Multiuser Transmission in Code Division Multiple Access Mobile Communications Systems

Code Division Multiple Access (CDMA) is the technology used in all third generation cellular communications networks, and it is a promising candidate for the definition of fourth generation standards. The wireless mobile channel is usually frequency-selective causing interference among the users in one CDMA cell. Multiuser Transmission (MUT) algorithms for the downlink can increase the number of supportable users per cell, or decrease the necessary transmit power to guarantee a certain quality-of-service. Transmitter-based algorithms exploiting the channel knowledge in the transmitter are also motivated by information theoretic results like the Writing-on-Dirty-Paper theorem. The signal-to-noise ratio (SNR) is a reasonable performance criterion for noise-dominated scenarios. Using linear filters in the transmitter and the receiver, the SNR can be maximized with the proposed Eigenprecoder. Using multiple transmit and receive antennas, the performance can be significantly improved. The Generalized Selection Combining (GSC) MIMO Eigenprecoder concept enables reduced complexity transceivers. Methods eliminating the interference completely or minimizing the mean squared error exist for both the transmitter and the receiver. The maximum likelihood sequence detector in the receiver minimizes the bit error rate (BER), but it has no direct transmitter counterpart. The proposed Minimum Bit Error Rate Multiuser Transmission (TxMinBer) minimizes the BER at the detectors by transmit signal processing. This nonlinear approach uses the knowledge of the transmit data symbols and the wireless channel to calculate a transmit signal optimizing the BER with a transmit power constraint by nonlinear optimization methods like sequential quadratic programming (SQP). The performance of linear and nonlinear MUT algorithms with linear receivers is compared at the example of the TD-SCDMA standard. The interference problem can be solved with all MUT algorithms, but the TxMinBer approach requires less transmit power to support a certain number of users. The high computational complexity of MUT algorithms is also an important issue for their practical real-time application. The exploitation of structural properties of the system matrix reduces the complexity of the linear MUT mthods significantly. Several efficient methods to invert the ystem matrix are shown and compared. Proposals to reduce the omplexity of the Minimum Bit Error Rate Multiuser Transmission mehod are made, including a method avoiding the constraint by pase-only optimization. The complexity of the nonlinear methods i still some magnitudes higher than that of the linear MUT lgorithms, but further research on this topic and the increasing processing power of integrated circuits will eventually allow to exploit their better performance.Der codegeteilte Mehrfachzugriff (CDMA) wird bei allen zellularen Mobilfunksystemen der dritten Generation verwendet und ist ein aussichtsreicher Kandidat für zukünftige Technologien. Die Netzkapazität, also die Anzahl der Nutzer je Funkzelle, ist durch auftretende Interferenzen zwischen den Nutzern begrenzt. Für die Aufwärtsstrecke von den mobilen Endgeräten zur Basisstation können die Interferenzen durch Verfahren der Mehrnutzerdetektion im Empfänger verringert werden. Für die Abwärtsstrecke, die höhere Datenraten bei Multimedia-Anwendungen transportiert, kann das Sendesignal im Sender so vorverzerrt werden, dass der Einfluß der Interferenzen minimiert wird. Die informationstheoretische Motivation liefert dazu das Writing-on-Dirty-Paper Theorem. Das Signal-zu-Rausch-Verhältnis ist ein geeignetes Kriterium für die Performanz in rauschdominierten Szenarien. Mit Sende- und Empfangsfiltern kann das SNR durch den vorgeschlagenen Eigenprecoder maximiert werden. Durch den Einsatz von Mehrfachantennen im Sender und Empfänger kann die Performanz signifikant erhöht werden. Mit dem Generalized Selection MIMO Eigenprecoder können Transceiver mit reduzierter Komplexität ermöglicht werden. Sowohl für den Empfänger als auch für den Sender existieren Methoden, die Interferenzen vollständig zu eliminieren, oder den mittleren quadratischen Fehler zu minimieren. Der Maximum-Likelihood-Empfänger minimiert die Bitfehlerwahrscheinlichkeit (BER), hat jedoch kein entsprechendes Gegenstück im Sender. Die in dieser Arbeit vorgeschlagene Minimum Bit Error Rate Multiuser Transmission (TxMinBer) minimiert die BER am Detektor durch Sendesignalverarbeitung. Dieses nichtlineare Verfahren nutzt die Kenntnis der Datensymbole und des Mobilfunkkanals, um ein Sendesignal zu generieren, dass die BER unter Berücksichtigung einer Sendeleistungsnebenbedingung minimiert. Dabei werden nichtlineare Optimierungsverfahren wie Sequentielle Quadratische Programmierung (SQP) verwendet. Die Performanz linearer und nichtlinearer MUT-Verfahren MUT-Algorithmen mit linearen Empfängern wird am Beispiel des TD-SCDMA-Standards verglichen. Das Problem der Interferenzen kann mit allen untersuchten Verfahren gelöst werden, die TxMinBer-Methode benötigt jedoch die geringste Sendeleistung, um eine bestimmt Anzahl von Nutzern zu unterstützen. Die hohe Rechenkomplexität der MUT-Algorithmen ist ein wichtiges Problem bei der Implementierung in Real-Zeit-Systemen. Durch die Ausnutzung von Struktureigenschaften der Systemmatrizen kann die Komplexität der linearen MUT-Verfahren signifikant reduziert werden. Verschiedene Verfahren zur Invertierung der Systemmatrizen werden aufgezeigt und verglichen. Es werden Vorschläge gemacht, die Komplexität der Minimum Bit Error Rate Multiuser Transmission zu reduzieren, u.a. durch Vermeidung der Sendeleistungsnebenbedingung durch eine Beschränkung der Optimierung auf die Phasen des Sendesignalvektors. Die Komplexität der nichtlinearen Methoden ist um einige Größenordungen höher als die der linearen Verfahren. Weitere Forschungsanstrengungen an diesem Thema sowie die wachsende Rechenleistung von integrierten Halbleitern werden künftig die Ausnutzung der besseren Leistungsfähigkeit der nichtlinearen MUT-Verfahren erlauben