zu erweitern. Dabei muss die räumliche Signalverarbeitung auf die Basisstationsseite verschoben werden. Die Abwärtsstrecke ist besonders herausfordernd, da Interferenz zwischen Nutzern gemeinsam vor der Übertragung verarbeitet werden muss. Diese Vorverarbeitung (Vorverzerrung) benötigt Kanalzustandsinformationen (CSI) auf basisstationsseite, welche durch Feedback verfügbar gemacht wird. Die Erweiterung zu Mehrpunkt-zu-Mehrpunkt Systemen wird durch die virtuelle Kopplung der Antennen mehrerer Basisstationen erreicht, wodurch die Anzahl an parallel übertragenen Datenströmen gesteigert werden kann. Diese Technik erfordert neben zusätzlichem Signalverarbeitungsaufwand einen erhöhten Austausch von Nutzerdaten und CSI zwischen den Basisstationen.
Während theoretisch hohe Gewinne durch kooperative Übertragung möglich sind, werden praktische Systeme durch Störungen des CSI beeinträchtigt, welche z.B. durch verrauschten Pilotsignale, Quantisierungs- und Verzögerungseffekte bei Feedback- und Backhaul-Übertragung verursacht werden. Zwar können Backhaul-Latenzen durch Infrastrukturerneuerungen verringert werden, dafür sind jedoch hohe Investitionen erforderlich.
Diese Arbeit stellt einen alternativen Ansatz vor, welcher die Eigenschaften der Infrastruktur akzeptiert und den Einfluss nicht-perfekter Kanalkenntnis durch robuste Signalverarbeitung mindert. Es wird ein Zweistufenansatz präsentiert, bei dem zunächst die Qualität der Kanalinformation verbessert wird und anschließend robuste Vorverzerrungstechniken eingeführt werden, welche statistische Seiteninformationen über die Kanalunsicherheit ausnutzen. Ein wesentlicher Aspekt dieser Arbeit bezieht sich auf Techniken für verteilte Vorverzerrung, welche gegenüber zentralisierter Verarbeitung deutliche Gewinne aufweist.