Ein Beitrag zum Vielfachzugriff, zur Synchronisation und Kanalschätzung in einem OFDM-basierten Mobilfunksystem

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Zukünftige Mobilfunksysteme sollen neben der reinen Sprachkommunikation insbesondere auch Anwendungen mit einem hohem Datenverkehrsaufkommen wie Dateitransfers oder Video-Streaming in mobiler Umgebung zur Verfügung stellen. Hierzu müssen diese Systeme sowohl die hierfür erforderliche Übertragungsrate pro Teilnehmer bereitstellen als auch flexibel eine Vielzahl von zum Teil hoch mobilen Teilnehmern unterstützen. Die Übertragung erfolgt dabei in einer Umgebung, die durch starke Mehrwegeausbreitung gekennzeichnet ist.

Die orthogonale Mehrträger-Übertragungstechnik (OFDM) stellt ein effizient zu realisierendes Verfahren zur breitbandigen Datenübertragung dar, welches auch in einer durch starke Mehrwege¬ausbreitung beeinflussten Übertragungsumgebung eine hohe Leistungsfähigkeit besitzt. Die OFDM- Übertragungstechnik beruht auf einer Unterteilung der Systembandbreite in eine große Anzahl sich gegenseitig nicht beeinflussender Teilbänder. Für die Versorgung einer großen Anzahl gleichzeitig aktiver Teilnehmer ist eine effiziente Nutzung der zur Verfügung stehenden Ressourcen durch ein geeignetes Vielfachzugriffsverfahren von großer Bedeutung. Aufgrund seiner Signalstruktur können mit der OFDM-Übertragungstechnik, unter Ausnutzung der orthogonalen Teilbänder, neben einfachen Zeitmultiplex- auch Frequenz- und Codemultiplex-Vielfachzugriffsverfahren besonders effizient realisiert werden.

In dieser Arbeit wird die Kombination der OFDM-Übertragungstechnik mit verschiedenen Vielfachzugriffsverfahren untersucht und deren Leistungsfähigkeit verglichen. Es wird dabei sowohl die Abwärts- als auch die Aufwärtsstrecke eines Mobilfunksystems betrachtet. Ein besonderer Schwerpunkt liegt auf dem Vielfachzugriff im Frequenzmultiplex mit einer kanaladaptiven Zuteilung der Ressourcen. Es wird ein Algorithmus zur Ressourcenzuteilung vorgeschlagen, der, bei wesentlicher geringerer Komplexität, nahezu die gleiche Leistungsfähigkeit aufweist, die mit einer optimalen Ressourcenzuteilung erreicht werden kann. Weiterhin wird eine Kombination des Frequenz- und Codemultiplex-Vielfachzugriffs betrachtet, die in der Aufwärtsstrecke zu einer Struktur des Senders einer Mobilstation mit besonders geringer Komplexität führt.

In der Aufwärtsstrecke eines OFDM-Mehrteilnehmersystems ist die Frequenzsynchronisation der Mobilstationen von entscheidender Bedeutung, da eine unzureichende Synchronisation zu massiven Teilnehmerinterferenzen führt. In dieser Arbeit wird daher analysiert, welche Leistungsfähigkeit sich in der Aufwärtsstrecke bei Verwendung eines auf der Auswertung des in der Abwärtsstrecke empfangenen Signals basierenden Synchronisationsverfahrens erreichen lässt. Es wird außerdem ein Verfahren zur Kompensation von Restsynchronisationsfehlern durch die Basisstation diskutiert.

Sowohl zur Entzerrung der Signale der Mobilstationen als auch für eine kanal-adaptive Zuteilung der Ressourcen wird an der Basisstation die Kenntnis der Kanalübertragungsfunktionen aller Teilnehmer benötigt. Es werden in dieser Arbeit die Möglichkeiten einer auf Pilotsymbolen basierenden Kanalschätzung betrachtet. In der Aufwärtsstrecke steigt die zur Rekonstruktion der Übertragungsfunktion notwendige Anzahl der Pilotsymbole mit der Anzahl der Nutzer. Deshalb ist dort eine effiziente Pilotsymbolstruktur von großer Bedeutung, die die Anzahl der benötigten Pilotsymbole minimiert. Es werden verschiedene Pilotsymbolstrukturen hinsichtlich ihrer Eignung für eine Kanalschätzung in der Aufwärtsstrecke verglichen. Dabei zeigt sich, dass bei einer Trennung der Pilotsymbole in Frequenzrichtung durch die Berücksichtigung der Signallaufzeiten die erforderliche Anzahl der Pilotsymbole ohne eine Verringerung der Leistungsfähigkeit des Systems deutlich reduziert werden kann.