Iterative Detektion von MIMO-Signalen mit linearen und erweitert-linearen Filtern

摘要

In dieser Arbeit wird die Übertragung über Mobilfunkkanäle mit mehreren Sende- und Empfangsantennen, so genannte Multiple Input Multiple Output (MIMO)-Kanäle, untersucht. Der Fokus liegt dabei auf der Entwicklung von Sendeverfahren und Empfängerstrukturen, die das große Potential der MIMO-Kanalkapazität möglichst ausschöpfen. Dem Sender liegt keine, dem Empfänger hingegen perfekte Kanalkenntnis vor. Zunächst werden unterschiedliche Sendeverfahren im Hinblick auf einen möglichen Diversity-Gewinn, der die Zuverlässigkeit der Übertragung erhöht, sowie einen Raten-Gewinn untersucht. Als reines Diversity-Verfahren werden die Space-Time-Blockcodes betrachtet. Durch analytische Berechnung ihrer Kanalkapazität wird gezeigt, wann diese einen zusätzlichen Energiegewinn nach der Detektion aufweisen. Einen maximalen Raten-Gewinn erzielen Spatial-Multiplexing, der Enhanced-Multi-Stratum-Space-Time- und der Linear-Dispersion-Code. Die beiden Letzteren stellen zusätzlich Sendeantennen-Diversity zur Verfügung, da alle Daten bzw. deren konjugiert komplexe Wiederholungen über jede Antenne gesendet werden. Den Schwerpunkt der Arbeit bildet die Entwicklung eines iterativen Empfängers, um trotz der starken räumlichen Interferenz möglichst große Gewinne zu erzielen. Die Schätzung der Daten erfolgt zur Komplexitätsreduktion mit einem linearen anstelle des optimalen APP (A Posteriori Probability)-Detektors. Ein solcher verwendet ein MMSE (Minimum Mean Squared Error)-Filter, das sich während der Iterationen adaptiv an die Restinterferenz seines interferenzreduzierten Eingangssignals anpasst. Durch Rückführung der vollständigen A-posteriori-Information anstelle der 'extrinsischen Information vom Decoder an den Detektor kann die Leistungsfähigkeit des iterativen Empfängers deutlich verbessert werden. Als Alternative zum regulären linearen MMSE-Filter wird innerhalb des Detektors zusätzlich ein erweitert-lineares (engl. widely linear) Filter verwendet. Letzteres setzt sich aus zwei komplexen Filtern zusammen, weshalb nicht nur das Empfangssignal, sondern auch das konjugiert komplexe Empfangssignal verarbeitet werden kann. Ein solches Filter ist immer dann notwendig, wenn konjugiert komplexe Daten übertragen werden, um die darin enthaltene Information zu schätzen. Zusätzlich ist das Filter in der Lage, ein rotationsvariantes Eingangssignal auszuwerten. Diese Charakteristik nimmt das MIMO-Signal während der Iterationen an, wenn das Interferenzrauschen durch den Einfluss der A-priori-Information rotationsvari-ant wird. In dieser Arbeit wird detailliert analysiert, wann das erweitert-lineare dem streng linearen Filter überlegen ist. Ferner wird die Leistungsfähigkeit der iterativen Detektion für verschiedene Sendeverfahren anhand von Fehlerraten-Simulationen verifiziert. Am Beispiel von WLAN wird gezeigt, wie eine MIMO-Übertragungsstrecke mit iterativer Detektion in ein komplexes Mobilfunksystem eingesetzt werden kann. Nach einigen Modifikationen des IEEE-Standards 802.11g lassen sich deutliche Gewinne nachweisen, die eine Steigerung des Durchsatzes ermöglichen.%This thesis considers transmission without feedback over mobile communication channels with multiple transmit and receive antennas (go called multiple input multiple output (MIMO) channels). Transmission techniques and receiver architectures are optimized in order to approach the large MIMO channel capacity.