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Block-Interleaved Frequency Division Multiple Access and its Application in the Uplink of Future Mobile Radio Systems

Frank, Tobias :
Block-Interleaved Frequency Division Multiple Access and its Application in the Uplink of Future Mobile Radio Systems.
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2010)

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Dissertation Tobias Frank - PDF
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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Block-Interleaved Frequency Division Multiple Access and its Application in the Uplink of Future Mobile Radio Systems
Language: English
Abstract:

In this thesis, a new multiple access scheme denoted as Block-Interleaved Frequency Division Multiple Access (B-IFDMA) is presented and investigated with respect to its suitability for an application in the uplink of future mobile radio systems. For that purpose, new algorithms are presented that complement the scheme. The properties of the scheme are analyzed and compared to the properties of other well-known multiple access schemes. At first, a new, general, digital system model is introduced that makes a joint description of B-IFDMA and various other well-known multiple access schemes that are related to B-IFDMA possible and enables a clear and proper illustration of their relations. Amongst other things, it is shown that B-IFDMA can be considered as Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA) with pre-coding of the data and with blocks of equal size of adjacent subcarriers that are equidistantly distributed over the total available bandwidth. Further on, it is identified that B-IFDMA can be regarded as a generalization of Single Carrier Frequency Division Multiple Access (SC-FDMA). Based on the new system model, it is shown that, in the uplink, a simple receiver structure can be applied for B-IFDMA. The simple receiver structure is based on a separation of different users’ signals in frequency domain and subsequent equalization applying frequency domain equalizers to the different users’ signals, which leads to a low computational receiver complexity. Subsequently, different new algorithms are presented and discussed that make an efficient application of B-IFDMA in a future mobile radio system possible. In particular, an algorithm for B-IFDMA signal generation in time domain providing a low computational complexity, an algorithm for application of orthogonal and non-orthogonal Space-Time Codes to B-IFDMA providing a low computational complexity, an algorithm for application of Space-Division Multiple Access to B-IFDMA providing a low computational complexity, and an algorithm for a flexible and efficient accommodation of different data rates to the users within a mobile radio cell providing a low computational complexity and maintaining the orthogonality of different users’ signals are described. Finally, in this thesis, the properties of B-IFDMA regarding the exploitation of diversity in frequency, time, space and among different users, pilot symbol overhead for channel estimation, robustness to carrier frequency offsets, power efficiency of the power amplifiers, and computational complexity are extensively investigated. It turns out that the properties of B-IFDMA in part strongly depend on the choice of the parameters. As an important result of the investigation of the properties of B-IFDMA, the scheme is shown to provide a good bit error rate performance due to a good exploitation of frequency diversity for the assignment of a high number of subcarrier blocks. This performance is further improved by the application of Space Time Coding. Thus, in contrast to multiple access schemes that are focused on the adaptation of the transmission to the current channel conditions, B-IFDMA does not require any channel state information at the transmitter. Consequently, B-IFDMA is especially suited for nonadaptive transmission which is required in scenarios where channel state information at the transmitter cannot be provided, e.g., due to a high change rate of the channel conditions caused by a high user mobility. It is shown that, compared to other schemes, B-IFDMA is more robust to carrier frequency offsets, provides lower pilot symbol overhead for channel estimation, provides a higher power efficiency of the power amplifier and is very flexible. Thus, it can be concluded that B-IFDMA is an interesting and well-suited candidate for the non-adaptive uplink of future mobile radio systems.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
In der vorliegenden Arbeit wird ein neues Vielfachzugriffsverfahren mit dem Namen Block-Interleaved Frequency Division Multiple Access (B-IFDMA) vorgestellt und auf seine Eignung für die Anwendung in der Aufwärtsstrecke zukünftiger Mobilfunksysteme untersucht. Hierzu werden neue Algorithmen vorgestellt, die das Verfahren ergänzen, die Eigenschaften des Verfahrens werden analysiert, und sie werden mit denen anderer bekannter Vielfachzugriffsverfahren verglichen. Zunächst wird ein neues, allgemeines, digitales Systemmodell eingeführt, das die gemeinsame Beschreibung von B-IFDMA und zahlreichen bereits bekannten und mit BIFDMA verwandten Vielfachzugriffsverfahren ermöglicht. Hierdurch wird es möglich, die Zusammenhänge der verschiedenen Verfahren exakt und übersichtlich darzustellen. Unter anderem wird gezeigt, dass B-IFDMA als Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA) Verfahren mit einer Vorcodierung der Daten und äquidistanter Anordnung gleichgroßer Blöcke mit benachbarten Unterträgern aufgefasst werden kann, wobei die Blöcke über die gesamte verfügbare Bandbreite gespreizt sind. Außerdem wird dargestellt, dass B-IFDMA als eine Verallgemeinerung von Single Carrier Frequency Division Multiple Access (SC-FDMA) verstanden werden kann. Basierend auf dem neuen Systemmodell wird gezeigt, dass für B-IFDMA bei der Verwendung in der Aufwärtsstrecke eine einfache Empfängerstruktur verwendet werden kann. Diese Empfängerstruktur beruht auf einer Trennung der Signale verschiedener Nutzer im Frequenzbereich und einer anschließenden Entzerrung der Signale der einzelnen Nutzer mit Hilfe von Frequenzbereichs-Entzerrern und weist dadurch eine geringe Komplexität auf. Anschließend werden verschiedene neue Algorithmen vorgestellt und diskutiert, die eine effiziente Anwendung von B-IFDMA in einem zukünftigen Mobilfunksystem ermöglichen. Im einzelnen werden ein Algorithmus mit geringer Komplexität zur Signalerzeugung für B-IFDMA im Zeitbereich, ein Algorithmus mit geringer Komplexität zur Anwendung von orthogonalen und nicht-orthogonalen Raum-Zeit Codes (engl. Space-Time Codes) für B-IFDMA, ein Algorithmus mit geringer Komplexität zur Anwendung von Raum-Vielfachzugriff (engl. Space-Division Multiple Access) für B-IFDMA und ein Algorithmus mit geringer Komplexität zur flexiblen Verwendung verschiedener Datenraten in einer Mobilfunkzelle für B-IFDMA bei gleichzeitiger Wahrung der Orthogonalität der Signale verschiedener Nutzer beschrieben. Abschließend werden in dieser Arbeit die Eigenschaften von B-IFDMA ausführlich hinsichtlich Ausnutzung von Diverstät in Frequenz, Zeit, Raum und über mehrere Nutzer, Verlusten durch Überhang durch Pilotsymbole für Kanalschätzung, Robustheit gegen Frequenzversatz, Effizienz der Leistungsverstärker und Komplexität bei der Implementierung untersucht. Es stellt sich dabei heraus, dass die genannten Eigenschaften von BIFDMA zum Teil stark von der gewählten Parametrisierung abhängen. Ein wichtiges Ergebnis der Untersuchung der Eigenschaften von B-IFDMA ist, dass das Verfahren für eine hohe Zahl von Blöcken vornehmlich durch die gute Ausnutzung von Frequenzdiversität eine gute Bitfehler-Performanz erreicht, die durch den Einsatz von Raum-Zeit Codes noch verbessert wird. Dadurch kommt B-IFDMA, anders als Verfahren, die auf eine Adaption der Übertragung an den Übertragungskanal ausgerichtet sind, ohne Kenntnis des Übertragungskanals am Sender aus. Somit ist B-IFDMA besonders für nicht-adaptive Übertragung geeignet, die in Szenarien notwendig ist, in denen Kanalkenntnis am Sender nicht zur Verfügung gestellt werden kann, z.B.weil sich die Kanalbedingungen aufgrund hoher Geschwindigkeiten der Teilnehmer zu schnell ändern. Wie gezeigt wird, ist B-IFDMA robuster gegen Frequenzversatz, hat geringere Verluste durch Überhang durch Pilotsymbole für Kanalschätzung, hat eine höhere Leistungseffizienz als andere Verfahren und ist sehr flexibel. Es kann daher insgesamt als ein interessanter und geeigneter Kandidat für die Aufwärtstrecke bei nicht-adaptiver Übertragung in zukünftigen Mobilfunksystemen angesehen werden.German
Uncontrolled Keywords: Vielfachzugriff, SC-FDMA, OFDM, Hüllkurve, robust, Frequenzversatz, Mobilfunk, 4G, IMT-Advanced, Aufwärtsstrecke, B-IFDMA
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Vielfachzugriff, SC-FDMA, OFDM, Hüllkurve, robust, Frequenzversatz, Mobilfunk, 4G, IMT-Advanced, Aufwärtsstrecke, B-IFDMAGerman
multiple access, SC-FDMA, OFDM, envelope, robust, frequency offset, mobile radio, 4G, IMT-Advanced, Uplink, B-IFDMAEnglish
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 600 Technik
Divisions: Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik
Date Deposited: 14 Oct 2010 07:18
Last Modified: 07 Dec 2012 11:58
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-23015
License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Referees: Klein, Prof. Dr.- Anja and Bossert, Prof. Dr.- Martin
Refereed: 20 May 2010
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/2301
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