Spectral Efficiency of the Next-Generation MIMO-OFDM Wireless System WINNER under Deployment and QoS Constraints

Hamm, Laurits

Die spektrale Effizienz ist ein Maß zur Bewertung zellularer Mobilfunksysteme. Sie setzt den effektiven Zelldurchsatz ins Verhältnis zur Systembandbreite. In dieser Arbeit wird die spektrale Effizienz von WINNER (Wireless World Initiative New Radio) untersucht. WINNER ist ein europäisches Forschungsprojekt mit dem Ziel ein neues Radiointerface für zukünftige Mobilfunksysteme zu entwickeln. In dieser Arbeit wird das WINNER "`Base Coverage Urban"' Test Szenario verwendet. Dieses verwendet Frequenzduplex für den Down- und Uplink und ein zellulares Netzwerklayout basierend auf hexagonalen Zellen. Das "`Base Coverage Urban"' Test Szenario soll eine Grundversorgung urbaner und vorstädtischer Gebiete ermöglichen. Unterschiedliche Faktoren beeinflussen die spektrale Effizienz. Den größten Einfluss haben die Link Adaption, Scheduling, MIMO Signalverarbeitung, Relaying und die Verbindungsart. In dieser Arbeit werden Relaying und Punkt- zu-Multipunkt Verbindungen untersucht. Dabei werden real\-istische Bedingungen für den Netzaufbau zu Grunde gelegt. Für die Nutzer muss eine minimale Dienstgüte garantiert werden, die den Empfang aller Dienste erlaubt. Für die Netzbetreiber stehen andererseits der ökonomische und der praktische Aufwand im Vordergrund. Beim Relaying wird eine Zelle von einer Basisstation und einem oder mehreren \mbox{Relays} versorgt. Ein Nutzer kann entweder von der Basisstation oder mittels einer Multi\-hopverbindung von einem Relay versorgt werden. Netzaufbauten mit Relays werden entwickelt und verglichen. Für die beste Variante werden der mittlere SINR und die spektrale Effizienz ermittelt und mit dem "`Base Coverage Urban"' Test Szenario ohne Relays verglichen. Zwei Hauptprobleme müssen in Zellen mit Relays gelöst werden. Das eine ist die Verteilung der Zeit- und Frequenzressourcen zwischen der Basisstation und dem \mbox{Relay}. Hierfür wird eine adaptive Ressourcenverteilung entwickelt und eingesetzt. Das zweite Hauptproblem ist, ob ein Nutzer besser zur Basisstation oder zum Relay verbunden wird. Für diese Entscheidung wird ein praktisches Kriterium abgeleitet. In zukünftige Mobilfunksysteme sollen neue Multimedia und Informationsdienste integriert werden. Hierfür werden Multicast- und Broadcastübertragungen eingesetzt, die Punkt-zu-Multipunkt Verbindungen verwenden. In heutigen Mobilfunksystemen werden ausschließlich Punkt-zu-Punkt Verbindungen zu den einzelnen Nutzern verwendet. Für Punkt-zu-Multipunkt Verbindungen wird eine neues Übertragungskonzept vorgestellt, das Scheduling, Link Adaption, HARQ und MIMO Signalverarbeitung bein\-haltet. Dieses kann auch effizient in Zellen mit Relays verwendet werden. Weiter werden Gleichwellennetzen für Multicast- und Broadcastübertragungen untersucht. Mehrere Zellen können in einem OFDMA System ein Gleichwellennetz bilden, das die Empfangsqualität erhöht. Um ein Gleichwellennetz zu bilden, müssen mehrere Basisstationen und Relays koordiniert auf den gleichen Zeit- und Frequenzressourcen senden. Dafür ist eine genaue Synchronisation erforderlich. Die Toleranz möglicher Synchronisationsfehler und ihr Einfluss auf den Gewinn in Gleichwellennetzen wird untersucht.

In this thesis the spectral efficiency of the next generation wireless system WINNER (Wireless World Initiative New Radio) is investigated. Many factors influence spectral efficiency. In this work the focus is on relay enhanced cell deployments as well as multicast and broadcast transmission, which use point-to-multipoint links. For realistic deployments constraints from the user and the operator side are considered. For the user the received quality of service (QoS) is important. Criteria to define this QoS depend on the used service. On the other hand deployment constraints are specified by the operators. They are mostly based on economic reasons and practical realization issues. Relaying and multihop are assumed to be key technologies of future wireless systems to achieve high data rates and large coverage ranges. In this thesis relay enhanced cell (REC) deployments are developed for cellular network layouts and the WINNER base coverage urban test scenario. The most promising deployment for capacity optimization is evaluated in detail. The usage of relays causes two major problems. One is the partitioning of resources between the base station and the relay node, and the other is the cell selection, i.e., the decision on the serving radio access point, which might be a base station or a relay node. Solutions for both problems are developed. The average SINR and the spectral efficiency of relay enhanced cells are discussed. Multicast and broadcast transmission will be integrated in future wireless systems to provide multimedia and information services. It uses point-to-multipoint links in opposite to unicast transmission which uses point-to-point links. For point-to-multipoint links a new and coordinated transmission scheme is presented, including link adaptation, spatial processing and retransmissions. Coordinated transmission of several sites obtains macro diversity gains and improves the spectral efficiency of multicast and broadcast transmission. For coordinated transmission sites have to be synchronized and the influence of synchronization errors on macro diversity gains is discussed.

Ilmenau, Techn. Univ., Diplomarbeit, 2007

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Hamm, Laurits: Spectral Efficiency of the Next-Generation MIMO-OFDM Wireless System WINNER under Deployment and QoS Constraints. 2007.

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