Correctly Modeling TX and RX Chain in (Distributed) Massive MIMO -- New Fundamental Insights on Coherency

This letter shows that the TX and RX models commonly used in literature for downlink (distributed) massive MIMO are inaccurate, leading also to inaccurate conclusions. In particular, the Local Oscillator (LO) effect should be modeled as $+\varphi$ in the transmitter chain and $-\varphi$ in the receiver chain, i.e., different signs. A common misconception in literature is to use the same sign for both chains. By correctly modeling TX and RX chain, one realizes that the LO phases are included in the reciprocity calibration and whenever the LO phases drift apart, a new reciprocity calibration becomes necessary (the same applies to time drifts). Thus, free-running LOs and the commonly made assumption of perfect reciprocity calibration (to enable blind DL channel estimation) are both not that useful, as they would require too much calibration overhead. Instead, the LOs at the base stations should be locked and relative reciprocity calibration in combination with downlink demodulation reference symbols should be employed

Filter Bank Multicarrier Modulation for future wireless systems

Zukünftige drahtlose Kommunikationssysteme sollten in der Lage sein, eine Vielzahl an unterschiedlichen Anwendungen zu unterstützen. Dies erfordert eine flexible Zeit und Frequenz Zuteilung der vorhandenen Ressourcen. Das derzeit vorherrschende Übertragungsverfahren, Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM), ist dafür nicht optimal geeignet. Es werden somit Modifikationen von OFDM notwendig, oder gänzlich neue Übertragungsverfahren müssen zum Einsatz kommen. In dieser Dissertation untersuche ich Filter Bank Multicarrier Modulation (FBMC), ein solch neues Übertragungsverfahren, und stelle es OFDM basierten Systemen gegenüber. Meine Untersuchungen basieren nicht nur auf theoretischen Überlegungen und Simulationen, sondern werden anhand realer Messungen validiert. Insbesondere zeige ich, dass viele Herausforderungen die üblicherweise mit FBMC assoziiert werden, vor allem in Bezug auf mehrere Antennen und Kanalschätzung, effizient gelöst werden können. Ich leite geschlossene Lösungen für das Signal-zu-Interferenz Verhältnis her und zeige, dass in den meisten Fällen eine einfache, symbolweise, Multiplikation ausreicht, um einen Zeit- und Frequenz-Selektiven Kanal zu entzerren. Für die seltenen Fälle wo dies nicht möglich ist, entwickle ich neue Schätzverfahren und Entzerrungsmethoden. Im letzten Kapitel präsentiere ich eine Erweiterung von FBMC welche Daten mithilfe einer modifizierten diskreten Fourier-Transformation spreizt, bevor sie übertragen werden. Diese neue Methode weist einen reduzierten Scheitelfaktor auf, erlaubt niedrige Latenzzeiten und besitzt eine hohe spektrale Effizienz.Future wireless systems will be characterized by a large range of possible use cases. This requires a flexible allocation of the available time-frequency resources, which is difficult in conventional Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM). Thus, modifications of OFDM, such as windowing or filtering, become necessary. Alternatively, one can employ a different modulation scheme, such as Filter Bank Multicarrier Modulation (FBMC). In this thesis, I provide a unifying framework, discussion and performance evaluation of FBMC and compare it to OFDM based schemes. My investigations are not only based on simulations, but are substantiated by real-world testbed measurements and trials, where I show that multiple antennas and channel estimation, two of the main challenges associated with FBMC, can be efficiently dealt with. Additionally, I derive closed-form solutions for the signal-to-interference ratio in doubly-selective channels and show that in many practical cases, one-tap equalizers are sufficient. For the rare cases where this is not true, I propose enhanced methods to deal with such harsh environments, including channel estimation and equalization. Finally, on top of a conventional FBMC system, I develop a novel precoding method based on a pruned Discrete Fourier Transform (DFT) in combination with one-tap scaling. This scheme offers a low peak-to-average power ratio, enables low latency transmissions and has a high spectral efficiency.15

Pilot-Symbol-Aided OFDM Channel Estimation in Doubly-Selective Channels

Abweichender Titel laut Übersetzung der Verfasserin/des VerfassersZsfassung in dt. SpracheIn den meisten Standards zur drahtlosen Kommunikation wird heutzutage Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) als Modulationsverfahren verwendet. Für den Fall der kohärenten Detektion, hängt die Leistungsfähigkeit entscheidend von der Kanalschätzung (z.B.: Pilot-symbol-Aided Channel Estimation (PACE)) ab. Bei PACE wird der Kanal unter Zuhilfenahme von Interpolation rekonstruiert. In dieser Diplomarbeit werde ich für ein OFDM System, welches PACE verwendet, einen analytischen Ausdruck für die Bitfehlerwahrscheinlichkeit (BEP) herleiten. Ich nehme hierzu Rayleigh Schwund, gaußsches Rauschen und eine lineare, sonst jedoch beliebige, Interpolation an. Falls das Signal-Inferenz- Verhältnis (SIR) größer als das Signal-Rausch-Verhältnis ist, bestätigen Simulationen die analytischen Berechnungen. Für ein niedrigeres SIR jedoch weisen Simulation und Berechnung kleine Unterschiede auf, da die Inter-Carrier Interference (ICI) nicht Gaußverteilt ist und damit meine Annahme verletzt. Eine Berechnung der Wahrscheinlicheitsdichte der ICI bestätigt, dass diese nicht Gaußverteilt ist, selbst für unendlich viele Subcarrier Es wird weiters gezeigt, dass die Minimum Mean Squared Error" Schätzung ebenfalls die BEP minimiert und, dass, unter bestimmten Voraussetzungen, die optimale 2D Interpolation in äquivalenter Weise durch zwei 1D Interpolationen realisiert werden kann. Anhand eines numerischen Beispiels wird die BEP für verschiedene Interpolationsmethoden (Optimal, Linear, Spline, natürliche Nachbarn) verglichen. Zum Abschluss wird die Korrektheit der analytische BEP Gleichung durch Messungen verifi ziert, wobei dafür das Vienna Wireless Testbed" in Kombination mit einer Rotationseinheit verwendet wird. Dieses ermöglicht wiederholbare und kontrollierbare Messungen bei hohen Geschwindigkeiten.Nowadays, most wireless communication standards utilize Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) as their modulation technique. For coherent detection, the performance of such systems depends strongly on the accuracy of the channel estimation. One possible estimation technique is Pilotsymbol- Aided Channel Estimation (PACE), which allows the reconstruction of the channel by means of interpolation. In this master thesis, I derive a closed-form expression for the Bit Error Probability (BEP) of an OFDM system that utilizes two-dimensional PACE. I assume Rayleigh fading, Gaussian noise and a linear, but other otherwise completely arbitrary, interpolation. For a Signal-to-Interference Ratio (SIR) larger than the signal-to-noise ratio, simulations con rm the analytical results. However, for a lower SIR they exhibit small dierences because the Inter-Carrier Interference (ICI) is not Gaussian distributed, violating my assumption. Indeed, analytical calculation of the ICI probability density function (pdf) verifies that even for in nite many subcarriers, the pdf does not approach a Gaussian distribution. It is further shown that the well-known Minimum Mean Squared Error (MMSE) estimation also minimizes the BEP and that, for certain assumptions, the optimal 2D interpolation can be performed in an equivalent way by successively 1D-1D interpolations of the MMSE pilot-symbol estimates. A numerical example then compares dierent interpolation methods (optimum, linear, spline, and natural neighbor) in terms of BEP. Finally, the analytical BEP is validated by real world measurements, utilizing the Vienna Wireless Testbed in combination with a Rotation Unit, allowing repeatable and controllable measurements at high velocities.6

Dynamic Spectrum Allocation in Mobile Communication

Das Spektrum eines Mobilfunkbetreibers wird derzeit statisch zugewiesen wobei hierfür die Regulierungsbehörde eine Auktion durchführt. Durch eine dynamische Allokation des Spektrums, wie beispielsweise in Cogentive Radio vorgeschlagen, kann der Datendurchsatz für Benutzer erhöht werden. In dieser Magisterarbeit wird eine neuartige Gleichung hergeleitet, die den Datendurchsatz für so eine dynamische Zuweisung des Spektrums beschreibt. Hierzu werden bekannte Resultate der Warteschlangentheorie umgeformt und uminterpretiert. Ich nehme an, dass der Zugriff auf das Spektrum auf zwei mögliche Arten erfolgen kann: Erstens, egalitärer Zugriff, bei dem alle aktiven Benutzer den gleichen Anteil am Spektrum erhalten. Zweitens, diskriminierender Zugriff, bei dem primäre Benutzer Priorität gegenüber sekundären Benutzern haben, die auf das Spektrum nur zugreifen können, wenn kein primärer Benutzer aktiv ist. Die Gleichungen werden erweitert, sodass sie auch das dynamische Mitbenützen des Spektrums von unterschiedlichen Netzbetreibern beschreiben. Insbesondere wird diskriminierender Zugriff anhand der Spieltheorie analysiert wobei das resultierende Nash Gleichgewicht angibt, wie Datenpakete zwischen primären und sekundären Kanal aufgeteilt werden müssen. Die Annahme einer linearen Nachfragefunktion, die nicht nur vom Preis sondern auch von der Qualität (dem Datendurchsatz) abhängt, ermöglicht es mir das Verhalten von Firmen im Falle eines Monopols und eines Duopols zu beschreiben. Mein Modell prognostiziert die Anzahl der Basisstationen sowie den Preis den Mobilfunkkunden bezahlen müssen. Dieses Ergebnis wird dann mit dem sozialen Optimum verglichen, wobei ich drei unterschiedliche Optimalitätskriterien vorschlage. Die bisher vorgestellten Elemente werden dann verwendet um eine Antwort auf die Frage zu finden, ob ein monopolistischer Netzbetreiber sein Spektrum und seine Infrastruktur einem mobilen virtuellen Netzbetreiber zur Verfügung stellen wird. Ich nehme hierzu ein sequentielles Spiel an, welches Ähnlichkeiten zum klassischen Stackelbergmodell aufweist. Das Ergebnis hängt dann stark von der zugrundeliegenden Nachfragefunktion ab. Abschließend nehme ich wieder ein Duopol an und beantworte die Frage, ob Netzbetreiber ihr Spektrum gegenseitig mitbenutzen wollen. In den meisten Fällen haben Netzbetreiber einen Anreiz ihr Spektrum gegenseitig mitzubenutzen, da der zusätzliche Datendurchsatz eine zusätzliche Nachfrage generiert wodurch beide Netzbetreiber ihren Gewinn erhöhen können. Wenn jedoch ein egalitärer Zugriff verwendet wird und die Bandbreite der Netzbetreiber unsymmetrisch ist, könnte die zusätzliche Belastung des Spektrums so hoch sein, dass ein Netzbetreiber das Mitbenützen seines Spektrums verweigert.The spectrum of a mobile network operator is currently fixed and assigned by a regulatory authority based on an auction. By allowing a more dynamic allocation of the spectrum, as proposed in cognitive radio, it is possible to improve the performance in terms of user throughput. In this thesis, I derive a novel closed-form solution for the user throughput in the context of dynamic spectrum allocation, by reinterpreting and reformulating well-known results from queueing theory. I assume two specific access schemes: Firstly, egalitarian access, where all active users share the spectrum equally. Secondly, discriminatory access, where primary users have priority over secondary users who can only access the channel if no primary user is active. I also extend my throughput equations so that they describe spectrum sharing among different network operators. In particular, discriminatory spectrum sharing is analyzed using game theory for which I derive a Nash equilibrium which determines the distribution of data packets between primary channel and secondary channel. By assuming a linear demand function that depends not only on the price but also on the quality (throughput), I am able to describe the behavior of firms in case of a monopoly and a duopoly. My model predicts the number of base stations and the price subscribers have to pay. These outcomes are then compared to the socially optimal solutions whereas I propose three different social optimality criteria. The basic elements discussed so far are combined in order to answer the question whether a monopolistic network operator has an inventive to share his spectrum and infrastructure with a mobile virtual network operator. I answer this question by assuming a sequential game which resembles the classical Stackelberg leadership model. The outcome then depends strongly on the underlying demand functions. Finally, I consider the case of a duopoly and answer the question whether the firms want to share their spectrum. In most cases, they have an incentive to share their spectrum because the additional throughput generates a large additional demand which increases the profit for both firms. However, for the case of egalitarian sharing and an unsymmetrical spectrum endowment, the additional traffic load could be so high that one firm refuses to share the spectrum

Versatile mobile communications simulation: the Vienna 5G Link Level Simulator

Abstract Research and development of mobile communications systems require a detailed analysis and evaluation of novel technologies to further enhance spectral efficiency, connectivity and reliability. Due to the exponentially increasing demand of mobile broadband data rates and challenging requirements for latency and reliability, mobile communications specifications become increasingly complex. For this reason, analytic analysis as well as measurement-based investigations of link-level methods soon encounter feasibility limitations. Therefore, computer-aided numeric simulation is an important tool for investigation of wireless communications standards and is indispensable for analysis and development of future technologies. In this contribution, we introduce the Vienna 5G Link Level Simulator, a Matlab-based link-level simulation tool that facilitates research and development in mobile communications. Our simulator enables standard compliant setups according to 4G LTE, 5G NR and even beyond, making it a very flexible simulation tool. Offered under an academic use license free of charge to fellow researchers, it considerably enhances reproducibility in wireless communications research