Advanced Channel Estimation Techniques for Multiple-Input Multiple-Output Multi-Carrier Systems in Doubly-Dispersive Channels

Flexible numerology of the physical layer has been introduced in the latest release of 5G new radio (NR) and the baseline waveform generation is chosen to be cyclic-prefix based orthogonal frequency division multiplexing (CP-OFDM). Thanks to the narrow subcarrier spacing and low complexity one tap equalization (EQ) of OFDM, it suits well to time-dispersive channels. For the upcoming 5G and beyond use-case scenarios, it is foreseen that the users might experience high mobility conditions. While the frame structure of the 5G NR is designed for long coherence times, the synchronization and channel estimation (CE) procedures are not fully and reliably covered for diverse applications. The research on alternative multi-carrier waveforms has brought up valuable results in terms of spectral efficiency, applications coexistence and flexibility. Nevertheless, the receiver design becomes more challenging for multiple-input multiple-output (MIMO) non-orthogonal multi-carriers because the receiver must deal with multiple dimensions of interference. This thesis aims to deliver accurate pilot-aided estimations of the wireless channel for coherent detection. Considering a MIMO non-orthogonal multi-carrier, e.g. generalized frequency division multiplexing (GFDM), we initially derive the classical and Bayesian estimators for rich multi-path fading channels, where we theoretically assess the choice of pilot design. Moreover, the well time- and frequency-localization of the pilots in non-orthogonal multi-carriers allows to reuse their energy from cyclic-prefix (CP). Taking advantage of this feature, we derive an iterative approach for joint CE and EQ of MIMO systems. Furthermore, exploiting the block-circularity of GFDM, we comprehensively analyze the complexity aspects, and propose a solution for low complexity implementation. Assuming very high mobility use-cases where the channel varies within the symbol duration, further considerations, particularly the channel coherence time must be taken into account. A promising candidate that is fully independent of the multi-carrier choice is unique word (UW) transmission, where the CP of random nature is replaced by a deterministic sequence. This feature, allows per-block synchronization and channel estimation for robust transmission over extremely doubly-dispersive channels. In this thesis, we propose a novel approach to extend the UW-based physical layer design to MIMO systems and we provide an in-depth study of their out-of-band emission, synchronization, CE and EQ procedures. Via theoretical derivations and simulation results, and comparisons with respect to the state-of-the-art CP-OFDM systems, we show that the proposed UW-based frame design facilitates robust transmission over extremely doubly-dispersive channels.:1 Introduction 1 1.1 Multi-Carrier Waveforms 1 1.2 MIMO Systems 3 1.3 Contributions and Thesis Structure 4 1.4 Notations 6 2 State-of-the-art and Fundamentals 9 2.1 Linear Systems and Problem Statement 9 2.2 GFDM Modulation 11 2.3 MIMO Wireless Channel 12 2.4 Classical and Bayesian Channel Estimation in MIMO OFDM Systems 15 2.5 UW-Based Transmission in SISO Systems 17 2.6 Summary 19 3 Channel Estimation for MIMO Non-Orthogonal Waveforms 21 3.1 Classical and Bayesian Channel Estimation in MIMO GFDM Systems 22 3.1.1 MIMO LS Channel Estimation 23 3.1.2 MIMO LMMSE Channel Estimation 24 3.1.3 Simulation Results 25 3.2 Basic Pilot Designs for GFDM Channel Estimation 29 3.2.1 LS/HM Channel Estimation 31 3.2.2 LMMSE Channel Estimation for GFDM 32 3.2.3 Error Characterization 33 3.2.4 Simulation Results 36 3.3 Interference-Free Pilot Insertion for MIMO GFDM Channel Estimation 39 3.3.1 Interference-Free Pilot Insertion 39 3.3.2 Pilot Observation 40 3.3.3 Complexity 41 3.3.4 Simulation Results 41 3.4 Bayesian Pilot- and CP-aided Channel Estimation in MIMO NonOrthogonal Multi-Carriers 45 3.4.1 Review on System Model 46 3.4.2 Single-Input-Single-Output Systems 47 3.4.3 Extension to MIMO 50 3.4.4 Application to GFDM 51 3.4.5 Joint Channel Estimation and Equalization via LMMSE Parallel Interference Cancellation 57 3.4.6 Complexity Analysis 61 3.4.7 Simulation Results 61 3.5 Pilot- and CP-aided Channel Estimation in Time-Varying Scenarios 67 3.5.1 Adaptive Filtering based on Wiener-Hopf Approac 68 3.5.2 Simulation Results 69 3.6 Summary 72 4 Design of UW-Based Transmission for MIMO Multi-Carriers 73 4.1 Frame Design, Efficiency and Overhead Analysis 74 4.1.1 Illustrative Scenario 74 4.1.2 CP vs. UW Efficiency Analysis 76 4.1.3 Numerical Results 77 4.2 Sequences for UW and OOB Radiation 78 4.2.1 Orthogonal Polyphase Sequences 79 4.2.2 Waveform Engineering for UW Sequences combined with GFDM 79 4.2.3 Simulation Results for OOB Emission of UW-GFDM 81 4.3 Synchronization 82 4.3.1 Transmission over a Centralized MIMO Wireless Channel 82 4.3.2 Coarse Time Acquisition 83 4.3.3 CFO Estimation and Removal 85 4.3.4 Fine Time Acquisition 86 4.3.5 Simulation Results 88 4.4 Channel Estimation 92 4.4.1 MIMO UW-based LMMSE CE 92 4.4.2 Adaptive Filtering 93 4.4.3 Circular UW Transmission 94 4.4.4 Simulation Results 95 4.5 Equalization with Imperfect Channel Knowledge 96 4.5.1 UW-Free Equalization 97 4.5.2 Simulation Results 99 4.6 Summary 102 5 Conclusions and Perspectives 103 5.1 Main Outcomes in Short 103 5.2 Open Challenges 105 A Complementary Materials 107 A.1 Linear Algebra Identities 107 A.2 Proof of lower triangular Toeplitz channel matrix being defective 108 A.3 Calculation of noise-plus-interference covariance matrix for Pilot- and CPaided CE 108 A.4 Bock diagonalization of the effective channel for GFDM 109 A.5 Detailed complexity analysis of Sec. 3.4 109 A.6 CRLB derivations for the pdf (4.24) 113 A.7 Proof that (4.45) emulates a circular CIR at the receiver 11

Architecture and algorithms for the implementation of digital wireless receivers in FPGA and ASIC: ISDB-T and DVB-S2 cases

[EN] The first generation of Terrestrial Digital Television(DTV) has been in service for over a decade. In 2013, several countries have already completed the transition from Analog to Digital TV Broadcasting, most of which in Europe. In South America, after several studies and trials, Brazil adopted the Japanese standard with some innovations. Japan and Brazil started Digital Terrestrial Television Broadcasting (DTTB) services in December 2003 and December 2007 respectively, using Integrated Services Digital Broadcasting - Terrestrial (ISDB-T), also known as ARIB STD-B31. In June 2005 the Committee for the Information Technology Area (CATI) of Brazilian Ministry of Science and Technology and Innovation MCTI approved the incorporation of the IC-Brazil Program, in the National Program for Microelectronics (PNM) . The main goals of IC-Brazil are the formal qualification of IC designers, support to the creation of semiconductors companies focused on projects of ICs within Brazil, and the attraction of semiconductors companies focused on the design and development of ICs in Brazil. The work presented in this thesis originated from the unique momentum created by the combination of the birth of Digital Television in Brazil and the creation of the IC-Brazil Program by the Brazilian government. Without this combination it would not have been possible to make these kind of projects in Brazil. These projects have been a long and costly journey, albeit scientifically and technologically worthy, towards a Brazilian DTV state-of-the-art low complexity Integrated Circuit, with good economy scale perspectives, due to the fact that at the beginning of this project ISDB-T standard was not adopted by several countries like DVB-T. During the development of the ISDB-T receiver proposed in this thesis, it was realized that due to the continental dimensions of Brazil, the DTTB would not be enough to cover the entire country with open DTV signal, specially for the case of remote localizations far from the high urban density regions. Then, Eldorado Research Institute and Idea! Electronic Systems, foresaw that, in a near future, there would be an open distribution system for high definition DTV over satellite, in Brazil. Based on that, it was decided by Eldorado Research Institute, that would be necessary to create a new ASIC for broadcast satellite reception. At that time DVB-S2 standard was the strongest candidate for that, and this assumption still stands nowadays. Therefore, it was decided to apply to a new round of resources funding from the MCTI - that was granted - in order to start the new project. This thesis discusses in details the Architecture and Algorithms proposed for the implementation of a low complexity Intermediate Frequency(IF) ISDB-T Receiver on Application Specific Integrated Circuit (ASIC) CMOS. The Architecture proposed here is highly based on the COordinate Rotation Digital Computer (CORDIC) Algorithm, that is a simple and efficient algorithm suitable for VLSI implementations. The receiver copes with the impairments inherent to wireless channels transmission and the receiver crystals. The thesis also discusses the Methodology adopted and presents the implementation results. The receiver performance is presented and compared to those obtained by means of simulations. Furthermore, the thesis also presents the Architecture and Algorithms for a DVB-S2 receiver targeting its ASIC implementation. However, unlike the ISDB-T receiver, only preliminary ASIC implementation results are introduced. This was mainly done in order to have an early estimation of die area to prove that the project in ASIC is economically viable, as well as to verify possible bugs in early stage. As in the case of ISDB-T receiver, this receiver is highly based on CORDIC algorithm and it was prototyped in FPGA. The Methodology used for the second receiver is derived from that used for the ISDB-T receiver, with minor additions given the project characteristics.[ES] La primera generación de Televisión Digital Terrestre(DTV) ha estado en servicio por más de una década. En 2013, varios países completaron la transición de transmisión analógica a televisión digital, la mayoría de ellas en Europa. En América del Sur, después de varios estudios y ensayos, Brasil adoptó el estándar japonés con algunas innovaciones. Japón y Brasil comenzaron a prestar el servicio de Difusión de Televisión Digital Terrestre (DTTB) en diciembre de 2003 y diciembre de 2007 respectivamente, utilizando Radiodifusión Digital de Servicios Integrados Terrestres (ISDB-T), también conocida como ARIB STD-B31. En junio de 2005, el Comité del Área de Tecnología de la Información (CATI) del Ministerio de Ciencia, Tecnología e Innovación de Brasil - MCTI aprobó la incorporación del Programa CI-Brasil, en el Programa Nacional de Microelectrónica (PNM). Los principales objetivos de la CI-Brasil son la formación de diseñadores de CIs, apoyar la creación de empresas de semiconductores enfocadas en proyectos de circuitos integrados dentro de Brasil, y la atracción de empresas de semiconductores interesadas en el diseño y desarrollo de circuitos integrados. El trabajo presentado en esta tesis se originó en el impulso único creado por la combinación del nacimiento de la televisión digital en Brasil y la creación del Programa de CI-Brasil por el gobierno brasileño. Sin esta combinación no hubiera sido posible realizar este tipo de proyectos en Brasil. Estos proyectos han sido un trayecto largo y costoso, aunque meritorio desde el punto de vista científico y tecnológico, hacia un Circuito Integrado brasileño de punta y de baja complejidad para DTV, con buenas perspectivas de economía de escala debido al hecho que al inicio de este proyecto, el estándar ISDB-T no fue adoptado por varios países como DVB-T. Durante el desarrollo del receptor ISDB-T propuesto en esta tesis, se observó que debido a las dimensiones continentales de Brasil, la DTTB no sería suficiente para cubrir todo el país con la señal de televisión digital abierta, especialmente para el caso de localizaciones remotas, apartadas de las regiones de alta densidad urbana. En ese momento, el Instituto de Investigación Eldorado e Idea! Sistemas Electrónicos, previeron que en un futuro cercano habría un sistema de distribución abierto para DTV de alta definición por satélite en Brasil. Con base en eso, el Instituto de Investigación Eldorado decidió que sería necesario crear un nuevo ASIC para la recepción de radiodifusión por satélite, basada el estándar DVB-S2. En esta tesis se analiza en detalle la Arquitectura y algoritmos propuestos para la implementación de un receptor ISDB-T de baja complejidad y frecuencia intermedia (IF) en un Circuito Integrado de Aplicación Específica (ASIC) CMOS. La arquitectura aquí propuesta se basa fuertemente en el algoritmo Computadora Digital para Rotación de Coordenadas (CORDIC), el cual es un algoritmo simple, eficiente y adecuado para implementaciones VLSI. El receptor hace frente a las deficiencias inherentes a las transmisiones por canales inalámbricos y los cristales del receptor. La tesis también analiza la metodología adoptada y presenta los resultados de la implementación. Por otro lado, la tesis también presenta la arquitectura y los algoritmos para un receptor DVB-S2 dirigido a la implementación en ASIC. Sin embargo, a diferencia del receptor ISDB-T, se introducen sólo los resultados preliminares de implementación en ASIC. Esto se hizo principalmente con el fin de tener una estimación temprana del área del die para demostrar que el proyecto en ASIC es económicamente viable, así como para verificar posibles errores en etapa temprana. Como en el caso de receptor ISDB-T, este receptor se basa fuertemente en el algoritmo CORDIC y fue un prototipado en FPGA. La metodología utilizada para el segundo receptor se deriva de la utilizada para el re[CA] La primera generació de Televisió Digital Terrestre (TDT) ha estat en servici durant més d'una dècada. En 2013, diversos països ja van completar la transició de la radiodifusió de televisió analògica a la digital, i la majoria van ser a Europa. A Amèrica del Sud, després de diversos estudis i assajos, Brasil va adoptar l'estàndard japonés amb algunes innovacions. Japó i Brasil van començar els servicis de Radiodifusió de Televisió Terrestre Digital (DTTB) al desembre de 2003 i al desembre de 2007, respectivament, utilitzant la Radiodifusió Digital amb Servicis Integrats de (ISDB-T), coneguda com a ARIB STD-B31. Al juny de 2005, el Comité de l'Àrea de Tecnologia de la Informació (CATI) del Ministeri de Ciència i Tecnologia i Innovació del Brasil (MCTI) va aprovar la incorporació del programa CI Brasil al Programa Nacional de Microelectrònica (PNM). Els principals objectius de CI Brasil són la qualificació formal dels dissenyadors de circuits integrats, el suport a la creació d'empreses de semiconductors centrades en projectes de circuits integrats dins del Brasil i l'atracció d'empreses de semiconductors centrades en el disseny i desenvolupament de circuits integrats. El treball presentat en esta tesi es va originar en l'impuls únic creat per la combinació del naixement de la televisió digital al Brasil i la creació del programa Brasil CI pel govern brasiler. Sense esta combinació no hauria estat possible realitzar este tipus de projectes a Brasil. Estos projectes han suposat un viatge llarg i costós, tot i que digne científicament i tecnològica, cap a un circuit integrat punter de baixa complexitat per a la TDT brasilera, amb bones perspectives d'economia d'escala perquè a l'inici d'este projecte l'estàndard ISDB-T no va ser adoptat per diversos països, com el DVB-T. Durant el desenvolupament del receptor de ISDB-T proposat en esta tesi, va resultar que, a causa de les dimensions continentals de Brasil, la DTTB no seria suficient per cobrir tot el país amb el senyal de TDT oberta, especialment pel que fa a les localitzacions remotes allunyades de les regions d'alta densitat urbana.. En este moment, l'Institut de Recerca Eldorado i Idea! Sistemes Electrònics van preveure que, en un futur pròxim, no hi hauria a Brasil un sistema de distribució oberta de TDT d'alta definició a través de satèl¿lit. D'acord amb això, l'Institut de Recerca Eldorado va decidir que seria necessari crear un nou ASIC per a la recepció de radiodifusió per satèl¿lit. basat en l'estàndard DVB-S2. En esta tesi s'analitza en detall l'arquitectura i els algorismes proposats per l'execució d'un receptor ISDB-T de Freqüència Intermèdia (FI) de baixa complexitat sobre CMOS de Circuit Integrat d'Aplicacions Específiques (ASIC). L'arquitectura ací proposada es basa molt en l'algorisme de l'Ordinador Digital de Rotació de Coordenades (CORDIC), que és un algorisme simple i eficient adequat per implementacions VLSI. El receptor fa front a les deficiències inherents a la transmissió de canals sense fil i els cristalls del receptor. Esta tesi també analitza la metodologia adoptada i presenta els resultats de l'execució. Es presenta el rendiment del receptor i es compara amb els obtinguts per mitjà de simulacions. D'altra banda, esta tesi també presenta l'arquitectura i els algorismes d'un receptor de DVB-S2 de cara a la seua implementació en ASIC. No obstant això, a diferència del receptor ISDB-T, només s'introdueixen resultats preliminars d'implementació en ASIC. Això es va fer principalment amb la finalitat de tenir una estimació primerenca de la zona de dau per demostrar que el projecte en ASIC és econòmicament viable, així com per verificar possibles errors en l'etapa primerenca. Com en el cas del receptor ISDB-T, este receptor es basa molt en l'algorisme CORDIC i va ser un prototip de FPGA. La metodologia utilitzada per al segon receptor es deriva de la utilitzada per al receptor IRodrigues De Lima, E. (2016). Architecture and algorithms for the implementation of digital wireless receivers in FPGA and ASIC: ISDB-T and DVB-S2 cases [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/61967TESI