Peter Schramm


Modulationsverfahren für CDMA-Mobilkommunikationssysteme unter Berücksichtigung von Kanalcodierung und Kanalschätzung

Band 1, Kommunikations- und Informationstechnik, Herausgeber: B. Girod und J. Huber, Shaker Verlag, Aachen, ISBN 3-8265-1927-2

Zusammenfassung

In der vorliegenden Arbeit werden Übertragungsverfahren für CDMA-Mobilkommunikationssysteme auf der Basis konventioneller Demodulation, d.h. bei Modellierung der unvermeidlichen Teilnehmerinterferenz als weißes Rauschen, untersucht. Der zentrale Aspekt ist dabei die Analyse, die Optimierung und der Vergleich von geeigneten Modulationsverfahren für die zugrundeliegende Spreizbandübertragung, insbesondere bei Anwendung von Faltungscodierung und unter Einbeziehung der Kanalschätzung. Als Kanalmodelle werden frequenzselektive Rayleigh-Fadingkanäle vorausgesetzt.

Nach einer kurzen Einleitung und einer Einführung in die Grundlagen von Spreizbandübertragung und Codemehrfachzugriff (CDMA) wird gezeigt, daß die spektrale Effizienz von CDMA-Systemen durch die Verwendung von möglichst leistungseffizienten Spreizbandübertragungsverfahren maximiert wird. Gemäß diesem Resultat werden geeignete Spreizbandübertragungsverfahren untersucht.

Aufgrund seiner hohen Leistungseffizienz stellt in diesem Zusammenhang binäre Phasenumtastung (2PSK) in Verbindung mit einem Pilotkanal, der eine kohärente Demodulation ermöglicht, gemäß dem heutigen Stand der Technik das geeignetste Modulationsverfahren für die Abwärtsstrecke in einem konventionellen CDMA-System dar. Für dieses Verfahren wird zunächst ein Demodulator untersucht, der in der Lage ist, sich schnell der momentanen Kanalgewichtsfunktion anzupassen. Dadurch kann der Verlust durch die bei praktischen Implementierungen meist gegebene Fehlanpassung der Anzahl der Korrelatoren an die Anzahl der Ausbreitungspfade im Kanal teilweise kompensiert werden. Anschließend wird für 2PSK-Modulation mit Faltungscodierung eine obere Schranke der Bitfehlerwahrscheinlichkeit abgeleitet. Durch dieses Resultat wird unter anderem die Wirkung der Mehrwegeausbreitung und der Faltungscodierung auf die Leistungseffizienz des Übertragungsverfahrens offensichtlich.

Ein wichtiger Aspekt der Arbeit ist die Untersuchung von Kanalschätzmethoden. Hierzu werden verschiedene Prinzipien aufgezeigt und ihre Anwendung für die im weiteren aufgeführten Modulationsverfahren diskutiert.

Für 2PSK-Modulation mit Pilotkanal gelingt für die Übertragung sowohl ohne als auch mit Faltungscodierung eine analytische Berechnung des aufgrund nicht perfekter Kanalschätzung hinzunehmenden Verlusts in der Leistungseffizienz. Mit diesem Ergebnis ist es möglich, die Optimierung von Systemparametern, wie beispielsweise der Coderate oder der Aufteilung der Sendeleistung auf den Pilot- und den Datenkanal, vorzunehmen.

Insbesondere für die Aufwärtsstrecke geeignete Modulationsverfahren sind pilotsymbolunterstützte 2PSK-, differentielle 2PSK-, differentiell kohärente 2PSK- und orthogonale Modulation gemäß dem Standard IS-95. Für pilotsymbolunterstützte 2PSK-Modulation gelingt, wie zuvor bei 2PSK mit Kanalschätzung im Pilotkanal, eine analytische Berechnung des Verlusts infolge nicht perfekter Kanalschätzung, gemäß der die Optimierung des Systemparameters Pilotsymbolabstand durchgeführt werden kann.

Für differentielle 2PSK-Modulation wird der Verlust gegenüber kohärenter 2PSK-Modulation berechnet. Als ein zu differentieller 2PSK kompatibles Übertragungsverfahren wird differentiell kohärente 2PSK-Modulation eingeführt. Für dieses Verfahren wird ein analytisches Berechnungsverfahren für die optimale Metrik zur Kanaldecodierung gemäß dem Maximum-Likelihood-Kriterium vorgestellt.

Im Standard IS-95 ist eine 64-stufige orthogonale Modulation in Kombination mit binärer Faltungscodierung und binärem Interleaving spezifiziert. Es wird aufgezeigt, daß sich die Leistungseffizienz dieses Übertragungsverfahrens, für das in der Literatur eine inkohärente Demodulation vorgeschlagen wird, durch die Verwendung kohärenter Demodulation steigern läßt. Hierzu notwendige Methoden der Kanalschätzung werden entwickelt.

Vergleiche der betrachteten Übertragungsverfahren in Hinblick auf hohe Leistungseffizienz und geringe Komplexität sowie sich daraus ergebende Schlußfolgerungen schließen die Arbeit ab.


Modulation Schemes for CDMA Mobile Communication Systems with Focus on Channel Coding and Channel Estimation

(in German)


Abstract

In this thesis, modulation schemes for code-division multiple-access (CDMA) mobile communication systems based on conventional demodulation are addressed. There is a focus on analysis, opimization, and comparison of suitable modulation schemes for the underlying spread spectrum transmission concentrating on systems with convolutional coding and realistic channel estimation schemes. The mobile radio channel is modelled as a frequency-selective Rayleigh fading channel.

After a short introduction in spread spectrum communication and CDMA, the spectral efficiency of CDMA systems is derived as a function of the power efficiency of the underlying spread spectrum transmission scheme. Based on this result, suitable spread spectrum transmission schemes with high power efficiency are considered. The demodulation is assumed to take place using rake receivers.

2PSK is a very power-efficient modulation scheme, but it needs a pilot signal to facilitate coherent demodulation. In the downlink, a common pilot channel could be used with low loss in power efficiency. Therefore, 2PSK modulation with pilot channel is the preferable modulation scheme for the downlink, but it could be used in the uplink, too. For this modulation scheme, at first a rake receiver is considered which could adapt rapidly on the momentary channel impulse response. In general, the number of propagation paths and the number of correlators in the rake are not equal. Therefore, there could be a gain by rapidly adapting the correlators on the momentary channel impulse function if there are more paths than correlators. The quantity of this gain is derived analytically as a function of the time the correlators dwell on the propagation paths.

For the case of application of convolutional coding, an upper bound for the bit error probability is derived for transmission over frequency-selective fading channels. This result can be viewed as a generalization of the upper bound for frequency-nonselective channels published recently.

One central aspect of the thesis is channel estimation in rake receivers. For 2PSK modulation with pilot channel, the loss by channel estimation is derived analytically. This result allows the optimization of parameters like the ratio of signal power in the data and pilot channel without any simulation.

A great part of the thesis deals with modulation schemes which could be used in uplink. Besides 2PSK modulation with pilot channels for each user, the addressed schemes are pilot symbol assisted 2PSK, differential 2PSK, differentially coherent 2PSK, and coherent modulation.

For pilot symbol assisted 2PSK modulation, the loss by channel estimation is derived analytically. With this result, the optimum pilot symbol spacing could be calculated without any simulation.

The performance of differential 2PSK suffers from noncoherent demodulation. It degrades about 4dB or more compared to coherent 2PSK if powerful channel coding is applied. On the other hand, coherent 2PSK is not applicable without using any pilot signal for channel estimation. Therefore, a transmission scheme is proposed which uses a coherent rake receiver with maximum-ratio combining and decision-directed channel estimation for demodulation. Because decision-directed channel estimation cause a phase ambiguity of demodulator output signal, differential precoding at the transmitter side and corresponding differential demodulation at the receiver side is necessary. The resulting transmission scheme is called differentially coherent 2PSK. It outperforms differential 2PSK with noncoherent demodulation by 1dB or more, especially in the case of multipath propagation. It should be remarked that the proposed receiver is compatible to differential 2PSK, so that it could be used in the uplink of the CODIT system.

In order to avoid channel estimation and to use power-efficient transmission, in the standard IS-95 64-ary orthogonal modulation is defined. At the moment, noncoherent demodulation is applied. In this thesis, the use of coherent demodulation is proposed. In order to guarantuee the compatibility to IS-95, a decision-directed channel estimation scheme is introduced. In typical channel szenarios, this receiver structure leads to a performance improvement of 1dB or more.

The thesis is finished with a comparison of all modulation schemes with powerful convolutional coding and channel estimation in view of power efficiency.