Performance limits and channel state information in wireless MIMO communication systems

Abstract

In der drahtlosen Kommunikationstechnik sind der Einsatz mehrerer Sende- und Empfangsantennen, d.h. Multiple-Input Multiple-Output (MIMO)-Systeme, und die Verwendung mehrerer orthogonaler Trägersignale - ein Modulationsverfahren namens Orthogonal Frequency-Division Multiplexing (OFDM) - zwei der vielversprechendsten Technologien, um die Datenrate zukünftiger Übertragungssysteme zu steigern und den immer anspruchsvolleren Diensten gerecht zu werden.<br />Neben dem gesteigerten Datendurchsatz erlauben diese Techniken eine höhere Zuverlässigkeit und eine verbesserte Störungsunterdrückung. Ein optimaler Entwurf des Empfängers (insbesondere die Demodulation und Kanalschätzung für MIMO-OFDM) ist jedoch üblicherweise mit einem hohen Rechenaufwand verbunden (in der Regel steigt die Komplexität exponentiell mit der Anzahl der Antennen). Aus diesem Grund wurde eine Vielzahl suboptimaler Verfahren vorgeschlagen, zumeist unter der Annahme, dass perfekte Kanalzustandsinformation zur Verfügung steht. In der Praxis führen jedoch Kanalschätzfehler zu erheblichen Leistungseinbußen. In dieser Dissertation werden daher folgende praktisch wichtige Fragen behandelt: Wie kann die Leistungsfähigkeit von MIMO-Demodulationsverfahren gemessen und miteinander verglichen werden? Welchen Einfluss hat fehlerhafte Kanalzustandsinformation auf die verschiedenen Demodulatoren? Und, wie kann die Kanalzustandsinformation in MIMO-OFDM-Systemen zuverlässig bestimmt werden? Obwohl es weit verbreitet ist, die Leistungsfähigkeit von Demodulationsverfahren anhand von kodierten Bitfehlerraten zu messen, ist dieses Maß für einen Vergleich unterschiedlicher Demodulatoren ungeeignet, da die Ergebnisse stark von der verwendeten Kanalcodierung abhängen. Motiviert durch diese Beobachtung, schlagen wir zur Bewertung der Leistungsfähigkeit von MIMO-Demodulatoren einen informationstheoretischen Ansatz vor. Dieser basiert auf der mittleren Transinformation, welche sich als Systemkapazität eines äquivalenten "Modulationskanals" (Modulator, Funkkanal und Demodulator) interpretieren lässt. Darauf basierend führen wir einen umfassenden Vergleich verschiedener MIMO-Demodulatoren für diverse Systemkonfigurationen durch und analysieren die Robustheit der unterschiedlichen Methoden in Bezug auf fehlerhafte Kanalzustandsinformation. Unser Ansatz bietet Richtlinien, welche Antennenkonfiguration, Symbolkonstellation und Demodulationsmethode gewählt werden sollte, um eine bestimmte Informationsrate mit minimalem Signal-Rausch-Abstand zu erreichen. Eine wichtige Erkenntnis hierbei ist die Tatsache, dass keine universelle Reihung der MIMO-Demodulatoren möglich ist, da deren Leistungsfähigkeit von der Coderate bzw. vom Signal-Rausch-Abstand abhängt.<br />Im zweiten Teil dieser Dissertation stellen wir eine praktikable Methode zur Kanalschätzung in OFDM-Systemen mit irregulärer Pilotverteilung vor.<br />Die meisten Kanalschätzverfahren wurden für eine regelmäßige Anordnung der Piloten enworfen. In mehreren Situationen ist jedoch eine unregelmäßige Pilotverteilung vorteilhaft. Ein Beispiel sind adaptive Mehrfachzugriff-Systeme für OFDM: hierbei wird in der Aufwärtsstrecke das Prinzip der Mehrbenutzer-Diversität ausgenützt, indem die einzelnen Subträger den Benutzern dynamisch zugewiesen werden, was eine unregelmäßige Verteilung der Piloten zur Folge hat. Basierend auf Ideen aus dem Gebiet der irregulären Abtastung schlagen wir ein trainingsbasiertes Kanalschätzverfahren vor, dass auf eine nahezu beliebige Verteilung der Piloten angewendet werden kann und einen nur sehr geringen Rechenaufwand benötigt. Wir diskutieren ein- und zweidimensionale Versionen des vorgeschlagenen Kanalschätzers und wenden unser Verfahren auf Mehrantennen- und Mehrbenutzer-OFDM-Systeme an.<br />Umfangreiche numerische Simulationen bestätigen, dass die vorgeschlagene Methode annähernd die Leistungsfähigkeit von rechnerisch viel aufwändigeren Schätzverfahren erreicht, welche auf der Minimierung des mittleren, quadratischen Fehlers beruhen. Darüber hinaus kommt unser Verfahren ohne Verwendung der Kanalstatistik aus.<br />

In the context of wireless communications, multiple-input multiple-output (MIMO) and orthogonal frequency-division multiplexing (OFDM) are two key technologies to achieve the high data rates required by future wireless services. Besides increased throughput, these schemes allow for improved link reliability and for interference suppression.<br />However, optimum receiver design (specifically demodulation and channel estimation for MIMO-OFDM) comes at the cost of high computational complexity (usually exponential in the number of antennas). For this reason, a large amount of suboptimal schemes has been proposed. Most demodulators are designed under the assumption that perfect channel state information (CSI) is available. However, in practice channel estimation errors usually result in significant performance degradations. In this thesis, we hence address the following important practical questions: How can the performance of MIMO demodulators be assessed appropriately? How does imperfect CSI influence the performance of the various MIMO demodulation schemes? And how can CSI be reliably obtained in MIMO-OFDM systems? Even though widely used for demodulator comparison, coded bit error rate results can change dramatically with different channel codes, hence rendering a meaningful demodulator comparison difficult. Motivated by this observation, we first provide an information-theoretic approach for assessing the performance of MIMO demodulators. Based on mutual information, we introduce a quantity that can be interpreted as system capacity of the equivalent "modulation" channel that comprises modulator, wireless channel, and demodulator. We then provide a comprehensive performance comparison of MIMO demodulators for various system configurations and we analyze the robustness of the various demodulation schemes under imperfect CSI. Our results show which antenna configuration, symbol constellation, and demodulator should be chosen to achieve a certain information rate with minimum signal-to-noise ratio (SNR). A major insight is the fact that there is no universal performance ranking of MIMO demodulators, i.e., such a ranking depends on the code rate or, equivalently, on the SNR.<br />In the second part of this thesis, we provide a feasible framework for channel estimation in OFDM systems based on irregular pilot arrangements. Most channel estimation schemes have been designed for regular pilot arrangements. However, irregular pilot distributions turn out to be beneficial in several situations. An example are adaptive OFDM multiple access systems, where irregular pilots result from the fact that the uplink uses dynamic subcarrier allocations for the users in order to exploit multi-user diversity. Based on ideas from nonuniform sampling, we propose a training-based channel estimation scheme that can deal with almost arbitrary pilot arrangements while featuring very low computational complexity. One- and two-dimensional versions of our channel estimator and their application to MIMO and multi-user OFDM systems are discussed. Extensive numerical simulations corroborate that the proposed method performs similarly to computationally much more expensive minimum mean square error estimators, even though it does not use second-order channel statistics.