Code Division Multiple Access (CDMA) is the technology used in all third generation cellular communications networks, and it is a promising candidate for the definition of fourth generation standards. The wireless mobile channel is usually frequency-selective causing interference among the users in one CDMA cell. Multiuser Transmission (MUT) algorithms for the downlink can increase the number of supportable users per cell, or decrease the necessary transmit power to guarantee a certain quality-of-service. Transmitter-based algorithms exploiting the channel knowledge in the transmitter are also motivated by information theoretic results like the Writing-on-Dirty-Paper theorem. The signal-to-noise ratio (SNR) is a reasonable performance criterion for noise-dominated scenarios. Using linear filters in the transmitter and the receiver, the SNR can be maximized with the proposed Eigenprecoder. Using multiple transmit and receive antennas, the performance can be significantly improved. The Generalized Selection Combining (GSC) MIMO Eigenprecoder concept enables reduced complexity transceivers. Methods eliminating the interference completely or minimizing the mean squared error exist for both the transmitter and the receiver. The maximum likelihood sequence detector in the receiver minimizes the bit error rate (BER), but it has no direct transmitter counterpart. The proposed Minimum Bit Error Rate Multiuser Transmission (TxMinBer) minimizes the BER at the detectors by transmit signal processing. This nonlinear approach uses the knowledge of the transmit data symbols and the wireless channel to calculate a transmit signal optimizing the BER with a transmit power constraint by nonlinear optimization methods like sequential quadratic programming (SQP). The performance of linear and nonlinear MUT algorithms with linear receivers is compared at the example of the TD-SCDMA standard. The interference problem can be solved with all MUT algorithms, but the TxMinBer approach requires less transmit power to support a certain number of users. The high computational complexity of MUT algorithms is also an important issue for their practical real-time application. The exploitation of structural properties of the system matrix reduces the complexity of the linear MUT mthods significantly. Several efficient methods to invert the ystem matrix are shown and compared. Proposals to reduce the omplexity of the Minimum Bit Error Rate Multiuser Transmission mehod are made, including a method avoiding the constraint by pase-only optimization. The complexity of the nonlinear methods i still some magnitudes higher than that of the linear MUT lgorithms, but further research on this topic and the increasing processing power of integrated circuits will eventually allow to exploit their better performance. / Der codegeteilte Mehrfachzugriff (CDMA) wird bei allen zellularen Mobilfunksystemen der dritten Generation verwendet und ist ein aussichtsreicher Kandidat für zukünftige Technologien. Die Netzkapazität, also die Anzahl der Nutzer je Funkzelle, ist durch auftretende Interferenzen zwischen den Nutzern begrenzt. Für die Aufwärtsstrecke von den mobilen Endgeräten zur Basisstation können die Interferenzen durch Verfahren der Mehrnutzerdetektion im Empfänger verringert werden. Für die Abwärtsstrecke, die höhere Datenraten bei Multimedia-Anwendungen transportiert, kann das Sendesignal im Sender so vorverzerrt werden, dass der Einfluß der Interferenzen minimiert wird. Die informationstheoretische Motivation liefert dazu das Writing-on-Dirty-Paper Theorem. Das Signal-zu-Rausch-Verhältnis ist ein geeignetes Kriterium für die Performanz in rauschdominierten Szenarien. Mit Sende- und Empfangsfiltern kann das SNR durch den vorgeschlagenen Eigenprecoder maximiert werden. Durch den Einsatz von Mehrfachantennen im Sender und Empfänger kann die Performanz signifikant erhöht werden. Mit dem Generalized Selection MIMO Eigenprecoder können Transceiver mit reduzierter Komplexität ermöglicht werden. Sowohl für den Empfänger als auch für den Sender existieren Methoden, die Interferenzen vollständig zu eliminieren, oder den mittleren quadratischen Fehler zu minimieren. Der Maximum-Likelihood-Empfänger minimiert die Bitfehlerwahrscheinlichkeit (BER), hat jedoch kein entsprechendes Gegenstück im Sender. Die in dieser Arbeit vorgeschlagene Minimum Bit Error Rate Multiuser Transmission (TxMinBer) minimiert die BER am Detektor durch Sendesignalverarbeitung. Dieses nichtlineare Verfahren nutzt die Kenntnis der Datensymbole und des Mobilfunkkanals, um ein Sendesignal zu generieren, dass die BER unter Berücksichtigung einer Sendeleistungsnebenbedingung minimiert. Dabei werden nichtlineare Optimierungsverfahren wie Sequentielle Quadratische Programmierung (SQP) verwendet. Die Performanz linearer und nichtlinearer MUT-Verfahren MUT-Algorithmen mit linearen Empfängern wird am Beispiel des TD-SCDMA-Standards verglichen. Das Problem der Interferenzen kann mit allen untersuchten Verfahren gelöst werden, die TxMinBer-Methode benötigt jedoch die geringste Sendeleistung, um eine bestimmt Anzahl von Nutzern zu unterstützen. Die hohe Rechenkomplexität der MUT-Algorithmen ist ein wichtiges Problem bei der Implementierung in Real-Zeit-Systemen. Durch die Ausnutzung von Struktureigenschaften der Systemmatrizen kann die Komplexität der linearen MUT-Verfahren signifikant reduziert werden. Verschiedene Verfahren zur Invertierung der Systemmatrizen werden aufgezeigt und verglichen. Es werden Vorschläge gemacht, die Komplexität der Minimum Bit Error Rate Multiuser Transmission zu reduzieren, u.a. durch Vermeidung der Sendeleistungsnebenbedingung durch eine Beschränkung der Optimierung auf die Phasen des Sendesignalvektors. Die Komplexität der nichtlinearen Methoden ist um einige Größenordungen höher als die der linearen Verfahren. Weitere Forschungsanstrengungen an diesem Thema sowie die wachsende Rechenleistung von integrierten Halbleitern werden künftig die Ausnutzung der besseren Leistungsfähigkeit der nichtlinearen MUT-Verfahren erlauben.

Code Division Multiple Access (CDMA) is the technology used in all third generation cellular communications networks, and it is a promising candidate for the definition of fourth generation standards. The wireless mobile channel is usually frequency-selective causing interference among the users in one CDMA cell. Multiuser Transmission (MUT) algorithms for the downlink can increase the number of supportable users per cell, or decrease the necessary transmit power to guarantee a certain quality-of-service. Transmitter-based algorithms exploiting the channel knowledge in the transmitter are also motivated by information theoretic results like the Writing-on-Dirty-Paper theorem. The signal-to-noise ratio (SNR) is a reasonable performance criterion for noise-dominated scenarios. Using linear filters in the transmitter and the receiver, the SNR can be maximized with the proposed Eigenprecoder. Using multiple transmit and receive antennas, the performance can be significantly improved. The Generalized Selection Combining (GSC) MIMO Eigenprecoder concept enables reduced complexity transceivers. Methods eliminating the interference completely or minimizing the mean squared error exist for both the transmitter and the receiver. The maximum likelihood sequence detector in the receiver minimizes the bit error rate (BER), but it has no direct transmitter counterpart. The proposed Minimum Bit Error Rate Multiuser Transmission (TxMinBer) minimizes the BER at the detectors by transmit signal processing. This nonlinear approach uses the knowledge of the transmit data symbols and the wireless channel to calculate a transmit signal optimizing the BER with a transmit power constraint by nonlinear optimization methods like sequential quadratic programming (SQP). The performance of linear and nonlinear MUT algorithms with linear receivers is compared at the example of the TD-SCDMA standard. The interference problem can be solved with all MUT algorithms, but the TxMinBer approach requires less transmit power to support a certain number of users. The high computational complexity of MUT algorithms is also an important issue for their practical real-time application. The exploitation of structural properties of the system matrix reduces the complexity of the linear MUT mthods significantly. Several efficient methods to invert the ystem matrix are shown and compared. Proposals to reduce the omplexity of the Minimum Bit Error Rate Multiuser Transmission mehod are made, including a method avoiding the constraint by pase-only optimization. The complexity of the nonlinear methods i still some magnitudes higher than that of the linear MUT lgorithms, but further research on this topic and the increasing processing power of integrated circuits will eventually allow to exploit their better performance. / Der codegeteilte Mehrfachzugriff (CDMA) wird bei allen zellularen Mobilfunksystemen der dritten Generation verwendet und ist ein aussichtsreicher Kandidat für zukünftige Technologien. Die Netzkapazität, also die Anzahl der Nutzer je Funkzelle, ist durch auftretende Interferenzen zwischen den Nutzern begrenzt. Für die Aufwärtsstrecke von den mobilen Endgeräten zur Basisstation können die Interferenzen durch Verfahren der Mehrnutzerdetektion im Empfänger verringert werden. Für die Abwärtsstrecke, die höhere Datenraten bei Multimedia-Anwendungen transportiert, kann das Sendesignal im Sender so vorverzerrt werden, dass der Einfluß der Interferenzen minimiert wird. Die informationstheoretische Motivation liefert dazu das Writing-on-Dirty-Paper Theorem. Das Signal-zu-Rausch-Verhältnis ist ein geeignetes Kriterium für die Performanz in rauschdominierten Szenarien. Mit Sende- und Empfangsfiltern kann das SNR durch den vorgeschlagenen Eigenprecoder maximiert werden. Durch den Einsatz von Mehrfachantennen im Sender und Empfänger kann die Performanz signifikant erhöht werden. Mit dem Generalized Selection MIMO Eigenprecoder können Transceiver mit reduzierter Komplexität ermöglicht werden. Sowohl für den Empfänger als auch für den Sender existieren Methoden, die Interferenzen vollständig zu eliminieren, oder den mittleren quadratischen Fehler zu minimieren. Der Maximum-Likelihood-Empfänger minimiert die Bitfehlerwahrscheinlichkeit (BER), hat jedoch kein entsprechendes Gegenstück im Sender. Die in dieser Arbeit vorgeschlagene Minimum Bit Error Rate Multiuser Transmission (TxMinBer) minimiert die BER am Detektor durch Sendesignalverarbeitung. Dieses nichtlineare Verfahren nutzt die Kenntnis der Datensymbole und des Mobilfunkkanals, um ein Sendesignal zu generieren, dass die BER unter Berücksichtigung einer Sendeleistungsnebenbedingung minimiert. Dabei werden nichtlineare Optimierungsverfahren wie Sequentielle Quadratische Programmierung (SQP) verwendet. Die Performanz linearer und nichtlinearer MUT-Verfahren MUT-Algorithmen mit linearen Empfängern wird am Beispiel des TD-SCDMA-Standards verglichen. Das Problem der Interferenzen kann mit allen untersuchten Verfahren gelöst werden, die TxMinBer-Methode benötigt jedoch die geringste Sendeleistung, um eine bestimmt Anzahl von Nutzern zu unterstützen. Die hohe Rechenkomplexität der MUT-Algorithmen ist ein wichtiges Problem bei der Implementierung in Real-Zeit-Systemen. Durch die Ausnutzung von Struktureigenschaften der Systemmatrizen kann die Komplexität der linearen MUT-Verfahren signifikant reduziert werden. Verschiedene Verfahren zur Invertierung der Systemmatrizen werden aufgezeigt und verglichen. Es werden Vorschläge gemacht, die Komplexität der Minimum Bit Error Rate Multiuser Transmission zu reduzieren, u.a. durch Vermeidung der Sendeleistungsnebenbedingung durch eine Beschränkung der Optimierung auf die Phasen des Sendesignalvektors. Die Komplexität der nichtlinearen Methoden ist um einige Größenordungen höher als die der linearen Verfahren. Weitere Forschungsanstrengungen an diesem Thema sowie die wachsende Rechenleistung von integrierten Halbleitern werden künftig die Ausnutzung der besseren Leistungsfähigkeit der nichtlinearen MUT-Verfahren erlauben.

In der theoretischen Auseinandersetzung mit mobilen Internet-Diensten sind Quality of Service (QoS) und Quality of Experience (QoE) als hochkomplexe und verbundene Konzepte zu erkennen. QoS umfasst dabei die technische Sicht auf das Telekommunikationsnetz, charakterisiert durch leistungsrelevante Parameterwerte (z. B. Durchsatz und Latenz). QoE hingegen bezieht sich auf die Bewertung des Nutzererlebnisses (z. B. Zufriedenheit und Akzeptanz). Zur gemeinsamen Erklärung bedarf es einer multi- bzw. interdisziplinären Betrachtung zwischen Ingenieurs- und Humanwissenschaften, da neben der Technik auch der Mensch als Nutzer in den QoS-QoE-Zusammenhang involviert ist. Ein mehrschichtiges Modell erfasst die relevanten Einflussfaktoren und internen Zusammenhänge zwischen QoS und QoE sowohl aus Netz- als auch Nutzersicht. Zur Quantifizierung des Zusammenhangs konkreter Werte in einer empirischen QoE-Evaluation wurde ein umfangreiches psychophysikalisches Laborexperiment konzipiert. Das dafür entwickelte Netzemulations-Testbed erlaubt mobiltypische Netz- und Nutzungssituationen gezielt in einem Testparcours zusammenzubringen. Die formulierten Prinzipien zur Testrelevanz, -eignung und -effizienz berücksichtigen hierbei die Besonderheiten des Testaufbaus und -designs mit echten Endgeräten und Diensten. Die Ergebnisse von über 200 Probanden bestätigen die vorhergesagten QoS-QoE-Charakteristiken der sechs untersuchten Dienste als kontinuierlich-elastisch bzw. sprunghaft-fest. Dienstspezifisch lässt sich jeweils von einem angestrebten Grad der Nutzerzufriedenheit auf die notwendigen Werte der QoS-Netzparameter schließen, woraus sich ein QoS-QoE-Zufriedenheitskorridor zwischen einem unteren und oberen Schwellwert ergibt. Teilweise sind dabei QoS-unabhängige Faktoren, z. B. die Art der Präsentation der Stimuli in der App auf dem Endgerät, als ebenso relevant zu erkennen wie die QoS-Netzparameter selbst. / The thesis is centered on the relationship of Quality of Service (QoS) and Quality of Experience (QoE) for mobile Internet services. While QoS covers the technical view on the telecommunications network characterized by performance-related parameter values (e.g. throughput and latency), QoE refers to the assessment of the user experience (e.g. satisfaction and acceptability) in the use of the services. In the thesis QoS and QoE are revealed as highly complex and related concepts in theoretical contemplation. Integrating both concepts requires a multidisciplinary or interdisciplinary approach between engineering and human sciences to consider both - technological aspects of the network as well the human user. The designed multilayered model appropriately integrates the technical network view as well as the user's perspective by considering all relevant factors of influence and all internal relationships between QoS and QoE. The conducted extensive psychophysical laboratory experiment with real users, devices and services quantifies the relationship between specific QoS values and specific QoE values. A testbed developed for network emulation allows combining typical mobile network situations with typical usage situations in a controlled and focused manner. The three elaborated principles to test for relevance, suitability and efficiency take into account the special features of the test setup and test design. Test results gained from more than 200 volunteers confirm the predicted QoS-QoE-characteristics of the six tested mobile services to be either elastic or non-elastic. It is possible to conclude from the desired degree of user satisfaction on the necessary values of the QoS network parameters, which results in a QoS-QoE-corridor between lower and upper threshold values. Findings prove that QoS-independent factors, e.g. the type of presentation of the stimuli in the app on the user’s device, can be as relevant for QoE as the evaluated QoS network parameters themselves.

Gemeinsamer Workshop von Universitaetsrechenzentrum und Professur "Rechnernetze und verteilte Systeme" der Fakultaet fuer Informatik der TU Chemnitz. Workshop-Thema: Mobilitaet

Due to the increasing demand of broadband capability and reconfigurability for mobile applications, there is an enormous interest to develop appropriate analog receiver front-ends. In this respect, one promising candidate group is the Six-Port-based direct conversion receiver. The presented work focuses on the investigation of Six-Port-based mobile receiver front-ends with their specific systematical signal processing. Thereby, issues of spurious interfering signals which are generated within the down conversion process of such receivers are of special interest. Based on a comprehensive description of the analog signal processing within additive frequency conversion, a reason could be identified why existing Six-Port receivers have not found any practical application in mobile communication yet – the dynamic DC-offset. With this insight compensation techniques were developed to overcome the negative influences of the dynamic DC-offset. Furthermore, this work presents novel Six-Port-based receiver architectures which, on the one hand, keep the advantages of additive mixing systems like: low power consumption, broadband capability and simplicity of implementation especially for mm-wave transmissions. On the other hand, these novel architectures comprise compensation techniques such that systematically generated spurious signals are inherently compensated in the analog part of the receiver. Moreover, the influence of impairments of phase and amplitude within the IQ-branches of a receiver was investigated. The resulting, unwanted IQ-imbalance was shown to be a mixing method (multiplicative or additive) independent spurious effect. It is suggested to compensate for IQ-imbalance in the digital part of the receiver system. This can be realized with the use of adaptive algorithms. The comparison with conventional analog receiver architectures (especially homodyne receivers) with respect to the reception of today’s and future digitally modulated transmission signals indicate the proposed Six-Port-based receiver architectures to be suitable candidates to fulfill the difficult tasks of modern mobile communication.

Gemeinsamer Workshop von Universitaetsrechenzentrum und Professur "Rechnernetze und verteilte Systeme" der Fakultaet fuer Informatik der TU Chemnitz. Workshop-Thema: Mobilitaet

Due to the increasing demand of broadband capability and reconfigurability for mobile applications, there is an enormous interest to develop appropriate analog receiver front-ends. In this respect, one promising candidate group is the Six-Port-based direct conversion receiver. The presented work focuses on the investigation of Six-Port-based mobile receiver front-ends with their specific systematical signal processing. Thereby, issues of spurious interfering signals which are generated within the down conversion process of such receivers are of special interest. Based on a comprehensive description of the analog signal processing within additive frequency conversion, a reason could be identified why existing Six-Port receivers have not found any practical application in mobile communication yet – the dynamic DC-offset. With this insight compensation techniques were developed to overcome the negative influences of the dynamic DC-offset. Furthermore, this work presents novel Six-Port-based receiver architectures which, on the one hand, keep the advantages of additive mixing systems like: low power consumption, broadband capability and simplicity of implementation especially for mm-wave transmissions. On the other hand, these novel architectures comprise compensation techniques such that systematically generated spurious signals are inherently compensated in the analog part of the receiver. Moreover, the influence of impairments of phase and amplitude within the IQ-branches of a receiver was investigated. The resulting, unwanted IQ-imbalance was shown to be a mixing method (multiplicative or additive) independent spurious effect. It is suggested to compensate for IQ-imbalance in the digital part of the receiver system. This can be realized with the use of adaptive algorithms. The comparison with conventional analog receiver architectures (especially homodyne receivers) with respect to the reception of today’s and future digitally modulated transmission signals indicate the proposed Six-Port-based receiver architectures to be suitable candidates to fulfill the difficult tasks of modern mobile communication.