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Angetrieben vom menschlichen Bedürfnis nach Kommunikation und sozialer Interaktion hat der Mobilkommunikationssektor in den letzten Jahren einen unglaublichen Aufschwung erfahren. Initiiert durch die mobile Sprachkommunikation und das Internet evolutionierten sich zum einen bestehende Systeme in den letzten Jahren immer weiter und zum anderen entstanden zahlreiche neue Systeme. Schlagwörtern wie Medienkonvergenz und Quality of Service wurde hierbei steigende Beachtung geschenkt. Diese Paradigmen, sowie der Wunsch unterschiedliche Standards und Anwendungen durch einen einzigen integrativen Systemansatz zu bedienen, verlangen nach leistungsfähigeren und flexibleren Systemen, die höchste Datenraten zur Verfügung stellen, aber trotzdem kleiner sind, energiesparender arbeiten und wirtschaftlicher produzierbar sind. Zwei wesentliche Problemstellungen müssen für die Konzeption hochbitratiger drahtloser digitaler Kommunikationssysteme gelöst werden. Erste Hürde ist die so genannte Mehrwegeausbreitung, die eine Verzerrung des Übertragungssignals verursacht, zweites Problem ist die Begrenzung der Bandbreite und Sendeenergie durch behördliche und lizenzrechtliche Restriktionen. Eine Möglichkeit, das Problem der Mehrwegeausbreitung zu lösen, bietet der Einsatz von Entzerrern, insbesondere von Frequenzbereichsentzerrern, die in dieser Arbeit Gegenstand sein werden. Die Arbeit ist folgendermaÿen gegliedert: In Kapitel 2 werden die Grundlagen der digitale Übertragungstechnik, soweit sie fürdiese Arbeit von Relevanz sind, zusammengefasst. Kapitel 3 enthält eine Übersicht über die wichtigsten Kanaleigenschaften und Kanalkenngrößen, die für die nachfolgenden Simulationen als Basis dienen. In Kapitel 4 werden Entzerrer, insbesondere Realisierungen im Frequenzbereich (FDE: Frequency Domain Equalization) für Einträgersysteme (SC: Single Carrier) untersucht. Die Frequenzbereichsentzerrung bietet ab einer bestimmten Anzahl an im digitalen Signal auflösbaren Ausbreitungspfaden einen signifikanten Komplexitätsvorteil. Dabei werden nicht nur die klassischen empfängerseitigen Konzepte analytisch beschrieben, sondern auch Vorverzerrer und kombinierte Verfahren untersucht. Der Einsatz von Mehrantennensystemen liefert den Schlüssel zur Lösung des zweiten Problems. Diesen Systemen ist in den letzten Jahren ein stetig wachsendes Interesse entgegengebracht worden, da analytisch gezeigt werden konnte, dass die Kanalkapazität linear mit der Zahl der Antennen und der Zahl der Ausbreitungspfade steigt. Dank dieses Verfahrens können höhere Datenraten bzw. geringere Anforderungen an das Signal-Störleistungsverhältnis ohne eine Erhöhung der Sendeleistung oder der Bandbreite realisiert werden. In Kapitel 5 werden verschiedene relevante Prinzipien solcher Mehrantennensysteme beschrieben und für das SC/FDE-System adaptiert. Im Detail werden Maximum Ratio Combining (MRC) als Konzept zur Nutzung der Empfangsdiversität, Space-Time Block Coding (STBC) nach dem erweiterten Alamouti-Prinzip zur Nutzung von Sendediversität, sowie Spatial Multiplexing (SM) zur Nutzung der gesamten Raumdiversität vorgestellt. Das SM-Verfahren wird in dieser Arbeit durch das optimale kanalangepasste Matched-Filter sowie durch ein aus der Mehrnutzerdetektion bekanntes Verfahren, der sukzessiven Interferenzunterdrückung (SIC: Successive Interference Cancelation), erweitert. Kapitel 6 hat die Entwicklung eines datengestützten Konzepts zum Inhalt, mit dem alle anfallenden Synchronisationsaufgaben, wie Automatic Gain Control (AGC), Rahmensynchronisation, Schätzung der Trägerfrequenzablage und Kanalschätzung, für paketorientierte Systeme ausgeführt werden können. Kapitel 6 bildet zugleich eine notwendige Grundlage für den dritten und letzten Schwerpunkt dieser Arbeit: der Entwicklung eines Demonstratorsystems, mit dem die prinzipielle Funktion des SC/FDE-Systems verifiziert wird. Die Konzeption dieses Demonstrators wird im ersten Teil des Kapitel 7 ausführlich erläutert. Es folgen weitergehende Beschreibungen der verwendeten Komponenten und Bauteile sowie der selbst entwickelten Module. Alle verwendeten Hard- und Software-Schnittstellen werden kurz vorgestellt, wobei die Darstellungen jedoch nicht als Ersatz für ein Datenblatt oder für die zugehörigen Dokumentationen dienen sollen. Messergebnisse runden dieses Kapitel und die Arbeit ab. Im Rahmen dieser Dissertation wird analytisch und simulativ gezeigt, dass das untersuchte SC/FDE-System eine vergleichbare Komplexität gegenüber konkurrierenden Verfahren wie Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) aufweist und zusätzlich signifikante Vorteile, wie das bessere Peak to Average Power Ratio (PARP), bietet. SC/FDE stellt nicht nur eine echte Alternative zu OFDM-Systemen dar, sondern kann in Kombination mit OFDM durch Synergieeffekte dazu beitragen, zukünftige Systeme schneller, fexibler und kostengünstiger zu machen. Driven by the human desideratum for communication and social interaction, the field of mobile communications has undergone an enormous boom in the last years. Initialized by the mobile telephony and the internet, existing systems evolutionized and new systems have been developed whereas criteria as media convergence and quality of service have become more and more important. These paradigms as well as the requirement to serve different standards and applications with a single integrative system approach demand powerful and flexible solutions, which can provide highest data rates, but are smaller, operate energy-saving and can be produced economically. Two essential problems have to be solved for high data rate digital communication systems: The first obstacle is the multipath propagation, which causes a distortion of the transmitted signal, the second problem is the limitation of transmit energy and bandwidth because of regulatory and legal licensing restrictions. One possibility to solve the problem of multipath propagation is the application of equalizers, exspecially of frequency domain equalizers, that will be the focus of this work. This thesis is structured as follows: In chapter 2 the fundametals of digital communications as far as needed for this work will be summarized. Chapter 3 contains a survey about important channel characteristics and channel parameters the subsequent simulations are based on. In chapter 4 equalizers, exspecially the frequency domain equalizers (FDE), that can be implemented with a lower complexity as the time domain equalizers if the number of digitally solvable paths exceed a certain limit, will be investigated for single carrier systems. Not only the classical receiver-side concepts will be analytically described, but also predistortion techniques and combinations of both will be investigated. The second problem can be solved by the use of multi-antenna systems. These systems have been from growing interests in the last few years because of the analytical fact, that the channel capacity is linearily growing with the number of antennas and transmit paths. Multi-antenna systems allow higher data rates or decreasing requirements for the signal to noise relation without increasing bandwidth or transmit energy. In chapter 5 different methods for exploiting multi-antenna systems will be described and adapted to SC/FDE. In detail, maximum ratio combining (MRC) as a trasmit diversity approach, space time block coding (STBC) as a receive diversity method as well as spatial multiplexing as a space diversity approach will be explained. The spacial multiplexing system will be expanded by the optimal matched filter and successive interference cancellation (SIC), which is an approach known from multiuser detection. viii Chapter 6 contains the development of a data aided synchronization concept. This concept should comprise all incidental synchronization tasks, like automatic gain control (AGC), frame synchronization, carrier frequency offset (CFO) estimation and channel estimation for burst-oriented systems. This chapter forms the necessary substructure for the third and last emphasis of this thesis, the development of a demonstrator system to verify the basic functions of the SC/FDE system. The design of this demonstrator will be elucidated in the first part of chapter 7, followed by specific informations about used components and self-constructed modules. All used hardware and software interfaces will be mentioned shortly, without substituting the manuals or documentation. Some measurement results conclude this chapter as well as the thesis. Based on the underlying investigations and simulation results it can be concluded that the SC/FDE system shows a comparable complexity in contrast to competing approaches like Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) and additionally features some significant advantages for example the better peak to average power ration (PARP). On the one hand SC/FDE represents an alternative to OFDM and can on the other hand contribute in combination with OFDM and resulting synergetic effects to make future systems faster, more flexible and economic. |
