Space-time processing for UMTS/TDD

Abstract

The aim of the EU-funded project ANTIUM was to develop a monitoring device for UMTS and DVB-T networks that allows to assess the interference situation present. The gathered information should enable operators to optimise their network. More specifically, in UMTS/TDD, which this text is restricted to, algorithms had to be developed that read the so called broadcast channels (BCHs) of as many surrounding base stations as possible. Since the ANTIUM device is equipped with multiple antennas at the receiver, space-time signal processing can beneficially be used. The task of reading the BCHs splits up into synchronisation, channel estimation, and data detection. The first aim of the synchronisation stage is scanning the received data for the presence of synchronisation codes to determine the number of impinging base station signals. Subsequently, the temporal locations of the BCHs and information on the used training sequences (basic midambles) and scrambling codes are extracted. The presented synchronisation algorithms are based on a binary hypothesis test that uses the generalised likelihood ratio to obtain a decision statistic for the presence of synchronisation codes. Averaging over several frames turns out to improve this decision statistic. Since the composition of the midambles, offered by UMTS/TDD for channel estimation purpose, depends on the unknown number of data channels present, it has to be estimated prior to channel estimation. For this task, we present two different methods. Using the estimated midambles, a multiuser channel estimation algorithm based on the MMSE principle was developed, and we also introduce a modification with interference cancellation. Knowledge of the channel impulse responses enables the data detection stage to equalise the channel and to gain the data. It turns out that for the conventional space-time MMSE filter, no sufficient estimation accuracy of the required correlation matrix can be obtained. A possible solution is to explicitly calculate the correlation matrix instead of estimating it. For this task, we have to detect the present data channels and their respective transmit amplitudes. Since this can most accurately be done for the strongest base station, we used an interference cancellation approach. Since the three stages are not independent of each other, we finally investigated the influence of inaccurate synchronisation and channel estimation results on detection performance. Simulations of the whole receiver system yielded satisfying results, but also showed that channel estimation accuracy has overriding impact on data detection.

Ziel des EU-Projektes ANTIUM war die Entwicklung eines Analysegeraetes fuer UMTS und DVB-T Netze, das es erlaubt die vorliegende Stoersignalkonstellation zu ermitteln. Diese Information kann dann vom Netzbetreiber fuer Optimierungen verwendet werden. Konkret sollten in der vorgestellten Arbeit, die sich auf UMTS/TDD Systeme beschraenkt, Algorithmen entwickelt werden, die die sogenannten Broadcast Kanaele (BCHs) von moeglichst vielen umliegenden Basisstationen auslesen. Da im Rahmen von ANTIUM mehrere Antennen am Empfaenger zur Verfuegung stehen, bietet sich dafuer raeumlich-zeitliche Signalverarbeitung an. Die Aufgabe des Auslesens der BCHs zerfaellt in die funktionellen Einheiten Synchronisation, Kanalschaetzung und Datendetektion. Ziel der Synchronisationsstufe ist es zunaechst, das Empfangssignal nach dem Vorhandensein von Synchronisationssequenzen zu durchsuchen um so die Anzahl der Basisstationssignale festzustellen. Danach koennen dann die zeitlichen Lagen der BCHs sowie Informationen ueber die verwendeten Trainingssequenzen (basic midambles) und Spreizcodes gewonnen werden. Die vorgestellten Synchronisationsalgorithmen basieren auf einem binaeren Hypothesentest der mittels eines verallgemeinerten Likelihood-Verhaeltnisses eine Entscheidungsstatistik fuer das Vorhandensein der Synchronisationssequenzen liefert. Mittelung ueber mehrere Rahmen verbessert diese Entscheidungsstatistik erheblich. Da die Zusammensetzung der von UMTS/TDD zur Kanalschaetzung angebotenen Trainingssequenzen von der unbekannten Anzahl der Datenkanaele abhaengt, muss diese vor der eigentlichen Kanalschaetzung noch ermittelt werden. Fuer diese Aufgabe stellen wir zwei verschiedene Methoden vor. Mit den geschaetzten Trainingssequenzen kann dann eine Mehrbenutzerkanalschaetzung basierend auf dem MMSE Prinzip erfolgen, wobei wir auch eine Modifikation mit Stoerungsunterdrueckung vorstellen. Erst mit Hilfe der Kanalimpulsantworten ist es der Datendetektionsstufe moeglich die Kanaele zu entzerren und die Daten zu gewinnen. Fuer die benoetigte Korrelationsmatrix eines raeumlich-zeitlichen MMSE Filters ist aber leider keine brauchbare Schaetzgenauigkeit zu erzielen. Als Ausweg bietet sich an, die Korrelationsmatrix nicht zu schaetzen, sondern zu berechnen, wofuer die Anzahl der vorhandenen Datenkanaele und deren Sendeamplituden ermittelt werden muessen. Da das am besten fuer die staerkste Basisstation funktioniert, bietet sich der Einsatz einer Stoerungsunterdrueckungsstruktur an. Die drei Stufen arbeiten nicht unabhaengig voneinander und so wurde abschliessend der Einfluss ungenauer Schaetzergebnisse auf die jeweils nachfolgenden Stufen untersucht. Simulationen des Gesamtsystems bringen zwar zufriedenstellende Resultate, zeigen aber auch, dass die Kanalschaetzgenauigkeit grossen Einfluss auf das Detektionsverhalten hat.