Analyzing performance of mobile MIMO-OFDM wireless systems: Tools and results

Abstract

Multi-antenna and multi-carrier wireless transmission techniques are expected to provide high peak data rates and spectral efficiency, good coverage and reliable transmission required by emerging wireless standards such as 3GPP Long Term Evolution (LTE) and 3GPP LTE-Advanced. The multi-stream transmission via Multiple-Output Multiple-Input (MIMO) systems achieves different gains using beamforming, spatial diversity and spatial multiplexing techniques. The multi-carrier modulation via Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) enhances spectral efficiency and facilitates using simple transceiver structures for broadband communications. MIMO-OFDM transmission impacts the design of many physical-level, system-level and radio resource management (RRM) functions as well as interaction between link and system level called Link-to-System (L2S) interface. In this thesis methods for optimizing L2S interface and RRM for MIMO-OFDM wireless systems and performance measures suitable for the system level performance evaluation are developed. The derived techniques are needed in network planning and optimization in order to analyze coverage, interference, frequency utilization, traffic loading. Moreover, they are used in dynamic system level simulations. In this thesis a computational efficient method for calculating the effective Signal-to-Interference-and-Noise-Ratio (SINR) mapping as advanced L2S interface for MIMO-OFDM transmission at the system-level is introduced. Asymptotic distribution of the effective SINR is established. In case of fast link adaptation with adaptive modulation and coding a mixture distribution model is used. The established distribution allows to utilize system capacity measure with a confidence and to evaluate the overall system performance. A measure for ergodic system capacity is established analytically through the mean value of the effective SINR. The proposed performance measure is attractive for the system level since it incorporates the L2S model used as a quality measure of a radio link. The simulation results carried out in specific mobility scenarios in 3GPP LTE downlink network verify the analytical results and show clear impact of mobility on the system capacity. In addition, fast and accurate rank adaptation method based on system level capacity is developed. It provides efficient and computationally simple procedure for adaptation to the varying channel conditions.

Monen antennin ja usean kantoaallon hyödyntämiseen perustuvien langattomien lähetystekniikoiden odotetaan saavuttavan korkeita tiedonsiirtonopeuksia, spektritehokkuutta, hyvän kantaman, sekä parantavan radioyhteyden luotettavuutta. Nämä ovat vaatimuksia uusissa langattomissa standardeissa, kuten 3GPP LTE (Long Term Evolution) sekä 3GPP LTE-Advanced järjestelmissä. Monikanavaisissa moniantenni (MIMO, Multiple-Input-Multiple-Output) järjestelmissä voidaan hyödyntää keilanmuodostusta (beamforming), tilan monimuotoisuutta (spatial diversity) sekä tilakanavointia (spatial multiplexing). Usean kantoaallon moduloiminen OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) tekniikan avulla lisää spektritehokkuutta ja mahdollistaa yksinkertaistettujen lähetin-vastaanotin -rakenteiden hyödyntämisen laajakaistaisessa tietoliikenteessä. MIMO-OFDM lähetystekniikka vaikuttaa niin fyysisen rajapinnan, järjestelmätason kuin radioresurssien hallinnankin (RRM, Radio Resource Management) suunnitteluun, sekä myös siirtolinkin ja järjestelmän väliseen L2S (Link-to-System) rajapintaan. Tässä väitöskirjassa kehitetään langattomien MIMO-OFDM järjestelmien L2S rajapinnan sekä RRM optimoimiseen soveltuvia menetelmiä, sekä järjestelmän suorituskyvyn arvioimiseen sopivia suorituskyvyn mittareita. Kehitetyillä menetelmillä voidaan analysoida langattomien verkkojen peittoaluetta, keskinäistä häiriötä, taajuuksien käyttöä sekä liikenteen tasapainotusta, joita tarvitaan verkon suunnitteluun ja optimoimiseen. Näitä menetelmiä käytetään lisäksi dynaamisissa järjestelmätason simulaatioissa. Tässä työssä esitetään laskennallisesti tehokas menetelmä tehollisen signaali-häiriö-kohina suhteen (SINR, Signal-to-Interference-and-Noise-Ratio) laskentaan ja muuntamiseen MIMO-OFDM järjestelmän kehittyneelle L2S rajapinnalle. Lisäksi johdetaan tehollisen SINR arvon asymptoottinen jakauma. Nopean linkkien mukauttamisen ja adaptiivisen modulaation ja koodauksen tapauksessa mallinnukseen käytetään sekajakaumaa. Johdettu jakauma mahdollistaa järjestelmän kapasiteetin luotettavan arvioimisen ja käytön koko järjestelmän suorituskyvyn mittaamiseen. Tehollisen SINR keskiarvon avulla voidaan analyyttisesti laskea järjestelmän ergodinen kapasiteetti. Kehitetty suorituskyvyn mittari soveltuu erityisen hyvin järjestelmätasolle, sillä sitä voidaan käyttää L2S mallin hyödyntämiseen radioyhteyden laadun analysoimiseen. Suoritetut simuloinnit tietyissä 3GPP LTE mobiiliverkon