Doktoraty Wydziału IET

mgr inż. Grzegorz Cisek

Promotor: prof. dr hab. inż. Tomasz P. Zieliński (AGH)
Dyscyplina: Telekomunikacja

Abstract:
Simulation of wireless fading channel effects in frequency-domain is highly beneficial in term of computational complexity comparing to canonical time-domain model, but at the cost of low accuracy caused by utilization of circular convolution and assumption of channel invariance during an OFDM symbol period. In this work, novel frequency-domain models are proposed to increase accuracy of the trivial block-fading model, when still maintaining its low complexity. The first method preforms emulation of distortion caused by Intercarrier Interference (ICI) due to user mobility. This is achieved by interpolation of the channel response matrix performed directly in frequency-domain. The second method emulates Intersymbol Interference (ISI) in high delay spread scenarios with insufficient cyclic prefix, by using a newly developed fast DFT of a triangular Toeplitz matrix. Accuracy of the proposed models is evaluated in reference to the canonical time domain model by comparing the error between original and emulated frequency response, as well as the high-level system performance metrics as BER and BLER. It is shown that utilization of the improved frequency-domain models instead of the block-fading model substantially decreases the BER and BLER prediction error in specific scenarios. Complexity of the frequency-domain models is much lower in case of multi-user scenarios comparing to the time-domain model. Moreover, utilization of the models in a process of Hardware-in-the-Loop validation of Control Unit (CU) of the Cloud-Radio Access Network (C-RAN) architecture is addressed.

Streszczenie:
Symulacja efektów zanikania w bezprzewodowym kanale radiowym w dziedzinie częstotliwości jest bardzo korzystna pod względem złożoności obliczeniowej w porównaniu z kanonicznym modelem w dziedzinie czasu, jednak odbywa się to kosztem niskiej dokładności spowodowanej wykorzystaniem splotu kołowego oraz podjętym założeniem niezmienności kanału podczas okresu pojedynczego symbolu OFDM. W rozprawie zaproponowano nowe, usprawnione modele kanału operujące w dziedzinie częstotliwości, umożliwiające zwiększenie dokładności modelu zanikania blokowego, przy jednoczesnym zachowaniu jego niskiej złożoności. Pierwsza metoda polega na emulacji zniekształceń wywołanych przez interferencje pomiędzy nośnymi (ICI), spowodowane mobilnością użytkownika. Symulacja tego zjawiska uzyskana jest poprzez interpolację macierzy odpowiedzi kanału wykonaną bezpośrednio w dziedzinie częstotliwości. Druga metoda emuluje interferencje pomiędzy symbolami (ISI), występujące w scenariuszach z bardzo długą odpowiedzią impulsową kanału. Jest to możliwe przy użyciu nowo opracowanej szybkiej transformaty Fouriera trójkątnej macierzy Toeplitza. Dokładność proponowanych modeli jest oceniana w odniesieniu do kanonicznego modelu w dziedzinie czasu poprzez porównanie błędu między pierwotną i emulowaną charakterystyką częstotliwościową, a także wysokopoziomowymi metrykami wydajności systemu, takimi jak BER i BLER. Wykazano, że wykorzystanie ulepszonych modeli w dziedzinie częstotliwości zamiast modelu blokowego znacznie zmniejsza błąd przewidywania BER i BLER w określonych scenariuszach. Złożoność modeli w dziedzinie częstotliwości jest znacznie mniejsza w przypadku scenariuszy z udziałem wielu użytkowników w porównaniu z modelem implementującym splot w dziedzinie czasu. Ponadto, uwzględniono wykorzystanie modeli w procesie walidacji jednostki sterującej (CU) architektury stacji bazowej C-RAN, opartej na wykorzystaniu chmur obliczeniowych.

Recenzja - prof. dr hab. inż. Jacek Izydorczyk
Recenzja - prof. dr hab. inż. Krzysztof Wesołowski
Pełny tekst rozprawy

1. Cisek G., Zieliński T.: Validation of cloud‐radio access network control unit with intra-PHY architecture: Hardware-in-the-loop framework based on frequency-domain channel models. Transactions on Emerging Telecommunications Technologies, Październik 2020. https://doi.org/10.1002/ett.4134 (Impact Factor = 1.594)
2. Cisek G., Zieliński T.: Frequency Domain Multipath Fading Channel Simulator Integrated with OFDM Transmitter for E-UTRAN Baseband Traffic Generator. Eur. Signal Process Conf. (EUSIPCO), Kos, Grecja, Sierpień 2017.
3. Cisek G., Zieliński T.: Performance Analysis of Frequency Domain Simulator of Multi-UE E-UTRAN Fading Channel with Intercarrier Interference. IEEE 21st Int. Conf. Signal Process.: Algorithms, Architectures, Arrangements, and Applicat. (IEEE SPA), Poznań, Wrzesień 2017.
4. Cisek G., Zieliński T.: Frequency-Domain Multi-User OFDMA Fast Fading Channel Simulation in High-Mobility Scenarios. 15th Int. Symp. Wireless Commun. Syst. (ISWCS), Lizbona, Portugalia, Sierpień 2018.
5. Cisek G., Zieliński T.: Frequency-Domain Modeling of OFDM Transmission with Insufficient Cyclic Prefix using Toeplitz Matrices. IEEE 88th Veh. Technol. Conf. (VTC2018-Fall), Chicago, USA, Sierpień 2018.
6. Cisek G., Zieliński T.: Prototyping Software Transceiver for the 5G New Radio Physical Uplink Shared Channel. Signal Processing Symposium (SPSympo), Kraków, Wrzesień 2019.