Space-Time Codes for MIMO systems : Quasi-Orthogonal design and concatenation

Abstract

Der Nachfrage an Mobilfunksystemen mit hoher Datenrate und Übertragungsqualität für eine Vielfalt von Anwendungen ist in den letzten Jahren dramatisch gestiegen. Zur Deckung des hohen Bedarfs werden jedoch neue Konzepte und Technologien benötigt, die den Beeinträchtigungen des Mobilfunkkanals entgegenwirken oder sich diese zu Nutze machen und die knappen Ressourcen wie Bandbreite und Leistung optimal ausnutzen. Eine effiziente Maßnahme zur Erhöhung der Performanz stellen Mehrantennensysteme dar. Um das große Potenzial von solchen Mehrantennensystemen auszunutzen, wurden neue Sendestrategien, so genannte Raum-Zeit Codes entworfen und analysiert, die neben der zeitlichen und spektralen auch die räumliche Komponente ausnutzen sollen. In dieser Arbeit wird die Leistungsfähigkeit solcher Raum-Zeit Codes zunächst isoliert und später, im zweiten Teil der Arbeit, in Kombination mit herkömmlichen Kanalcodierungsverfahren untersucht. Im ersten Abschnitt, d.h. im Fall ohne herkömmliche Kanalcodierung liegt der Fokus auf diversitäts-orientierten Raum-Zeit Codes. Zunächst werden basierend auf den Raum-Zeit Codes mit orthogonaler Struktur (OSTBC) Raum-Zeit Codes mit quasi-orthogonaler Struktur für eine beliebige Anzahl von Sende-und Empfangsantennen entworfen. Aus der Konstruktion resultieren dann zwei Gruppen von Codes. Die wesentliche Charakteristik der ersten Gruppe ist es, dass sie Verbindungen mit hoher Qualität gewährleistet. Dies wird erreicht, indem räumliche und zeitliche Redundanz eingebracht wird und daraus die volle Diversität (entspricht dem maximalen Abfall der Bitfehlerratenkurve) resultiert. Volle Diversität wird auch von den OSTBC erreicht, die aufgrund ihrer Struktur den matrix-wertigen Kanal für Mehrantennensysteme, so genannte Multiple-Input-Multiple-Output (MIMO)-Kanäle in parallele skalare Ersatzkanäle, so genannte Single-Input-Single-Output (SISO)-Kanäle, transformieren. Die Anzahl der parallelen Ersatzkanäle entspricht dabei der Anzahl der Sendeantennen. Diese Erkenntnis und die Einsicht in die Eigenschaften dieser Ersatzkanäle waren ein wichtiger Meilenstein und ermöglichten es, die Leistungsfähigkeit der OSTBC zu analysieren. Die Bestimmung der Ersatzkanalstuktur ist daher auch hier von zentraler Bedeutung. Im Falle von Raum-Zeit Codes mit quasi-orthogonaler Struktur wird in dieser Arbeit gezeigt, dass der MIMO-Kanal in einen block-diagonalen MIMO-Kanal zerlegt wird, dessen Eigenvektoren konstant und Blöcke identisch sind. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass die Eigenwerte von jedem Block voneinander unabhängig sind und einer nichtzentralen Chi-Quadrat-Verteilung mit einer Anzahl von Freiheitsgraden, die dem Vierfachen der Anzahl der Empfangsantennen entspricht, folgen. Durch Lockerung der Anforderung von voller Diversität an die zu entwerfenden Codes gelangt man zu der zweiten Gruppe der Raum-Zeit Codes mit quasi-orthogonaler Stuktur, welche eine Verallgemeinerung der OSTBC darstellen. Insbesondere wird in dieser Arbeit gezeigt, dass nicht nur das Alamouti-Schema, ein OSTBC für zwei Sendeantennen, sondern auch eine verallgemeinerte Version dieses Alamouti-Schemas, die Kapazität im Falle einer Empfangsantenne erreicht. Die in dieser Arbeit entworfenen Raum-Zeit Codes werden schließlich hinsichtlich ihrer Fehlerraten-Performanz und ihrer spektralen Effizienz mit optimalen als auch mit suboptimalen Empfängerstrukturen analysiert. Im zweiten Teil dieser Arbeit werden verschiedene Raum-Zeit Codes mit herkömmlichen Kanalcodierungsverfahren kombiniert. Dabei werden neue Empfängerstrukturen vorgestellt und die Leistungsfähigkeit der Raum-Zeit Codes mit iterativen Algorithmen zur so genannten Soft-Input-Soft-Output-Decodierung mit Hilfe von neuen Analysetechniken, den so genannten EXIT-Charts, untersucht und optimiert. Im Falle von OSTBC werden zusätzlich Kriterien für die optimale Abbildung von Bitsequenzen auf Sendesymbole hergeleitet.The demand for mobile communication systems with high data rates and improved link quality for a variety of applications has dramatically increased in recent years. New concepts and methods are necessary in order to cover this huge demand, which counteract or take advantage of the impairments of the mobile communication channel and optimally exploit the limited resources such as bandwidth and power. Multiple antenna systems are an efficient means for increasing the performance. In order to utilize the huge potential of multiple antenna concepts, it is necessary to resort to new transmit strategies, referred to as Space-Time Codes, which, in addition to the time and spectral domain, also use the spatial domain. The performance of such Space-Time Codes is analyzed in this thesis with and without conventional channel coding strategies. In case without conventional channel codes, the focus is on diversity-oriented Space-Time Codes. Based on Space-Time Block Codes from orthogonal designs (OSTBC), the Space-Time Block Codes from quasi-orthogonal designs are developed for any number of transmit and receive antennas. The outcome of this construction are two groups of codes. The main property of the first group is the support of links with high quality. This is achieved by incorporating spatial and temporal redundancy, which results in full diversity or in other words, in the maximum decay of the bit error rate curves. Full diversity is also achieved by OSTBC, which due to their structure transform the matrix-valued channel for multi-antenna systems, so called multiple-input-multiple-output (MIMO)-channels, into several parallel, scalar single-input-single-output (SISO)-channels. This insight and the understanding of the properties of the equivalent SISO-channels were the key results in order to analyze the performance of the OSTBC. The determination of the structure of the equivalent channel is also a matter of vital importance in this work. To this end, we show that the MIMO-channel in the case of Space-Time Codes from quasi-orthogonal designs is transformed into an equivalent block-diagonal MIMO-channel with identical blocks having constant eigenvectors, independent of the channel realization. Furthermore, we show that the eigenvalues of each block are pairwise independent and follow a non-central chi-square distribution, where the number of degrees of freedom equals four times the number of receive antennas. By relaxing the requirement of full diversity one arrives at the second group of Space-Time Codes from quasi-orthogonal designs. These codes represent a generalization of Space-Time Codes from orthogonal designs. Particularly, we show in this work, that not only the Alamouti-scheme, a OSTBC for two transmit antennas, but also its generalized version achieves capacity in the case of one receive antenna. The drafted codes are then analyzed with respect to the error rate performance and the spectral efficiency with optimal as well as suboptimal receiver structures. In the second part of this work the combination of Space-Time Codes with conventional channel coding techniques is considered. New receiver structures are presented and the performance of Space-Time Codes with iterative algorithms for soft-input-soft-output-decoding is analyzed and optimized with the help of new analytical tools, the so called EXIT-charts. Furthermore, some criteria for the optimal mapping strategy are derived in the case of OSTBC