ið *.!> CDMA-Mobilfunksystemen Gemeinsame Demodulation in Zeitdiversitat unter Ausnutzung vorgelegt von

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1 i&eth *.!> Diss. ETH Nr Gemeinsame Demodulation in CDMA-Mobilfunksystemen unter Ausnutzung von Raum- und Zeitdiversitat ABHANDLUNG zur Erlangung des Titels DOKTOR DER TECHNISCHEN WISSENSCHAFTEN der EIDGENOSSISCHEN TECHNISCHEN HOCHSCHULE ZURICH vorgelegt von DIRK H. DAHLHAUS Dipl.-Ing., Ruhr-Universitat Bochum (Deutschland) geboren am 2. Januar 1965 in Essen (Deutschland) Angenommen auf Antrag von Prof. Dr. P. E. Leuthold, Referent Prof. Dr. J. Lindner, Korreferent Zurich 1998

2 Abstract This thesis addresses the design of a novel demodulation scheme applica ble in the base station of a cellular mobile radio system employing code division multiple access (CDMA). The receiver is equipped with M antennas which allows to resolve the impinging waves with respect to the delay and the azimuth. The signals are transmitted by a total of K users. At the receiver, joint demodulation is accomplished in two steps: A space-alternating generalized expectationmaximization (SAGE) algorithm serves to estimate the channel parame ters while a multistage (MS) detector provides the symbol estimates. The design of this joint estimation and detection (JED) scheme relies on a parametric channel model describing the received signal of user k as the superposition of Lk discrete multipath components. The system order is defined as the vector L = [Li,...,Lk] which is unknown at the receiver. In the first part of the thesis, the system order is assumed known. The performance of the JED scheme is investigated for highly loaded cells and channel parameters leading to strong crosscorrelations between signals of different users. The near-far problem arising in conventional demodulation is eliminated by the JED scheme which also exploits the available signal energy for symbol detection in a nearly optimum way. Except for a short preamble which allows to estimate the carrier phase, no reference symbols have to be transmitted. The JED scheme has a computational complexity which is proportional to the total number of transmission paths tot- In the second part, the system order is assumed unknown and information theoretic criteria are used to estimate L. Since there is no direct relation between these criteria and the overall system performance, a novel esti mator L is derived which is a function of the estimated bit error rates. While L is robust against the near-far problem, the overall computational complexity is proportional to KC\ot. The last part is devoted to the efficient implementation of the scheme. 1

3 11 Abstract It turns out that the main computational load is essentially associated to the channel parameter estimation. Therefore, a modified scheme with reduced complexity is implemented as part of a hardware demonstrator for two users. Despite of the simplification, the JED remains robust against high multiple access interference and, consequently, overcomes the near-far problem of the conventional demodulation.

4 Kurzfassung Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist ein neuartiges Demodulationsverfahren fur den Einsatz in der Basisstation eines Mobilfunksystems mit CodevielfachzugrifT (code division multiple access, CDMA). Der Empfanger ist mit M Antennen ausgeriistet, so dass eine Auflosung der einfallenden Wellen sowohl bezuglich der Verzogerung als auch hinsichtlich des Azimuts moglich ist. Die gemeinsame Demodulation (joint estimation and detection, JED) der von insgesamt K Mobilstationen iibertragenen bandgespreizten Signale erfolgt mit Hilfe eines SAGE- Algorithmus (space-alternating generalized expectation-maximization al gorithm) zur Schatzung der Kanalparameter und eines MS-Detektors (multistage detector) zur Schatzung der iibertragenen Symbole. Dabei bildet ein parametrisches Kanalmodell die Grundlage des Empfangerentwurfs. Das gesendete Signal des Benutzers k gelangt iiber Lk diskrete Ausbreitungspfade zum Empfanger. Die Systemordnung ist durch den Vektor L = [L\,..., Lk] definiert, welcher am Empfanger eine unbekannte Grosse darstellt. Setzt man die Systemordnung zunachst als bekannt voraus, kann fiir hohe Benutzerdichten und stark variierende relative Leistungspegel der Signale verschiedener Benutzer das im konventionellen Empfanger auftretende Nah-Fern-Problem eliminiert und gleichzeitig die verfiigbare Signalenergie in nahezu optimaler Weise fiir die Symbolschatzung ausgenutzt werden. Ausser einer PrSambel, die eine Schatzung der Tragerphase fiir den Fall der verwendeten antipodalen Signalisierung ermoglicht, erfolgt keine Ubertragung von Referenzsymbolen. Die Demodulation erfordert einen Rechenaufwand, welcher proportional zur Gesamtzahl der Ubertragungspfade Cges anwachst. Die Erweiterung auf den Fall einer unbekannten Systemordnung erfolgt durch Anwendung informationstheoretischer Kriterien. Da Letztere keinen unmittelbaren Zusammenhang mit der Ubertragungsgiite aufweisen, wird ein neuartiges Verfahren zur Schatzung von L iii

5 IV Kurzfassung auf der Basis geschatzter Bitfehlerraten hergeleitet. Es zeigt sich, dass die resultierende Schatzung von L hinsichtlich des Nah-Fern-Problems robust ist, wahrend die Komplexitat proportional zu KC^ea anwachst. Bei der Untersuchung efnzienter Realisierungen der Algorithmen fiir einen vorgegebenen Wert von L stellt sich heraus, dass die benfitigte Rechenkapazitat im Empfanger hauptsachlich durch die Kanalparameterschatzung bestimmt wird. Eine Modifikation der Letzteren bildet die Grundlage fur die Implementierung des Demodulationsalgorithmus im Rahmen des vorgestellten Hardware-Demonstrators fiir zwei Benutzer. Trotz der signifikanten Komplexitatsreduktion ergibt sich wie beim MS/SAGE-Algorithmus eine hohe Robustheit der Symbolschatzungen gegeniiber starker Interferenz, so dass das Nah-Fern-Problem der konventionellen Demodulation nicht auftritt.

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