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Forschungsarbeit

Interference Cancellation For GSM/EDGE

Von Dipl.-Ing. Andreas Lehmann (14.06.2011)

Das Global System for Mobile Communications (GSM) ist das populärste und am weitesten verbreitete Mobilfunknetz der Welt. Die Nutzerzahlen wachsen stark und auch der Netzausbau schreitet immer noch voran. Dies ist zunächst überraschend, wo doch schnellere, modernere Technologien wie das Universal Mobile Telecommunications System (UMTS) oder Long Term Evolution (LTE) in aller Munde sind. Ein flächendeckender Ausbau dieser Technologien ist jedoch teuer und findet daher vorwiegend in Ballungsräumen statt, wo auch zahlungskräftige Kundschaft zu finden ist. Besonders in ländlichen Regionen, aber vor Allem auch in Schwellenländern ist GSM immer noch die Technologie der Wahl. Die Bestrebungen der Standardisierungskommission (3GPP) zielen darauf ab, das GSM System zu verbessern möglichst ohne an der bestehenden Hardware-Infrastruktur etwas zu ändern. Gelungen ist das zum Beispiel mit dem Enhanced Data Rates for GSM Evolution (EDGE) Standard, der die Datenrate innerhalb des Systems erhöht hat indem ausschließlich die Signalverarbeitung verbessert wurde, die bestehende Hardware also weiterverwendet werden konnte. Eine Erhöhung der Datenrate bedeutet nichts anderes, als dass der einzelne Nutzer eine höhere Datenrate bekommt (schnelleres mobiles Internet) oder, dass der Netzversorger einfach mit dem gleichen Infrastrukturaufwand mehr Kunden versorgen kann als bisher.

Das bestehende GSM/EDGE System weiter zu verbessern ohne die Hardware zu verändern, also anders gesagt nur die Software bzw. Signalverarbeitung zu verändern war das Ziel der Diplomarbeit. Oft gehen solche Verbesserungen damit einher, dass man Annahmen, die bei der Entwicklung des Systems getroffen wurden, in Frage stellt, präzisiert oder aufweicht. So auch in diesem Fall. Bei der Konzeption des GSM/EDGE Systems wurde davon ausgegangen, dass die Datensymbole bei der Übertragung von Additivem Weißen Gaußschen Rauschen sowie Fading (sogenannter Schwund) betroffen sind und dadurch gestört werden. Die Aufgabe des Empfängers ist es nun aus dem empfangenen Signal die gesendeten Symbole und letztendlich die Nutzdaten zu extrahieren. Natürlich ist hier die Modellierung der Störung essentiell, da der Empfänger so konzipiert wird, dass er diese „bekämpft“ und ihre Einflüsse minimiert. Das System ist also auf die Störung optimiert.

In der Praxis zeigt sich, dass es außer den angenommenen Störungen auch noch sogenannte Co-Channel Interference (CCI) oder Gleichkanalinterferenz gibt. Diese kommt dadurch zustande, dass andere GSM Funkzellen auf der gleichen Frequenz bzw. dem gleichen Kanal arbeiten wie die Zelle in der sich der Nutzer befindet. Frequenzen sind eine begrenzte Ressource und jedem Netzbetreiber steht nur eine begrenzte Frequenzbandbreite zur Verfügung. Dadurch müssen die Frequenzen, die in einer Zelle verwendet werden, ein paar Funkzellen weiter wiederverwendet werden. CCI bedeutet nichts anderes, als dass neben dem eigentlichen Nutzsignal, auch das Signal eines Nutzers einer Gleichkanalzelle empfangen wird, was eine zusätzliche Störung bedeutet. Diese Störung lässt die Signalverarbeitung im konventionellen Empfangsteil aber unberücksichtigt, wodurch die fehlerfreie Extraktion der Nutzdaten stark erschwert werden kann. Die Bit-Fehler-Rate steigt, was die Nutzer dadurch erfahren, dass die Sprachqualität bzw. die Datenrate (bei Datenkommunikation) sinkt.

Der Empfänger basiert darauf die so genannte „a-posteriori Wahrscheinlichkeit“ der gesendeten Sequenz zu maximieren. Einfach gesagt sucht man nach der Sequenz, die mit der größten Wahrscheinlichkeit nach dem Senden und nach Störung durch das angenommene Störungsmodell die empfangene Sequenz ergibt. Es ist offensichtlich, dass es hier darauf ankommt, dass das Störungsmodell die Realität möglichst gut abbildet. Andererseits darf das Modell nicht zu kompliziert sein, da sonst die Berechnungen zu aufwändig werden, was Zeit, Rechenleistung und (Batterie-)Strom kostet. Wertvolle Ressourcen, besonders bei mobilen Endgeräten.

 

Für die Diplomarbeit wurde die Störung remodelliert. Durch die CCI haben einige der empfangenen Symbole einen viel größeren Störanteil, als sie hätten wenn keine CCI zugegen wäre. Die Störung wird „impulsiv“. Um diese Impulsivität der Störung zu remodellieren haben wir angenommen, dass die Störung nicht gaußverteilt sondern „allgemein gaußverteilt“ ist. Diese Verteilung beinhaltet einen freien Parameter „p“, welcher die Form der Verteilung beeinflusst. Die allgemeine Gaußverteilung ist, wie der Name schon sagt, eine allgemeinere Form der Gaußverteilung und beinhaltet diese (für p=2), aber zum Beispiel auch die ebenfalls sehr bekannte Laplaceverteilung (für p=1).  Wählt man p kleiner als zwei, dann ist die Wahrscheinlichkeit, dass große Störwerte (zum Beispiel Impulse) auftreten höher als bei der Gaußverteilung.

Der konventionelle Empfänger wurde modifiziert und seine Komponenten auf das neue Störungsmodell angepasst. Danach wurden einige Varianten des modifizierten Empfängers mit dem konventionellen Empfänger in verschiedenen Störszenarien verglichen. Unsere Ergebnisse zeigen klar, dass eine Optimierung der Signalverarbeitung auf „allgemein gaußverteilte“ Störung besonders bei asynchroner Co-Channel Interference (die Zelle und Gleichkanalzelle  arbeiten nicht im gleichen Zeittakt, was der realistischere Fall ist), dem konventionellen System weit überlegen ist. Sogar in Fällen, in denen keine Co-Channel Interference auftritt kann das modifizierte System leichte Vorteile (durch zuvor nicht erwartete Nebeneffekte) haben, obwohl es für diesen Fall nicht optimiert ist.


Stationen
  • seit 2011
  • Promotion am Lehrstuhl für Informationsübertragung, FAU Erlangen, Thema: Network Coding for Powerline Communication
  • bis März 2011
  • Masterstudium Systeme der Informations- und Multimediatechnik in Erlangen

Auszeichnungen
  • Sieger im Fallstudienwettbewerb von Rohde und Schwarz, 2009
  • Absolvent der Bayerischen EliteAkadmie, 9. Jahrgang, 2008/09
  • Stipendiat der Konrad Adenauer Stiftung, seit 2006