System-level modeling and optimization of MIMO HSDPA networks

Abstract

Die Einbindung der Medium Access Control (MAC)-schicht in Vorgänge der Bitübertragungsschicht ist eines der grundlegenden Konzepte moderner Funknetzwerke. Die Allokation und das Scheduling passend zur Bitübertragungsschicht garantiert eine effiziente Ausnutzung der Netzwerk-Ressourcen. Das bedeutete jedoch auch, dass die klassische Betrachtung der Übertragungsstrecke---mit Fokus auf die Bitübertragungsschicht---nicht mehr ausreicht um optimale Sende- und Empfangsstrukturen sowie Algorithmen zu entwickeln.<br />Diese Doktorarbeit präsentiert die Entwicklung und einige Anwendungen eines system-level Modells das geeignet ist den Downlink von Mehrfachantennen (MIMO) High-Speed Downlink Packet Access (HSDPA) darzustellen. Besonderer Fokus wird dabei auf den Double-Stream Transmit Antenna Array (D-TxAA) Übertragungsmodus gelegt. Das vorgeschlagene Modell erlaubt die Untersuchung und das Testen von Übertragungssystemen und Algorithmen im Kontext von zellulären Netzwerken. Um eine vollständige Systembeschreibung zu erhalten, werden zwei getrennte Modelle entwickelt: (i) ein link-quality Modell, welches die MIMO HSDPA Verbindungsqualität analytisch in einer sogenannten äquivalenten Schwund-Parameter-Struktur darstellt, und (ii) ein link-performance Modell, welches eine Vorhersage der Blockfehlerrate (BLER) der Übertragung ermöglicht.<br />Basierend auf diesem neuen System-Modell wird außerdem ein neuartiger flexibler system-level Simulator entwickelt. Der in MATLAB implementierte Simulator wird anschließend für eine Reihe an Optimierungen verwendet. Zuerst wird eine allgemeine Untersuchung der System-Leistung von D-TxAA MIMO HSDPA im Kontext zellulärer Netzwerke durchgeführt. Die gewonnen Erkenntnisse führen zu einigen Empfehlungen und Richtlinien für die Funknetzplanung. Danach wird ein Radio-Link Control (RLC) basierender Algorithmus entwickelt und getestet, welcher für D-TxAA die geeignete Anzahl der parallelen Sendeströme ermittelt.<br />Der Algorithmus zeichnet sich insbesondere durch eine erhöhte Robustheit gegen Fehler bei den Kanalqualitäts-Rückmeldungen der mobilen Endgeräte aus. Anschließend wird ein neuer Scheduler vorgestellt, welcher Informationen über den Inhalt der zu übertragenen Pakete verwendet um die Qualität von gestreamten Videos zu erhöhen. Neben der Forschung mit Fokus auf den HSDPA Datenkanal (HSDSCH) werden auch die Signalisierungskanäle---welche sehr wichtig für das Betreiben von Funknetzwerken sind---untersucht. Insbesondere wird die optimale Leistungsverteilung des Pilot-Kanals (CPICH) für unterschiedliche Netzwerk-Konfigurationen bestimmt. Die gewonnen Erkenntnisse sind sehr wichtig für MIMO HSDPA Testversuche, aber auch für die Optimierung von eventuell schon bestehenden MIMO HSDPA Zellgruppen.<br />Abschließend wird ein Minimum Mean Squared Error (MMSE) Entzerrer entwickelt der die Interferenz-Struktur von TxAA Übertragungen berücksichtigt. Das zugrundeliegende System-Modell ist eine Erweiterung der klassischen Einfachnutzer Sichtweise. Durch Simulationen der Funkübertragungsstrecke und system-level Simulationen werden sowohl die theoretischen Limits als auch die Datendurchsatz-Leistungsfähigkeit unter realistischen Bedingungen untersucht. Die Ergebnisse zeigen beachtliche Leistungsgewinne des vorgeschlagenen Entzerrers bei Funkkanälen mit großen Laufzeiten.<br />

Interaction between the Medium Access Control (MAC)-layer and the physical-layer routines is one of the basic concepts of modern wireless networks. Physical-layer dependent resource allocation and scheduling guarantees efficient network utilization. Accordingly, classical link-level analyses, focusing only on the physical-layer are not sufficient anymore for optimum transceiver structure and algorithm development.<br />This thesis presents the development and application of a system-level description suitable for the downlink of Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) enhanced High-Speed Downlink Packet Access (HSDPA), with particular focus on the Double-Stream Transmit Antenna Array (D-TxAA) transmission mode. The system-level model allows for investigating and evaluating transmission systems and algorithms in the context of cellular networks. Two separate models are proposed to obtain a complete system-level description: (i) a link-quality model, analytically describing the MIMO HSDPA link quality in a so-called equivalent fading parameter structure, and (ii) a link-performance model, capable of predicting the BLock Error Ratio (BLER) performance of the transmission.<br />Based on this novel system-level model, a flexible system-level simulator is developed. The simulator, implemented in MATLAB, is subsequently applied for a set of different optimizations. First, some general investigations of the system behavior of D-TxAA MIMO HSDPA in the cellular network context are conducted. This leads to recommendations and guidelines for network planning. Afterwards a Radio Link Control (RLC) based D-TxAA stream number decision algorithm with enhanced robustness against outdated User Equipment (UE) Channel Quality Indicator (CQI) feedback is developed. Similarly, a novel content-aware MAC-hs scheduler increasing the Quality of Experience (QoE) for video-streaming is proposed and its performance is assessed. Besides the research focusing on the High-Speed Downlink Shared CHannel (HS-DSCH) also the signaling channels---being very important for the operation of wireless networks---are investigated. In particular, an optimization of the Common PIlot CHannel (CPICH) power allocation for various network configurations is conducted. The findings are especially important for MIMO HSDPA trials, but can also be valuable for the optimization of already existing MIMO HSDPA cell clusters.<br />Finally, a multi-user interference-aware Minimum Mean Squared Error (MMSE) equalizer is developed. This novel receiver takes the structure of the TxAA interference in the cell into account. The underlying system-model represents an extension to the classical single-user analysis. By means of physical-layer and system-level investigations the theoretical limits as well as the throughput under realistic channel conditions are evaluated. The results show significant performance gains of the interference-aware equalizer for channels with large delay spread.