Aufwandsgünstige Detektion in Mehrantennensystemen mittels komplexitätsreduzierter Baumsuchverfahren
Björn Mennenga
Stetig wachsender Bedarf nach hohen Datenraten erfordert zunehmend eine effizientere Nutzung rarer Ressourcen mobiler Kommunikation, wie der verfügbaren Bandbreite. Zukünftige Mobilfunksysteme werden hierfür voraussichtlich Mehrantennen-Übertragungstechniken sowie große Sendekonstellationen nutzen um möglichst viele Daten pro Kanalzugriff zu senden und so die spektrale Effizienz zu erhöhen. Aufgrund fehlender Orthogonalität der Übertragungskanäle und der angestrebten Übertragungssysteme großer Ordnung ist dieser Vorteil jedoch mit großem Rechenaufwand im Transceiver verbunden, was die Anwendbarkeit einschränkt. Insbesondere der hohe Rechenaufwand zur exakten Signal-Detektion ist hierbei zunehmend problematisch und daher Gegenstand dieser Arbeit.
Baumsuchbasierte Algorithmen bieten einen viel versprechenden Ansatz zur Linderung des einhergehenden Rechenaufwandes. Ziel dieser Arbeit waren Untersuchungen und Beiträge zur Reduzierung der Komplexität solcher Detektionsalgorithmen in Hinblick auf eine Umsetzung und die Vorbereitung eines ausgewählten Algorithmus für die Hardwareimplementierung.
Auf Basis von Untersuchungen bestehender Algorithmen konnten wesentliche Nachteile konventioneller sog. „close to MAP“-Algorithmen identifiziert und zur Einführung eines neuen Soft-In Soft-Out-Detection-Algorithmus ausgenutzt werden. Hierdurch war eine Minimierung des Umfanges benötigter Suchschritte möglich, bei Aufrechterhaltung der Flexibilität des Detektors, in Bezug auf beispielsweise variable Detektionsgenauigkeit oder Systemordnung.
Als Folge ist eine weitere signifikante Reduktion des verbleibenden Rechenaufwandes nur über vereinfachte Suchschritte und damit mit einer Reduktion der Menge benötigter paralleler Zweiganalysen und deren Rechenumfang möglich. Die Nutzung regelmäßiger Sendekonstellationen ermöglicht eine Abbildung des Detektionsproblems auf geometrischen Betrachtungen. Die Bestimmung der Suchabfolge sowie die Distanzberechnungen können hiermit in wenige Vergleiche überführt werden; kostengünstig implementierbar in Hardware. Als Folge war es möglich, den Umfang paralleler Zweigberechnungen auf ein Minimum von einer Berechnung zu reduzieren. Darüber hinaus konnte der Rechenaufwand der Pfadanalysen durch das entfallen der maßgeblichen Abstandsberechnung deutlich reduziert werden. Für die Einbeziehung beider Techniken wurde hierbei eine Reduktion des Rechenaufwands um mehrere Größenordnungen nachgewiesen, bei Aufrechterhaltung hoher Detektionsgenauigkeit.
In Hinblick auf die Detektorumsetzung ist eine Anwendung des SIMD-Paradigmas über eine Regularisierung des Algorithmus möglich, was eine Wiederverwendung von Daten und einen Speedup vergleichbar der Parallelisierung erlaubt. Abschließende Untersuchungen des ausgewählten Algorithmus wurden über die Analyse von Implementierungsaspekten, wie der Festkomma-oder Komplexitätsanalyse, durchgeführt, wobei ein Referenz-Prozessormodell entwickelt wurde. Dies ermöglichte den Nachweis der geringen resultierenden Komplexität bei verbleibender hoher Flexibilität und Genauigkeit des gewählten Detektionsalgorithmus.
