Channel estimation and precoding in closed-loop distributed multi-antenna systems

Abstract

Today’s wireless cellular systems are limited by inter-cell interference. Coordinated multi-point transmission and reception (CoMP) is a promising approach to cope with this problem. Here, multiple base stations act as a distributed antenna system, exchanging coordination information and potentially user data via backhaul in order to reduce this interference, increasing spectral efficiency and generating a more homogeneous user experience throughout the entire cell, especially at the currently weak cell edges. This dissertation aims at enabling coordinated multi-point systems by dealing with its current realization challenges. Accurate channel knowledge is required both at transmitter and receiver side in order to realize the CoMP gains. Hence, practical channel estimation algorithms are investigated and developed in order to get as accurate channel knowledge as possible with manageable computational complexity under realistic system operation points. Especially the often neglected obtainment of statistical parameter knowledge is included here, which is challenging under dynamic user scheduling conditions. A multi-user multi-cell channel estimator is provided which, even for larger number of coordinated cells, can get receiver performance fairly close to performance with perfect channel knowledge. Furthermore, different downlink precoding and receive combining strategies are compared against each other under imperfect channel knowledge. As the number of coordinated cells - the cluster size - is limited in practice, mobiles at cluster edges suffer from inter-cluster interference. A novel patented precoding and control signaling scheme is introduced in order to deal with the inter-cluster interference.

Heutige zellulare Mobilfunksysteme sind begrenzt durch Interzell-Interferenz. Koordinierte Mehrpunkt-Sende- und Empfangsverfahren (“Coordinated multi-point transmission and reception” - CoMP) sind ein vielversprechender Ansatz, um das Interferenzproblem anzugehen. Hierbei agieren mehrere Basisstationen als ein verteiltes Mehrantennensystem und tauschen Koordinierungsinformationen sowie optional auch Nutzerdaten mit Hilfe des “Backhauls” aus, um den Einfluß der Interferenz zu reduzieren. Dadurch wird die spektrale Effizienz erhöht und eine homogenere erlebte Nutzerqualität über die ganze Zelle geschaffen, was insbesondere die Situation am Zellrand verbessert. Diese Dissertation zielt darauf ab, Systeme mit koordinierten Mehrpunkt-Verfahren in die Praxis umzusetzen, indem begrenzende Faktoren bei der Umsetzung gelöst werden. Exakte Kenntnis des aktuellen Funkkanals wird sowohl am Sender als auch am Empfänger benötigt, um die CoMP-Gewinne realisieren zu können. Daher werden in dieser Arbeit praktikable Kanalschätzalgorithmen unter machbarem Komplexitätsaufwand untersucht und entwickelt, um möglichst genaues Kanalwissen unter realistischen Systemarbeitspunkten zu erlangen. Besonders die oft vernachlässigte Gewinnung von statistischem Parameterwissen ist in dieser Arbeit inbegriffen, wobei die erschwerende dynamische Nutzerzuweisung berücksichtigt ist. Ein Mehrbenutzer-Mehrzell-Kanalschätzer wird erarbeitet, der selbst für eine größere Anzahl koordinierter Zellen, eine Leistungsfähigkeit des Empfängers erreicht, die nah an perfektes Kanalwissen heranreicht. Ein weiterer Aspekt dieser Arbeit ist der Vergleich verschiedener Mehrantennen-Sende- und Empfangsstrategien in der Abwärtsstrecke unter unvollkommenem Kanalwissen. Da die Zahl der koordinierbaren Zellen, d.h. die Zellverbunds-Größe, in der Praxis begrenzt ist, erfahren Mobilgeräte am Rand des Zellverbunds Interferenzen von Nachbar-Zellverbänden. In dieser Dissertation wird ein neuartiges Verfahren erarbeitet, das auch patentiert wurde, um diese Interferenz zu reduzieren.