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M. Simko:
"Pilot Pattern Optimization for Doubly-selective MIMO OFDM Transmissions";
Supervisor, Reviewer: M. Rupp, P. Diniz; E389, 2013; oral examination: 05-15-2013.

Current wireless transmission systems are far from their theoretically achievable performance
bounds. The main reason behind this is a conservative approach of the
standardization organizations. Most current standards for wireless communication
employ Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) Orthogonal Frequency-Division
Multiplexing (OFDM) modulation as it o ers a high spectral e ciency. These systems
require the insertion of at the receiver known symbols in order to estimate
the transmission channel. These so-called pilot-symbols consume available resources
such as power and bandwidth, and therefore e ectively decrease spectral e ciency.
This thesis deals with pilot pattern optimization for MIMO OFDM transmission
systems.
First, an optimal power distribution among pilot- and data-symbols is considered.
The post-equalization Signal to Interference and Noise Ratio (SINR) is maximized
in order to deliver optimal performance. The optimal power o set between the
pilot- and data-symbols depends on the ratio between the number of pilot- and
data-symbols, and on the distinct performance of the utilized channel estimator.
The achievable gains by the optimal power distribution depend on the operational
point. Throughput gains up to 10% can be achieved.
Furthermore, this thesis proposes a framework for optimal pilot pattern design for
MIMO OFDM systems under doubly selective channels. An upper bound of the
constrained channel capacity including channel estimation errors is provided. This
allows to nd an optimal pilot pattern for a given Signal to Noise Ratio (SNR),
channel correlation, and channel estimator. Signi cant throughput gains can be
achieved by employing the optimal pilot patterns compared to transmission systems
with standardized xed pilot patterns. The throughput gains can reach up to 850%
when comparing with a 4 4 Long Term Evolution (LTE) system.
In this thesis, I propose solutions how to approach the theoretically achievable performance
bounds. The proposed solutions can easily be implemented into the future
standards for wireless communication, and significantly improve their throughput.

Heutige Mobilfunkstandards liegen weit hinter ihren theoretischen Leistungsgrenzen.
Der Hauptgrund dafür liegt in der konservativen Vorgangsweise der Standardisierungsorganisationen.
Die neuesten Mobilfunkstandards setzen wegen ihrer hohen
spektralen Effizienz auf MIMO OFDM Modulation. Solche Systeme erfordern
den Einsatz von beim Empfänger bekannter Signale, um den Übertragungskanal zu
schätzen. Diese so-genannten Pilotsymbole konsumieren allerdings verfügbare Ressourcen
wie Leistung und Bandbreite und vermindern damit die spektrale Effizienz.
Zunächst wird eine optimale Leistungsverteilung zwischen Daten und Pilotsymbolen
betrachtet. Das Post-Entzerrer SINR wird maximiert, um optimale Leistungsfähigkeit
zu gewährleisten. Der optimale Leistungsabstand zwischen Pilot und Datensymbolen
hängt von dem Verhältnis der Pilot und Datensymbole sowie dem Vermögen
des verwendeten Kanalschätzers ab. Der durch optimale Leistungsverteilung erreichbare
Gewinn hängt vom Arbeitspunkt ab. Durchsatzerhöhungen von 10% können
erreicht werden.
Darüberhinaus schlägt die vorliegende Arbeit eine Methodik zur optimalen Gestaltung
von Pilotmuster für MIMO OFDM Übertragungen über doppelt selektive
Kanäle vor. Eine obere Grenze der bedingten Kanalkapazität, die Kanalschätzfehler
mit berücksichtigt, wird angegeben. Dies erlaubt es, optimale Pilotmuster für
gegebenes SNR, Kanalkorrelation und Kanalschätzer zu berechnen. In Vergleich zu
standardisierten Pilotsequenzen können nun optimale Sequenzen verwendet werden,
die signifikante Durchsatzverbesserungen erreichen. Diese Verbesserungen können
bis zu 850% groß sein, wenn ein 4 X 4 LTE System zugrunde gelegt wird.
In der vorliegenden Arbeit schlage ich Lösungen vor, die theoretisch erreichbare
Grenzen annähern. Die vorgeschlagenen Lösungen lassen sich leicht in zukünftige
Standards einbauen und erhöhen den Datendurchsatz signifikant.

LTE

http://publik.tuwien.ac.at/files/PubDat_219422.pdf

Project Head Christoph Mecklenbräuker:
Christian Doppler Lab "Funktechnologien für nachhaltige Mobilität"