Einschränkungen in koordinierten zellularen Netzwerken : Analyse, Einfluss auf die Performanz und Milderung

Die Kooperation von Basisstationen wird als eine vielversprechende Technik für zukünftige drahtlose Kommunikationsnetze angesehen. Diese Technik betrachtet die Antennen von Basisstationen zusammen mit den Antennen mobiler Nutzer innerhalb von Zellen als ein räumlich verteiltes MIMO System und eröffnet dadurch die Möglichkeit, durch eine gemeinsame Signalverarbeitung die Inter-Zell-Interferenz zu beseitigen und die spektrale Effizienz zu erhöhen. Obwohl mittlerweile die theoretischen Grenzen solcher kooperativer Schemata bekannt und gut verstanden sind, besteht die größte Herausforderung noch immer in der Umsetzung und praktischer Realisierung und zwar in der Form, dass das theoretische Potential vollständig ausgeschöpft wird. Zum einen ist der vertretbare Mehraufwand für Pilotsymbole, Feedback und Backhaul begrenzt. Zum anderen ist die Performanz auf Grund von imperfekter Kanalkenntnis und Synchronisation limitiert, welche durch Kanalschätzung, Feedbackquantisierung, Alterung der Kanalinformation, sowie durch unterschiedliche Träger- und Abtastfrequenzen zwischen den Basisstationen entsteht. Diese Beeinträchtigungen haben zur Folge, dass die gemeinsame Vorkodierung der Daten in Bezug auf den tatsächlichen drahtlosen Übertragungskanal fehlangepasst ist und sich so die Kooperationsgewinne deutlich reduzieren. Um die Signalverzerrung und die Interferenz zwischen den Nutzern, die durch fehlangepasste Vorkodierung verursacht wird zu analysieren, müssen die Einflussfaktoren jeweils individuell untersucht werden. Dazu wird zunächst ein Signalmodell für die koordinierte OFDM-Übertragung entwickelt, welches die Effekte der imperfekten Kanalkenntnis und Synchronisation berücksichtigt und zudem erlaubt, analytische Ausdrücke für das Signal-zu-Interferenz Verhältnis (SIR) der mobilen Nutzer herzuleiten. Die analytischen Ergebnisse werden anschließend numerisch verifiziert und entsprechende Systemanforderungen werden spezifiziert. Unter der Verwendung geeigneter Kanalmodelle sowie realer Kanalmessdaten werden Schranken für den maximalen Abstand zwischen Basisstationen abgeleitet, welche eine interferenzfreie und zeitsynchrone Datenübertragung erlauben. Weiterhin wird die Synchronisation von verteilten Basisstationen diskutiert, welche auf der Nutzung kommerzieller Oszillatoren basiert, welche an externe Referenzen (z.B. GPS) angebunden sind. Es werden Methoden zur Abschwächung der Beeinträchtigungen entwickelt, wie etwa adaptive Feedbackkompression und Kanalprädiktion. Die adaptive Feedbackkompression ermöglicht es den mittleren quadratischen Kanalschätzfehler (MSE) unterhalb einer bestimmten Schranke zu halten und dabei gleichzeitig die Feedbackinformation um eine Größenordnung zu reduzieren. Dagegen ist eine auf Doppler-Verzögerungen basierende Kanalprädiktion in der Lage den MSE um 10 dB zu reduzieren. Zur Bewertung der Performanz werden das SCME Kanalmodell sowie reale Kanalmessdaten verwendet. Multi-zellulare Simulationen zeigen, daß das mittlere SIR pro Nutzer um 10 dB angehoben werden kann. Praktisch bedeutet dies, daß entgegen der bisherigen Meinung neben größeren Feedbackverzögerungen und einer höheren Mobilität auch eine größere Anzahl von Nutzern unterstützt werden kann.Base station cooperation is recognized as a key technology for future wireless cellular communication networks. Considering antennas of distributed base stations and those of multiple terminals within those cells as a distributed multiple-input multiple-output (MIMO) system, this technique has the potential to eliminate inter-cell interference by joint signal processing and to enhance spectral efficiency in this way. Although the theoretical gains are meanwhile well-understood, it still remains challenging to realize the full potential of such cooperative schemes in real-world systems. Among other factors, such as the limited overhead for pilot symbols and for the feedback and backhaul, these performance limitations are related to channel and synchronization impairments, such as channel estimation, feedback quantization and channel aging, as well as imperfect carrier and sampling synchronization among the base stations. Because of these impairments, joint data precoding results to be mismatched with respect to the actual radio channel and the gains of base station cooperation are limited. In order to analyze the signal distortion and the interference among the multiple users, which are caused by mismatched data precoding, it is required to model and investigate impairment effects isolatedly. Therefore, a signal model is provided for base-coordinated orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) transmission with channel and synchronization impairments, and closed-form expressions are derived for the mobile users’ signal-to-interference ratio (SIR). Analytical results are numerically verified and lead to practical system requirements. Based on channel modeling and outdoor measurements, inter-site distance limitations for interference-free and time-synchronous transmission are also investigated. It is further discussed how to synchronize distributed base stations by using commercial oscillators locked to externally provided references, e.g. signals provided by Global Positioning System (GPS). Mitigation techniques including adaptive feedback compression and channel prediction are developed. Adaptive feedback compression keeps the channel mean square error (MSE) below a threshold and achieves more than order of magnitude overhead reduction. Doppler-delay base channel prediction reduces the delay-based MSE by 10 dB, approximately. For evaluating purposes, the spatial channel model extended (SCME) as well as channel data from outdoor measurements are used. Multi-cellular simulations reveal that the users’ SIR can be enhanced by 10 dB on average. Practically this means that larger feedback delays, higher mobilities and a larger number of users can be supported in coordinated multi-point (CoMP), compared to than previously believed