Signal Processing for High Data Rate Wireless Communications

Li, Jianhui GND

Die vorliegende Arbeitbehandelt Signalverarbeitungsverfahren für drahtloseKommunikationssysteme mit sehr hohen Datenraten. Dabei werden zumeinen Funksysteme und zum anderen Infrarot-basierte optischeÜbertragungssysteme als Anwendungsgebiete betrachtet. Im ersten Teil der Arbeit wird das Konzept des "resource sharing"beleuchtet, was die willentliche und koordinierte gemeinsame Nutzungvon Ressourcen zwischen mehreren Betreibern beschreibt. Dieses Zielwurde im Rahmen des europäischen Forschungsprojektes SAPHYREeingehend untersucht. Die Arbeit beschreibt die Vision desSAPHYRE-Projektes und geht auf zwei konkrete Topologien näher ein:die gemeinsame Nutzung der Spektren ("spectrum sharing") sowie diegemeinsame Nutzung der Spektren und der Infrastruktur wie etwa derRelay-Stationen ("spectrum and infrastructure sharing"). In der ersten Topologie teilen sich mehrere Betreiber Teile desSpektrums. Hierfür wird die Abwärtsstrecke betrachtet, in welcherdie Basisstationen (BS) der verschiedenen Betreiber jeweils zu einemeigenen User-Terminal (UT) senden und sich dafür denselben Kanalteilen. Zuerst werden für dieses Modell geschlossene Lösungen fürdie Antennengewichte der Sender entwickelt. Basierend auf diesemAnsatz wird dann ein iteratives Verfahren namens "FlexibleCoordinated Beamforming (FlexCoBF)" für den Spectrum-Sharing-Fallentwickelt, welches es erlaubt, die Interferenz zwischen denBetreibern effektiv auszunutzen, um so die Summenrate des Systems zusteigern. Im Anschluss wird die zweite Topologie betrachtet, in der sowohl dasSpektrum als auch Teile der Infrastruktur gemeinsam genutzt werden.Insbesondere wird dabei ein Relay-basiertes Kommunikationssystemuntersucht, für welches mehrere Betreiber sowohl das Spektrum alsauch die Relay-Station gemeinsam nutzen. Das Relay wird im "Amplifyand Forward" (AF)-Betrieb verwendet und ist mit mehreren Sende- undEmpfangsantennen ausgestattet. Zunächst wird der Fall betrachtet,dass die direkte Verbindung zwischen BS und UT zu schwach ist unddaher vernachlässigt werden kann. Für diesen Fall werdenSendestrategien für die Relay-Station untersucht. Dabei wird zuersteine Gruppe von Verfahren namens "efficient relay sharing ratemaximization (EReSh-RM)" entwickelt, welche die Summenrate desSystems, unter Berücksichtigung einer Sendeleistungsbeschränkung desRelays, steigern. Im Anschluss wird der systematische Entwurf derSendestrategien für energieeffiziente Übertragungen beleuchtet. Fürden Spezialfall, in dem alle Basisstationen und alle User-Terminalsnur eine Antenne besitzen, wird zunächst die global optimale Lösungunter Verwendung von konvexer Optimierung hergeleitet. Diese Lösungdient als Benchmark zur Bewertung einfacher suboptimaler Lösungen,die im Anschluss vorgeschlagen werden. Diese stellen einenKompromiss zwischen der erreichbaren Energieeffizienz und demnötigen Rechenaufwand dar, beispielsweise die geschlossene Lösungnamens "Efficient Resource Sharing Power Minimization (EReSh-PM)"sowie Ansätze die auf dem "Block Diagonalization (BD)"-Verfahrenbasieren. Darüber hinaus wird eine neuartige robuste Sendestrategiefür das Relay vorgeschlagen, die die Unsicherheiten über den genauenKanalzustand am Relay berücksichtigt. Schließlich werden dieKonzepte auf den allgemeinen Fall erweitert, in dem jedeBasisstation und jedes User-Terminal mehrere Antennen besitzenkönnen. Für dieses Szenario wird ebenfalls eine Sendestrategie amRelay hergeleitet, die die Übertragung mehrerer Datenströme zwischenjedem Paar von BS und UT erlaubt. Für den Fall, dass die direkteVerbindung zwischen BS und UT nicht vernachlässigbar schwach ist,werden im Anschluss ebenfalls Übertragungsverfahren beleuchtet,wobei BS, UT und das Relay mehrere Antennen besitzen können. Hierbeiwird unterschieden zwischen der Übertragung von jeweils einemDatenstrom und mehreren Datenströmen von jeder BS zu dem zugehörigenUT. Um den Vorteil des Resource-Sharings zu quantifizieren wird der"SAPHYRE sharing gain" verwendet welcher die erreichbareSummenrate mit und ohne Sharing ins Verhältnis setzt. Im zweiten Teil der Arbeit wird das Design der physikalischenÜbertragungsschicht für schnelle Infrarot (IR)-basierteIndoor-Übertragungssysteme untersucht. Dies geschah im Rahmen deseuropäischen Forschungsprojektes OMEGA. Die jüngsten Entwicklungenin Indoor-IR-Übertragungssystemen haben gezeigt, dass IR hochratigeDatenübertragung unterstützt und im Indoor-Bereich entscheidendeVorteile besitzt. Deshalb wird erwartet, dass IR Technologien fürzukünftige drahtlose Netzwerke eine wichtige Rolle spielen werden.Das Ziel des OMEGA-Projektes war die IR-Übertragung bei einemGigabit pro Sekunde (Gbps), welches im Hinblick auf Ausleuchtung undDatenrate eine große Herausforderung darstellt. In der Arbeit wirdder Entwurf der physikalischen Übertragungsschicht für den Fall derInfrarot-Übertragung mit direkter Sichtverbindung ("Line ofSight") untersucht. Zunächst wird das Systemmodell für schnelle IR-Übertragungeingeführt und die für Gbps in Frage kommenden Komponentenspezifiziert und analysiert. Insbesondere werden für Gbps-IRgeeignete Modulationsverfahren diskutiert. Danach wird der"Baseline Wander"-Effekt betrachtet, der durch die Einkopplung desWechselstroms im Empfangs-Vorverstärker entsteht. Um diesem Effektzu entgegnen wird ein neues Leitungs-Kodierverfahren namens"Concatenated Flipped Bit Insertion (CFBI)" ausführlichbeschrieben. Im Anschluss wird die Implementierung eines analogenBessel-Tiefpassfilters zur Rauschunterdrückung betrachtet. EinHochpassfilter für das Gbps-IR-System zur Unterdrückung desGleichanteils des Photodioden-Stroms, welcher durch das empfangeneUmgebungslicht entsteht, wird sorgfältig ausgewählt. Dieser Filterkann gleichzeitig die harmonischen Komponenten abschwächen, diedurch Leuchtstoffröhren entstehen. Die Photodioden für schnelleIR-Systeme werden in der Folge diskutiert, wobei sowohl aufPIN-Dioden als auch auf "Avalanche"-Photodioden eingegangen wird.Dabei ist es entscheidend, die unterschiedlichen Rauschquellen inIR-Systemen zu betrachten, insbesondere das Schrot-Rauschen und dasthermische Rauchen mit konstanter spektraler Leistungsdichte, sowiedas sogenannte f-Quadrat-Rauschen, dessen spektrale Leistungsdichte mitdem Quadrat der Frequenz ansteigt. Diese Rauschquellen werden in derArbeit eingehend analysiert. Darauf basierend, sowie unterBerücksichtigung der Spezifikationen der einzelnen Komponenten, wirddas Link-Budget für Gbps-IR-Übertragung mit Sichtverbindung undeinem entsprechend schmalen Sichtfeld (Field of View) hergeleitet.Abschließend wird noch die Nutzung von Raumdiversität am Sender undam Empfänger untersucht mit dem Ziel, das Sichtfeld des Systems zuvergrößern.

In this thesis, we deal withadvanced signal processing for wireless communications at very highdata rates and consider two application areas in the radio frequencyrange and the infrared range.In the first part of this thesis, the concept of sharing the radiospectrum and the infrastructure between multiple operators isillustrated, which is within the vision of the European's seventhframework research project SAPHYRE. We introduce the SAPHYREconcept, which defines two topologies including the spectrum sharingas well as both spectrum and infrastructure (relay) sharingscenarios.In the first topology, the spectrum is shared between multipleoperators. The downlink of this spectrum sharing scenario isconsidered, where the base stations (BSs) of different operatorstransmit over the same channel, each dedicated to its own userterminal (UTs). Two closed-form transmit beamformers are firstdeveloped for this model. Based on that, an iterative transmitbeamforming technique, named as flexible coordinated beamforming(FlexCoBF) for spectrum sharing is designed to exploit theinter-operator interference in a more effective manner so as tofurther enhance the system sum rate performance.Concerning the second topology, both the spectrum and infrastructuresharing are taken into account. To be more specific, the relayassisted communications are investigated for this topology, wherethe relay as well as the spectrum are shared between multipleoperators. We employ a multiple-input multiple output (MIMO) amplifyand forward (AF) relay to assist the transmission between multiplepairs of BSs and UTs, where two cases are studied. In the firstcase, the direct link between the BSs and the UTs is too weak andcan be neglected. We propose several algorithms for the relayprecoder design to further improve the system performance. First aset of algorithms named efficient relay sharing rate maximization(EReSh-RM) are designed to improve the system sum rate under therelay transmit power constraint. After that, the relay precoderdesign is systematically studied for power efficient transmission.When the BSs and UTs are equipped with single antennas, a globaloptimum solution is firstly derived, which uses a convexoptimization tool to exploit the structure of the relay precoder.Taking this as a benchmark, several suboptimal beamformingalgorithms are proposed to find a compromise between the achievablepower efficiency and the computational complexity, including aclosed-form algorithm named Efficient Resource Sharing PowerMinimization (EReSh-PM) and block diagonalization (BD) basedsolutions. Further, a novel robust relay precoder design is proposedby considering imperfect channel state information at the relay. Atlast, we extend our work to a general study where each pair of BSsand UTs are equipped with multiple antennas and a novel relay matrixdesign is derived for multiple stream transmission between multiplepairs of BSs and UTs. Furthermore, another relay application casestudy is discussed, when the direct link is not negligible. Weconsider the linear precoding design for the AF relaying strategy,assuming multiple antennas employed at all BSs, UTs, and the AFrelay. The single stream and multiple stream transmission arestudied. Moreover, the SAPHYRE sharing gain is exploited, showingthe advantage of spectrum and relay sharing in comparison with theexclusive access of the resources.In the second part of this thesis, the physical layer design for ahigh speed infrared (IR) system in indoor environment is developed,which is within the scope the European Union's seventh frameworkresearch project OMEGA. The recent developments in an indoorinfrared (IR) systems prove that IR has emerged as a strongcandidate for high speed indoor communications, which is expected toplay an important role in the future wireless networks. The infraredtransmission operating at one Gigabit per second (Gbps) in theindoor environment is quite challenging, with a requirement toprovide coverage as well as high data rate. The physical layerdesign for a high speed IR system is considered, which is focused onthe line-of-sight (LOS) data transmission using IR wavelengths.The system model of the high speed IR transmission is firstintroduced, where individual components suitable for Gbps IR systemsare analyzed and specified. In particular, the modulation schemethat is appropriate for the Gbps IR transmission is brieflydiscussed. Thereafter, the baseline wander effect is considered,which is induced by the alternating current (AC) coupling inherentin the receiver's preamplifier. In order to overcome this, a novelline coding named concatenated flipped bit insertion (CFBI) code iselaborately addressed. Following that, the implementation of ananalog Bessel low-pass filter is specified for noise rejection. Ahigh-pass filter for the Gbps IR system is carefully selected, whichis applied to block the direct current (DC) photocurrent generatedby the received ambient light as well as to reduce the harmonicscaused by the fluorescent lighting. Then the photodiode detectorsfor high speed IR transmission are discussed, includingpositive-intrinsic-negative (PIN) photodiodes and the Avalanchephotodiodes. It is important to notice various noise sourcesgenerated in the IR system, including the shot noise and the thermalnoise with constant power spectrum density (PSD), as well as the socalled f-square noise whose PSD increases with the square of thefrequency. All these types of noise are analyzed in this thesis.Based on this analysis and the specification of the individualcomponents, the link budget for a LOS Gbps IR transmission with anarrow angle field of view (FOV) is given. Finally, the transmit andreceive angle diversity are discussed in order to further extend thesystem FOV.

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Li, Jianhui: Signal Processing for High Data Rate Wireless Communications. 2014.

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