Christoph Arnold Jötten

• In Anbetracht der ständig steigenden Nachfrage nach Mobilkommunikation einerseits und der nur begrenzt zur Verfügung stehenden Ressource Frequenzspektrum andererseits müssen Mobilfunksysteme der dritten Generation (3G) eine hohe Frequenzökonomie haben. Dies trifft insbesondere auf die Abwärtsstrecken dieser Systeme zu, in denen auch paketorientierte Dienste mit hohen Datenraten angeboten werden sollen. Seitens der Basisstationen kann die spektrale Effizienz der Abwärtsstrecke durch das Verwenden mehrelementiger adaptiver Sendeantennen erhöht werden. Hierzu sind leistungsfähige Signalverarbeitungskonzepte erforderlich, die die effektive Kombination der adaptiven Antennen mit der eingesetzten Sendeleistungsregelung ermöglichen. Die wichtigsten Aspekte beim Entwerfen von Signalverarbeitungskonzepten für adaptive Sendeantennen sind das Gewährleisten mobilstationsspezifischer Mindestdatenraten sowie das Reduzieren der aufzuwendenden Sendeleistungen. Die vorliegende Arbeit trägt dazu bei, den Einsatz mehrantennenelementiger adaptiver Sendeantennen in Mobilfunksystemen der dritten Generation voranzutreiben. Existierende Konzepte werden dargestellt, vereinheitlicht, analysiert und durch eigene Ansätze des Autors erweitert. Signalverarbeitungskonzepte für adaptive Antennen benötigen als Wissensbasis zumindest einen gewissen Grad an Kenntnis über die Mobilfunkkanäle der Abwärtsstrecke. Beim für den FDD-Modus angedachten 3G-Teilstandard WCDMA ergibt sich das Problem, daß wegen des Frequenzversatzes zwischen der Auf- und der Abwärtsstrecke die Ergebnisse der Kanalschätzung in der Aufwärtsstrecke nicht direkt zum Einstellen der adaptiven Sendeantennen verwendet werden können. Eine Möglichkeit, in FDD-Systemen an den Basisstationen ein gewisses Maß an Kenntnis über die räumlichen Eigenschaften der Mobilfunkkanäle der Abwärtsstrecke verfügbar zu machen, besteht im Ausnutzen der an den Basisstationen ermittelbaren räumlichen Korrelationsmatrizen der Mobilfunkkanäle der Aufwärtsstrecke. Diese Vorgehensweise ist nur dann sinnvoll, wenn die relevanten Einfallsrichtungen der Aufwärtsstrecke mit den relevanten Abstrahlungsrichtungen der Abwärtsstrecke übereinstimmen. Für diesen Fall wird in der vorliegenden Arbeit ein aufwandsgünstiges Verfahren zum Anpassen der adaptiven Sendeantennen erarbeitet, das nicht auf komplexen Richtungsschätzalgorithmen beruht. Eine verläßlichere Methode, an den Basisstationen ein gewisses Maß an Kenntnis über die räumlichen Eigenschaften der Mobilfunkkanäle der Abwärtsstrecke verfügbar zu machen, ist das Signalisieren von Kanalzustandsinformation, die an den Mobilstationen gewonnen wird, über einen Rückkanal an die versorgende Basisstation. Da dieses Rücksignalisieren zeitkritisch ist und die Übertragungskapazität des Rückkanals begrenzt ist, wird in der vorliegenden Arbeit ein aufwandsgünstiges Verfahren zum Vorverarbeiten und Rücksignalisieren von Kanalzustandsinformation erarbeitet.
• Concerning the increasing demand on mobile communications on the one hand and the limitation of the radio frequency spectrum on the other hand, third generation (3G) mobile radio systems must have a high spectral capacity. This is especially true for the downlinks of these systems, where packet oriented high data rate services shall be provided. On the part of the transmitting base stations, the spectral efficiency of the downlink may be increased by the use of adaptive multi-element transmit antennas. Therefore, powerful signal processing concepts are required, which enable the effective combination of the adaptive multi-element antennas with the applied transmit power control. The main aspects when designing signal processing concepts for adaptive multi-element transmit antennas are the provision of user specific data rates and the reduction of the necessary transmit powers. The present thesis contributes to press ahead with the application of adaptive multi-element transmit antennas in third generation mobile radio systems. Existing concepts are described, standardized, analyzed, and enhanced by original contributions of the author. As knowledge base for the operation of signal processing concepts for adaptive transmit antennas at least a certain level of downlink channel knowledge is necessary. The 3G partial standard WCDMA designated for the Frequency Division Duplexing (FDD) radio frequency bands suffers from the inherent disadvantage that, due to the frequency gap between up- and downlink, the results of the uplink channel estimation cannot be directly used as the channel information required for adjusting the multi-element transmit antennas. In the FDD case, an approach to obtain knowledge about the spatial properties of the DL channels at the BS consists in exploiting the spatial properties of the UL channels. This approach is based on the assumption that the directional properties of the uplink channels and the corresponding downlink channels are equal. For the case that this assumption holds, in the present thesis a low-cost technique to adjust the adaptive transmit antennas based on UL channel estimates is developed, which does not rely on expensive direction of arrival (DOA) estimation techniques. A more reliable way to obtain information about the spatial downlink channels at the base station is via feedback from the mobile stations. Due to the fact that this signaling is time critical and the transmission capacity of the feedback channel is limited, an efficient scheme to preprocess and feeding back channel state information is being developed and tested in the present thesis.