Unique-Word basiertes OFDM

OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) stellt eine der wichtigsten drahtlosen Kommunikationstechnologien dar. Zur Vermeidung von Intersymbolinterferenz werden bei OFDM- Datenübertragung aufeinanderfolgende Symbole durch ein Guard Intervall getrennt. Üblicherweise werden in den Guard Intervallen sogenannte Cyclic Prefixes (CPs) eingefügt. Im beantragten Projekt soll ein OFDM Übertragungskonzept erforscht werden, in dem die CPs durch deterministische Sequenzen, die wir als Unique Words (UW) bezeichnen, ersetzt werden. Da die UWs bekannte deterministische Sequenzen darstellen, können diese vorteilhaft für die Schätzung von Systemparametern verwendet werden. In zwei in Kürze erscheinenden Konferenzpublikationen sowie in einem eingereichten Journal-Manuskript wird von uns eine Methodik beschrieben, wie UWs in ODFM Symbolen erzeugt werden können. Die vorgeschlagene Lösung kann auch als komplexwertiger Reed-Solomon (RS)-Code innerhalb der OFDM-Subträgersymbole interpretiert werden. Hierbei wird die notwendige Redundanz durch geeignetes Laden von so genannten redundanten Subträgersymbolen eingeführt. Für den Empfänger wurde ein LMMSE (Linear Minimum Mean Square Error) Schätzer entwickelt, der als kombinierter Zero-Forcing- und Rauschreduktionsansatz verstanden werden kann. Das derart aufgebaute Gesamtsystem weist für typische frequenzselektive Szenarien eine deutlich bessere Gesamt-Performance als klassisches CP basiertes OFDM (CP-OFDM) auf. Diese Performance-Steigerung ist umso bemerkenswerter als es sich bei dem in unseren bisherigen Forschungsarbeiten verwendeten Empfängeransatz um ein suboptimales Schätzverfahren handelt. Im Rahmen des Forschungsprojekts sollen die folgenden wichtigen Fragestellungen untersucht werden: â Generierung und Design des Unique Words: Bei den durchgeführten Voruntersuchungen wurde die mittlere Gesamtenergie der redundanten Subträgersymbole mittels einer Permutationsmatrix reduziert. Die redundante Energie liegt jedoch noch in derselben Größenordnung wie die der Datensymbole. Unterschiedliche Ansätze zur weiteren Reduktion der redundanten Energie sollen untersucht werden. Erste numerische Untersuchungen zeigen, dass der von uns vorgeschlagene Ansatz auch verbesserte spektrale Eigenschaften aufweist. Dieser Aspekt soll analytisch untersucht und mögliche zusätzliche Optimierungen, z.B. bezüglich der Permutationsmatrix sollen analysiert werden. Schließlich sind die UW-Signalformen zu designen. Hierbei muss auf die Erfüllung von spektralen Vorgaben eingegangen werden, jedoch muss das Design auch unter dem Blickwinkel der Systemparameterschätzung optimiert werden. UW basierte Systemparameterschätzung: In drahtlosen Kommunikationssystemen sind typischerweise eine Vielzahl von Systemparametern zu schätzen. Im Speziellen sollen im Rahmen des Projekts die Verwendungsmöglichkeiten des UWs für die Schätzung und das Nachregeln von Trägerfrequenzabweichungen, I/Q Amplituden- und Phasenabweichungen sowie für die Schätzung und das Nachregeln des Kanalfrequenzganges untersucht werden. Datenschätzung unter der Verwendung von UW basierter a-priori Information: Der LMMSE Schätzer stellt eine suboptimale jedoch sehr komplexitätsarme Lösung für einen UW-OFDM Empfänger dar. Im Rahmen des Projekts sollen zum einen Performance- und Komplexitätsoptimierungen für das linearen Empfangskonzept durchgeführt werden, zum anderen sollen nichtlineare Schätzverfahren wie beispielsweise das aus der MIMO-Detektion bekannte Sphere Decoding oder nichtlineare MMSE Schätzer untersucht werden. PAPR (Peak to Average Power Ratio) Reduktion: Wie auch die klassische OFDM-Übertragung, so weist auch UW-OFDM ein hohes PAPR auf. Methoden zur PAPR Reduktion sollen auf UW-OFDM adaptiert und optimiert werden.

Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) ist aktuell jenes digitale Übertragungsverfahren, das in den meisten modernen, breitbandigen mobilen sowie kabelgebundenen Übertragungstechnologien eingesetzt wird. Ein Nachteil von OFDM ist, dass bis zu 20% der aufgewendeten Sendeenergie für die Einführung sogenannter Schutzintervalle benötigt wird, welche jeweils zwischen zwei aufeinander folgenden OFDM-Symbolen eingefügt werden um die Übertragung gegenüber Störungen in der Ausbreitung zu schützen. Die Schutzintervalle bestehen aus datenabhängigen, zufälligen Sequenzen, und die hierfür aufgebrachte Energie ist für die Übertragung der Nutzdaten verloren. Im neuartigen, von den Projektpartnern erfundenen Unique Word OFDM (UW-OFDM)-Verfahren werden zwar ebenfalls Schutzintervalle verwendet, diese sind jedoch als deterministische Sequenzen (Unique Words) ausgeführt. Durch die besondere Art und Weise der Erzeugung der Unique Words wird ein gewisses Maß an Redundanz im Frequenzbereich eingeführt, welche im Empfänger vorteilhaft zur verbesserten Datenschätzung genutzt werden kann. In diesem Projekt sind unterschiedlichste Varianten zur Erzeugung von UW-OFDM-Symbolen gefunden und entsprechend untersucht worden, wobei sich die Methode der sogenannten nicht-systematischen Codierung als besonders effektiv herausgestellt hat. Der wesentliche Vorteil von nicht-systematisch codiertem UW- OFDM ist, dass zur Erzielung einer vorgegebenen Bitfehler-Performance eine wesentlich geringere mittlere Sendeleistung benötigt wird als in einem konventionellen OFDM-System, was zur längeren Akkulaufzeit mobiler Endgeräte beitragen kann. Weiterhin hat sich gezeigt, dass dieses Verfahren auch bessere spektrale Eigenschaften als aktuelle OFDM-Verfahren aufweist, so dass eine effiziente aber auch flexible Nutzung des zur Verfügung stehenden Frequenzspektrums gewährleistet werden kann. Neben der optimalen Erzeugung der UW-OFDM Signale sind auch unterschiedlichste lineare sowie nichtlineare Verfahren zur empfangsseitigen Datenschätzung untersucht worden. Für die meisten Folgeuntersuchungen ist jeweils der beste lineare Datenschätzer eingesetzt worden, da sich herausgestellt hat, dass mit Hilfe nichtlinearer Verfahren nur eine geringfügige Verbesserung im Bitfehlerverhalten erzielt werden kann, hierfür aber ein erheblich erhöhter Rechenaufwand notwendig ist. Abschließend wurden außerdem Untersuchungen zur Robustheit des UW-OFDM Verfahrens gegen Fehler in der Kanalschätzung und gegen Trägerfrequenzabweichungen angestellt. Die Arbeiten und Ergebnisse dieses Projekts haben auch weitere namhafte Forschergruppen angeregt an UW-OFDM Aspekten zu arbeiten, und UW-OFDM wird auf Grund der nun bekannten, insgesamt hervorragenden Eigenschaften zunehmend sowohl von ForscherInnen als auch von IndustrievertreterInnen als potenzielle Signalform für zukünftige breitbandige Kommunikationssysteme gesehen.