Error floor in OFDM systems

Die Zeitdispersion des Mobilfunkkanals verursacht beträchtliche Intersymbolinterferenz (ISI), besonders in den Systemen mit hohen Datenraten, die in den heutigen Anwendungen im Mobilfunk, aber auch im digitalen Rundfunk und digitalen Fernsehen verwendet werden. Eine mögliche Methode, diese ISI zu bekämpfen, liegt in der Verwendung von OFDM (orthogonaler Frequenzvielfachzugriff, Mehrträgerverfahren). In einem OFDM System wird der zu übertragende Datenstrom auf viele Teilströme aufgeteilt, von denen jeder auf einen anderen Träger moduliert wird. Diese Teilströme haben eine viel niedrigerere Datenrate, und leiden deshalb weniger unter den Effekten der Zeitdispersion. Dennoch verbleibt eine Rest-ISI, die die Übertragungsqualität und spektrale Effizienz in einem oft unerträglichen Maß verringert. Der Zweck des vorliegenden Forschungsvorhabens ist es Wege zu finden, diese verbleibende ISI effizient zu bekämpfen. Das Forschungsvorhaben wird sich auf folgende drei Punkte konzentrieren: (i) Adaptive Bestimmung des optimalen Abtastzeitpunktes: diese Methode wurde von uns vor kurzem für Einträgerverfahren vorgeschlagen, und führt dort zu einer drastischen Reduzierung der Restfehlerrate. Die zugrundeliegende Idee ist, daß abhängig von den Verzerrungen durch den Kanal, der optimale Abtastzeitpunkt über mehr als eine Bitdauer variieren kann. Wir schlagen vor, dieses Detektionsschema auch für OFDM zu verwenden, und ebenso die Abtastfrequenz auf adaptive Weise zu bestimmen. (ii) Wir schlagen vor, als Basispulse für die Datenübermittlung nicht rechteckige Pulse zu verwenden, sondern Pulse, die im Frequenzbereich schneller abklingen. Insbesondere schlagen wir nichtorthogonale Pulse vor - im Gegensatz zur weitverbreiteten Ansicht ist auch mit solchen Pulsen eine ideale Informationsübertragung möglich, und außerdem haben diese Pulse günstige Eigenschaften für dispersive Kanäle. (iii) Wir werden adaptive Modulation untersuchen. Dieses Konzept, das in den letzten Jahren vorgeschlagen wurde, bedeutet, daß nicht auf jedem Teilkanal dieselbe Datenrate mit demselben Modulationsverfahren zu übertragen, sondern die Datenrate dem SNR auf dem Subkanal anzupassen. Wir schlagen vor, daß in dispersiven Kanälen nicht nur das SNR, sondern auch die Verzerrungen durch den Kanal für die Bestimmung der Datenrate herangezogen werden sollte. Die Verringerung der Restfehlerrate wird zu einer besseren Übertragungsqualität, und aufgrund der daraus folgenden verringerten Anforderungen an die Kodierung, zu einer besseren spektralen Effizienz in Systemen mit hohen Datenraten führen.

Frequenzspektrum ist teuer! Diese Tatsache kann unleugbar am Beispiel der teils horrenden Lizenzkosten, die für das Mobilfunksystem der 3. Generation UMTS bezahlt wurden, gezeigt werden. Aus diesem Grund ist man bestrebt, in möglichst kleinen Frequenzbändern möglichst viel Daten, möglichst schnell und möglichst verlässlich zu übertragen. Diesem Ziel kommen Übertragungsverfahren mit sog. hoher spektraler Effizienz näher. GSM (2.Generation) und UMTS (3.Generation) verwenden Übertragungsverfahren mit vergleichsweise geringer spektraler Effizienz. Die internationale Forschung ist daher auf der Suche nach Möglichkeiten, in verfügbaren Frequenzblöcken (z.B. 5MHz wie bei UMTS) ein Vielfaches der heute üblichen Datenraten zu erzielen. Das in diesem Forschungsprojekt untersuchte Verfahren namens OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex) bietet derartige Vorteile. Die Datenrate kann damit theoretisch auf das 16-fache von in UMTS maximal verfügbaren 2MBit/s erhöht werden. Bisher galt als Stand der Wissenschaft, dass OFDM einer harten Grenze unterworfen ist, was die spektrale Effizienz, und damit die erzielbare Übertragungsgeschwindigkeit, betrifft. Wir konnten zeigen, dass auch diese "harte Grenze" überschritten werden kann. Möglich wird dies durch eine genaue Kenntnis des Mobilfunkkanals und die Anwendung mathematischer und nachrichtentheoretischer Verfahren. Umgesetzt werden diese dann freilich in einem Computerprogramm, das in kleinen Mikroprozessoren läuft und in den Handys und Basisstationen zukünftiger Mobilfunksysteme eingesetzt werden kann. Dass eine genaue Kenntnis des Mobilfunkkanals (wie breiten sich Funkwellen z.B. in der Stadt vom Handy zur Basisstation aus?) die Grundlage aller weiteren Überlegungen ist, haben Prof. Ernst Bonek und seine Mitarbeiter in der Mobilfunkgruppe am Institut für Nachrichtentechnik der TU-Wien schon frühzeitig erkannt. Deshalb konnte in den letzten Jahren viel Erfahrung auf diesem Gebiet gesammelt werden, und die Gruppe zählt heute zur internationalen Spitze in der Mobilkommunikationsforschung. Mit den Ergebnissen dieses Forschungsprojekts wurde ein weiterer wichtiger Schritt in Richtung Mobilfunk der 4. Generation getan.