Performance of advanced transmission and reception algorithms for high speed downlink packet access

Abstract

Nykyisten kolmannen sukupolven (3G) matkaviestinverkkojen suorituskykyä voidaan parantaa huomattavasti käyttämällä erilaisia kehittyneitä tekniikoita tukiasemissa ja matkaviestimissä. Suorituskyvyn lisääminen on tarpeen langattoman liikenteen jatkuvasti kasvaessa. – Ihmisten liikkuvuus on huipussaan ja esimerkiksi työn sidonnaisuus yhteen paikkaan on vähentynyt. Tarve olla jatkuvasti yhteydessä tietoverkkoon on samalla lisääntynyt. Yhä useammalla on esimerkiksi ns. liikkuva laajakaista, jolla nopea Internet-yhteys on riippumaton paikasta, Nihtilä toteaa. Nihtilä tutki väitöskirjassaan erilaisten lähetin- ja vastaanotinalgoritmien suorituskykyä 3G-teknologia WCDMA:n (Wideband Code Division Multiple Access) kanssa. Tutkimuskohteena oli HSDPA-lähetystekniikka (High Speed Downlink Packet Access), joka mahdollistaa nykyisen standardin mukaan yli 14 Mbps:n bittinopeuden tukiasemalta käyttäjälle päin. – Käytännössä HSDPA:ssa käyttäjän kokemat bittinopeudet jäävät huomattavasti teoreettisen nopeuden alle, mutta tutkituilla tekniikoilla voidaan koettuja nopeuksia parantaa selvästi, Nihtilä kertoo.Tutkimustyökaluna Nihtilä käytti dynaamista WCDMA-verkkosimulaattoria, joka sisälsi realistiset mallinnukset mm. signaalin etenemisestä, käyttäjien liikkuvuudesta, liikenteestä sekä radioverkon resurssien hallinnasta. Simulaatioiden käyttö tietoliikenteen tutkimuksessa on yleistä, koska käytännössä kaikki liikenteeseen vaikuttavat reaalimaailman ilmiöt voidaan mallintaa matemaattisesti. – Ilmiöiden moninaisuuden takia simulaattori muodostuu helposti monimutkaiseksi, mutta siinä auttaa eri tason simulaattorien järkevä yhdistely. Käyttämässäni koko radioverkkoa simuloivassa työkalussa hyödynnettiin erillisen yhteen tukiaseman ja matkaviestimen väliseen linkkiin keskittyvän simulaattorin tuloksia ja näin minimoitiin tarvittavan laskennan määrä, Nihtilä kertoo.Uudet tekniikat eivät välttämättä takaa parempaa suorituskykyä. Kaikki Nihtilän tutkimat tekniikat olivat teoriassa hyödyllisiä, mutta niiden yhteisvaikutusta ja keskinäistä vertailua ei ollut ennen tutkittu yhtä tarkasti. Tutkituista tekniikoista tärkein oli matkaviestimissä käytettävä taajuuskorjainvastaanotin, jonka toimintaa Nihtilä tarkasteli yhdessä erilaisia lähetys- ja vastaanotinantennikonfiguraatioita hyödyntävien tekniikoiden kanssa. Tulokset antavat uutta tietämystä eri tekniikoiden todellisesta suorituskyvystä kokonaisessa HSDPA-verkossa. – Mielenkiintoista oli nähdä eri tekniikoiden yhdistelmien erilainen vaikutus HSDPA:n suorituskykyyn. Esimerkiksi tukiaseman lähetysantennien lisäys ei vaikuttanut kehittynyttä vastaanotinta ja useampaa vastaanotinantennia hyödyntävien matkaviestimien kokemiin bittinopeuksiin, mutta tavanomaisella vastaanottimella ja yhdellä antennilla varustetun matkaviestimien suorituskykyyn lähetysantennien määrällä oli merkitystä. Kehittyneiden tekniikoiden yhteisvaikutus on siis harvoin niiden yksittäisvaikutusten summa, koska tekniikat ammentavat usein hyötynsä samoista ilmiöistä, Nihtilä havaitsi.Nihtilän tutkimustulokset ovat merkittäviä HSDPA-verkkojen ja matkaviestimien kehittäjille. Uusien tekniikoiden todellisen hyödyn arviointi on tärkeää, koska monet teollisuudessa ja yliopistomaailmassa esitetyt tekniikat pelkästään nostavat laitteiden valmistuskustannuksia tarjoten verkolle ja käyttäjille silti vain marginaalista hyötyä, jos sitäkään. – 3G-standardiin yritetään jatkuvasti tuoda erilaisia patentoituja tekniikoita, joiden todellinen vaikutus suorituskykyyn jää mainospuheiden taakse. Tutkimustulokseni antavat osaltaan osviittaa siitä millä osa-alueilla parannukset ovat oikeasti mahdollisia ja myös mitkä tekniikat eivät todennäköisesti lunasta esittäjiensä lupauksia, Nihtilä toteaa.

This work studies the system level performance of several advanced techniques developed for Wideband Code Division Multiple Access (WCDMA) which is the most widely adopted technique for the air interface of 3rd generation (3G) wireless networks. The performance is evaluated particularly with High Speed Downlink Packet Access (HSDPA) concept of WCDMA. The analysis considers the performance of advanced signal reception algorithms in combination with antenna diversity techniques in various realistic HSDPA network scenarios. The performance of conventional Rake receiver is compared to a Linear Minimum Mean Squared Error (LMMSE) chip level equalizer being capable of intra- and inter-cell interference suppression. The receiver performance is evaluated with and without receive diversity and different transmit antenna diversity techniques, namely Space-Time Transmit Diversity (STTD) from open loop concepts and single and dual stream Transmit Antenna Array (TxAA) from the closed loop transmit diversity techniques.Also the impact of different HSDPA packet scheduling strategies, namely round robin and proportional fair scheduling, are observed. The performance evaluation is done by changing several network attributes such as UE velocity, channel profiles and cell sizes. The study is done by means of extensive system level simulations using a comprehensive dynamic WCDMA network simulation tool, which comprises detailed modeling of signal propagation models, user mobility, traffic models, physical layer, radio resource management (RRM) algorithms and part of the upper layers of a WCDMA radio access network.