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Analysis of hybrid adaptive/non-adaptive multi-user OFDMA systems with imperfect channel knowledge

Kühne, Alexander :
Analysis of hybrid adaptive/non-adaptive multi-user OFDMA systems with imperfect channel knowledge.
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2011)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Analysis of hybrid adaptive/non-adaptive multi-user OFDMA systems with imperfect channel knowledge
Language: English
Abstract:

The OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) transmission scheme is a promising candidate for future mobile radio networks. Besides the beneficial properties concerning implementation and combating the negative effects of multipath propagation, OFDMA provides an efficient adaptation towards the current channel conditions by adaptively allocating the different resources to the different users in time and frequency direction. In case of downlink transmission, transmitter sided channel knowledge of the individual lines between the transmitter and the receivers is required which cannot be assumed to be perfectly known in a realistic scenario. In case that perfect channel knowledge is available at the transmitter, the application of adaptive OFDMA schemes leads to very good performances by exploiting multiuser diversity and by adaptively selecting the applied modulation schemes with respect to the current channel conditions. In case that no channel knowledge is available at the transmitter, the use of non-adaptive schemes which do not rely on instantaneous channel knowledge but exploit frequency, time or spatial diversity is the best strategy. Hybrid OFDMA schemes offer the opportunity to use both transmission strategies. Using hybrid schemes, the question arises which users shall be served adaptively or non-adaptively and which resource shall be allocated to which user, especially in scenarios where the quality of the channel knowledge differs form user to user, i.e., for some users the transmitter has channel knowledge which is only slightly corrupted while for other users, the transmitter has only totally erroneous channel knowledge. In this regard, it has to be noted that the problem cannot be solved userwise independently from the other users as the performance of each user strongly depends on the exploited multiuser diversity and, thus, on the number of adaptively served users. The aim is to maximize the system data rate while fulfilling a given target Bit Error Rate (BER) and minimum user data rate requirement. This is accomplished in a single cell scenario with multiple antennas where different users have different demands regarding the number of allocated resources. Concerning multiple antenna schemes, only schemes without spatial multiplexing shall be considered. %For the transmissions in uplink and downlink, both time division and frequency duplex shall be considered. At first, the different user demands for the adaptive transmission mode of the hybrid OFDMA system are realized by applying a Weighted Proportional Fair Scheduling. As Channel Quality Information (CQI), the Signal-to-Noise-Ratio (SNR) is applied where either continuous or quantized CQI values are assumed. To do so, the proper WPFS weights for the considered multiple antenna schemes, namely Orthogonal Space Time Block Coding and Transmit Antenna Selection in combination with Maximum Ratio Combining at the receiver, are determined with respect to the demanded number of resources. For the non-adaptive transmission mode which exploits frequency diversity with the help of a Discrete Fourier Transform precoding, the resource allocation is done applying a round robin approach. Concerning the order of allocation in which the resources are allocated to the adaptive and non-adaptive users, two approaches are considered. Applying the first scheme, first the resources assigned for the non-adaptive users are allocated. Subsequently, the remaining resources are allocated to the adaptive users. Applying the second scheme, the order of allocation is vice-versa. In order to take into account the impact of imperfect channel knowledge on the performance of the hybrid system, analytical closed form expressions for the user data rate and BER are derived as functions of the number of adaptively served users, the user demands and the CQI impairment parameters where four different sources of error for the CQI are assumed: time delays, estimation errors, quantization and an imperfect feedback link. In contrast to many contributions in the literature where only one of the sources of error is considered at the same time, all four sources of error are jointly considered in this work. For the mentioned errors, a modelling is developed. The problem of maximizing the system data rate subject to the target BER and the minimum rate requirement can be split up into two smaller problems: firstly, the determination of optimal SNR thresholds for the applied modulation schemes and secondly, the selection of the access scheme which serves a certain user . With the help of the derived analytical expressions, the SNR thresholds can be adjusted such that the target BER is fulfilled while the user data rate is maximized. Since the maximum achievable user data rates with respect to the target BER can be defined for any possible user serving combination, the combinatorial user serving problem can be solved. Furthermore, it can be shown that it is not necessary to test all possible user serving combinations to find the best solution. Moreover, a complexity analysis of the proposed solving algorithms is presented. For a realistic performance evaluation of practical systems, also the effort in terms of pilot transmissions and signaling which occurs in the considered hybrid system and which is mostly neglected in the literature is taken in account. Since the signaling and the pilot transmissions, which are essential for the downlink, take place during uplink and, thus, occupy resources for the actual data transmission, an effective system data rate is defined which considers both up- and downlink. In order to identify the amount of overhead in terms of signaling and pilot transmissions, a frame structure for the hybrid OFDMA system is developed where both time division and frequency division duplex are considered. Finally, the performance of hybrid OFDMA systems in a scenario with user-dependent imperfect CQI is evaluated and compared to the performance of conventional pure adaptive or non-adaptive OFDMA systems. It is shown that for a low to medium number of active users in the cell, hybrid systems outperform the conventional ones for increasing CQI inaccuracy even if the overhead due to pilot transmissions and signaling is considered.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Die OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access)-Übertragungstechnik ist ein viel versprechender Kandidat für zukünftige Mobilfunksysteme. Neben den günstigen Eigenschaften bezüglich der Implementierung und der Bekämpfung von Mehrwegeausbreitungseffekten ermöglicht OFDMA eine effiziente Anpassung an die Kanalbedingungen durch adaptive Zuweisung der verschiedenen Ressourcen an die verschiedenen Nutzer in Zeit und Frequenz. Im Falle der Abwärtsstrecke ist hierfür sendeseitige Kanalkenntnis über die einzelnen Verbindungen zwischen dem Sender und den Empfängern erforderlich, die in einem realistischen Szenario jedoch nicht als perfekt angenommen werden kann. Steht dem Sender perfekte Kenntnis über die Kanäle sämtlicher Nutzer zur Verfügung, so erbringen adaptive OFDMA-Verfahren sehr gute Performanzen durch die Ausnutzung von Mehrnutzerdiversität und die Anpassung an die momentanen Kanalbedingungen durch adaptive Wahl der Modulationsverfahren. Steht dem Sender dagegen keine Kanalkenntnis zur Verfügung, so ist die Verwendung nicht-adaptiver Verfahren, die keine Kanalkenntnis benötigen, jedoch Zeit-, Frequenz- oder räumliche Diversität ausnutzen, die beste Strategie. Hybride OFDMA-Verfahren ermöglichen es, beide Übertragungsstrategien zu nutzen. Hierbei stellt sich die Frage, welcher Nutzer adaptiv bzw. nicht-adaptiv bedient und welche Ressource welchem Nutzer zugewiesen werden soll, insbesondere dann, wenn die Güte der Kanalkenntnis für verschiedene Nutzer unterschiedlich ist, d.h. wenn für manche Nutzer die Kanalkenntnis nur geringfügig fehlerbehaftet ist, während sie für andere Nutzer völlig verfälscht ist. Hierbei ist zu beachten, dass dieses Problem nicht für jeden Nutzer unabhängig von den anderen Nutzern gelöst werden kann, weil die Performanz eines jeden Nutzers stark von der Mehrnutzerdiversität und damit der Anzahl der adaptiv bedienten Nutzer abhängt. Als Ziel wird die Maximierung der Systemdatenrate bei gleichzeitiger Einhaltung einer gegebenen Bitfehlerrate und Mindestnutzerdatenrate angestrebt. Dies soll für ein Mehrantennen-Einzellen-Szenario, bei dem Nutzer unterschiedliche Anforderungen bezüglich der Anzahl zugewiesener Ressourcen haben, realisiert werden, wobei sich auf Mehrantennen-Verfahren ohne räumliches Multiplexing beschränkt werden soll. %Die Übertragungen in der Aufwärts- und Abwärtsrichtung soll sowohl im Zeit- als auch Frequenzduplex erfolgen. Hierzu werden zunächst für ein hybrides OFDMA-System mit Hilfe eines Weighted Proportional Fair Scheduling die unterschiedlichen Nutzeranforderungen für den adaptiven Übertragungsmodus realisiert. Als Kanalqualitätsinformation (CQI) am Sender wird das Signal-zu-Rausch-Verhältnis (SNR) verwendet, das entweder in kontinuierlicher oder in quantisierter Form vorliegt. Dazu wird für die hier betrachteten Mehrantennen-Verfahren Orthogonal Space Time Block Coding und Transmit Antenna Selection in Kombination mit Maximum Ratio Combining am Empfänger die unterschiedliche Gewichtung des WPFS entsprechend der angeforderten Ressourcenanzahl bestimmt. Für den nicht-adaptiven Übertragungsmodus des hybriden OFDMA-Systems, der mit Hilfe einer Discrete Fourier Transformation-Vorkodierung Frequenzdiversität ausnutzt, erfolgt die Ressourcenzuweisung über einen Round Robin Ansatz. Bezüglich der Reihenfolge, in der die Ressourcen den adaptiven und nicht-adaptiven Nutzern zugeteilt werden, werden zwei unterschiedliche Ansätze betrachtet. Im ersten Verfahren werden zunächst die Ressourcen an die nicht-adaptiven Nutzer zugewiesen und anschließend werden die verbliebenen Ressourcen den adaptiven Nutzern zugeteilt. Im zweiten Verfahren erfolgt die Ressourcenzuteilung in umgekehrter Reihenfolge. Um den Einfluß nicht perfekter Kanalkenntnis auf die Performanz des hybriden Systems berücksichtigen zu können, werden analytische Ausdrücke für die Nutzerdaten- und Bitfehlerrate als Funktion der Anzahl der adaptiv bedienten Nutzer, der angeforderten Ressourcenanzahl und der die Ungenauigkeit der Kanalkenntnis beschreibenden Parameter hergeleitet, wobei von vier in der Literatur bekannten Fehlerquellen für die CQI ausgegangen wird: Veralterung, Schätzfehler, Quantisierung und ein fehlerbehafteter Rückkanal. Hierbei werden alle Fehlerquellen gemeinsam und nicht, wie teilweise in der Literatur, separat betrachtet. Das Problem der Systemdatenratenmaximierung unter Einhaltung einer gegebenen Bitfehlerrate und Mindestnutzerdatenrate lässt sich nun in zwei kleinere Probleme aufteilen: erstens die Bestimmung optimaler SNR-Schwellwerte der angewandten Modulationsverfahren und zweitens die Bestimmung des passenden Übertragungsmodus, mit dem der jeweilige Nutzer bedient wird. Anhand der hergeleiteten analytischen Ausdrücke lassen sich nun die SNR-Schwellwerte so anpassen, dass eine geforderte Bitfehlerrate nicht überschritten wird und gleichzeitig die Nutzerdatenrate maximiert wird. Da hiermit für jede mögliche Kombination, Nutzer adaptiv oder nicht-adaptiv zu bedienen, die maximal erzielbaren Nutzerdatenraten unter Einhaltung der Bitfehlerraten-Anforderung bestimmbar sind, kann somit das kombinatorische Problem der Nutzerbedienung gelöst werden, wobei sich zeigt, dass nicht alle möglichen Bedienkombinationen ausprobiert werden müssen, um die beste Lösung zu finden, was durch eine Komplexitätsanalyse der vorgeschlagenen Lösungsalgorithmen veranschaulicht wird. Für eine realistische Performanzabschätzung wird zusätzlich der in der Literatur häufig vernachlässigte Aufwand bezüglich Pilotübertragungen und Signalisierungen berücksichtigt, der in dem betrachteten hybriden System auftritt. Da die für die Abwärtsstrecke erforderlichen Signalisierungen und Pilotübertragungen in der Aufwärtsstrecke stattfinden und somit dort Ressourcen für die eigentliche Datenübertragung belegen, wird eine effektive Systemdatenrate definiert, die sowohl Abwärts- als auch Aufwärtsstrecke berücksichtigt. Dazu wird eine Frame-Struktur für ein hybrides OFDMA-System im Time Division und Frequency Division Duplex Modus erarbeitet, anhand dessen der Aufwand bezüglich Pilotübertragungen und Signalisierungen bestimmt wird. Schließlich wird die Performanz des hybriden OFDMA-Systems in einem Szenario mit nutzerabhängiger nicht perfekter Kanalkenntnis evaluiert und mit der Performanz konventioneller rein adaptiver bzw. nicht-adaptiver OFDMA-Systeme verglichen. Hierbei zeigt sich, dass die Performanz hybrider Systeme bei einer geringen bis mittleren Anzahl an aktiven Nutzern in der Zelle der Performanz konventioneller Systeme für ein steigendes Mass an CQI Ungenauigkeit überlegen ist, selbst wenn der Aufwand bezüglich Pilotübertragungen und Signalisierungen berücksichtigt wird.German
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik > Kommunikationstechnik
Date Deposited: 10 May 2011 10:08
Last Modified: 07 Dec 2012 11:59
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-25537
License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Referees: Klein, Prof. Dr.- Anja and Weber, Prof. Dr.- Tobias
Refereed: 18 March 2011
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/2553
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