Effi cient algorithms for iterative detection and decoding in Multiple-Input and Multiple-Output Communication Systems

This thesis fits into the Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) communication systems. Nowadays, these schemes are the most promising technology in the field of wireless communications. The use of this technology allows to increase the rate and the quality of the transmission through the use of multiple antennas at the transmitter and receiver sides. Furthermore, the MIMO technology can also be used in a multiuser scenario, where a Base Station (BS) equipped with several antennas serves several users that share the spatial dimension causing interference. However, employing precoding algorithms the signal of the multiuser interference can be mitigated. For these reasons, the MIMO technology has become an essential key in many new generation communications standards. On the other hand, Massive MIMO technology or Large MIMO, where the BS is equipped with very large number of antennas (hundreds or thousands) serves many users in the same time-frequency resource. Nevertheless, the advantages provided by the MIMO technology entail a substantial increase in the computational cost. Therefore the design of low-complexity receivers is an important issue which is tackled throughout this thesis. To this end, one of the main contributions of this dissertation is the implementation of efficient soft-output detectors and precoding schemes. First, the problem of efficient soft detection with no iteration at the receiver has been addressed. A detailed overview of the most employed soft detectors is provided. Furthermore, the complexity and performance of these methods are evaluated and compared. Additionally, two low-complexity algorithms have been proposed. The first algorithm is based on the efficient Box Optimization Hard Detector (BOHD) algorithm and provides a low-complexity implementation achieving a suitable performance. The second algorithm tries to reduce the computational cost of the Subspace Marginalization with Interference Suppression (SUMIS) algorithm. Second, soft-input soft-output (SISO) detectors, which are included in an iterative receiver structure, have been investigated. An iterative receiver improves the performance with respect to no iteration, achieving a performance close to the channel capacity. In contrast, its computational cost becomes prohibitive. In this context, three algorithms are presented. Two of them achieve max-log performance reducing the complexity of standard SISO detectors. The last one achieves near max-log performance with low complexity. The precoding problem has been addressed in the third part of this thesis. An analysis of some of the most employed precoding techniques has been carried out. The algorithms have been compared in terms of performance and complexity. In this context, the impact of the channel matrix condition number on the performance of the precoders has been analyzed. This impact has been exploited to propose an hybrid precoding scheme that reduces the complexity of the previously proposed precoders. In addition, in Large MIMO systems, an alternative precoder scheme is proposed. In the last part of the thesis, parallel implementations of the SUMIS algorithm are presented. Several strategies for the parallelization of the algorithm are proposed and evaluated on two different platforms: multicore central processing unit (CPU) and graphics processing unit (GPU). The parallel implementations achieve a significant speedup compared to the CPU version. Therefore, these implementations allow to simulate a scalable quasi optimal soft detector in a Large MIMO system much faster than by conventional simuLa presente tesis se enmarca dentro de los sistemas de comunicaciones de múltiples antenas o sistemas MIMO. Hoy en día, estos sistemas presentan una de las tecnologías más prometedoras dentro de los sistemas comunicaciones inalámbricas. A través del uso de múltiples antenas en ambos lados, transmisor y receptor, la tasa de transmisión y la calidad de la misma es aumentada. Por otro lado, la tecnología MIMO puede ser utilizada en un escenario multiusuario, donde una estación base (BS) la cual está equipada con varias antenas, sirve a varios usuarios al mismo tiempo, estos usuarios comparten dimensión espacial causando interferencias multiusuario. Por todas estas razones, la tecnología MIMO ha sido adoptada en muchos de los estándares de comunicaciones de nueva generación. Por otro lado, la tecnología MIMO Masivo, en la cual la estación base está equipada con un gran número de antenas (cientos o miles) que sirve a muchos usuarios en el mismo recurso de tiempo-frecuencia. Sin embargo, las ventajas proporcionadas por los sistemas MIMO implican un aumento en el coste computacional requerido. Por ello, el diseño de receptores de baja complejidad es una cuestión importante en estos sistemas. Para conseguir esta finalidad, las principales contribuciones de la tesis se basan en la implementación de algoritmos de detección soft y esquemas de precodificación eficientes. En primer lugar, el problema de la detección soft eficiente en un sistema receptor sin iteración es abordado. Una descripción detallada sobre los detectores soft más empleados es presentada. Por otro lado, han sido propuestos dos algoritmos de bajo coste. El primer algoritmo está basado en el algoritmo Box Optimization Hard Detector (BOHD) y proporciona una baja complejidad de implementación logrando un buen rendimiento. El segundo de los algoritmos propuestos intenta reducir el coste computacional del conocido algoritmo Subspace Marginalization with Interference Suppression (SUMIS). En segundo lugar, han sido investidados detectores de entrada y salida soft (SISO, soft-input soft-output) los cuales son ejecutados en estructuras de recepción iterativa. El empleo de un receptor iterativo mejora el rendimiento del sistema con respecto a no realizar realimentación, pudiendo lograr la capacidad óptima. Por el contrario, el coste computacional se vuelve prohibitivo. En este contexto, tres algoritmos han sido presentados. Dos de ellos logran un rendimiento óptimo, reduciendo la complejidad de los detectores SISO óptimos que normalmente son empleados. Por el contrario, el otro algoritmo logra un rendimiento casi óptimo a baja complejidad. En la tercera parte, se ha abordado el problema de la precodificación. Se ha llevado a cabo un análisis de algunas de las técnicas de precodificación más usadas. En este contexto, se ha evaluado el impacto que el número de condición de la matriz de canal tiene en el rendimiento de los precodificadores. Además, se ha aprovechado este impacto para proponer un precodificador hibrido. Por otro lado, en MIMO Masivo, se ha propuesto un esquema precodificador. En la última parte de la tesis, la implementación paralela del algoritmo SUMIS es presentada. Varias estrategias sobre la paralelización del algoritmo han sido propuestas y evaluadas en dos plataformas diferentes: Unidad Central de Procesamiento multicore (multicore CPU) y Unidad de Procesamiento Gráfico (GPU). Las implementaciones paralelas consiguen una mejora de speedup. Estas implementaciones permiten simular para MIMO Masivo y de forma más rápida que por simulación convencional, un algoLa present tesi s'emmarca dins dels sistemes de comunicacions de múltiples antenes o sistemes MIMO. Avui dia, aquestos sistemes presenten una de les tecnologies més prometedora dins dels sistemes de comunicacions inalàmbriques. A través de l'ús de múltiples antenes en tots dos costats, transmissor y receptor, es pot augmentar la taxa de transmissió i la qualitat de la mateixa. D'altra banda, la tecnologia MIMO es pot utilitzar en un escenari multiusuari, on una estació base (BS) la qual està equipada amb diverses antenes serveix a diversos usuaris al mateix temps, aquests usuaris comparteixen dimensió espacial causant interferències multiusuari. Per totes aquestes raons, la tecnologia MIMO ha sigut adoptada en molts dels estàndars de comunicacions de nova generació. D'altra banda, la tecnologia MIMO Massiu, en la qual l'estació base està equipada amb un gran nombre d'antenes (centenars o milers) que serveix a molts usuaris en el mateix recurs de temps-freqüència. No obstant això, els avantatges proporcionats pels sistemes MIMO impliquen un augment en el cost computacional requerit. Per això, el disseny de receptors de baixa complexitat és una qüestió important en aquests sistemes. Per tal d'aconseguir esta finalitat, les principals contribucions de la tesi es basen en la implementació d'algoritmes de detecció soft i esquemes de precodificació eficients. En primer lloc, és abordat el problema de la detecció soft eficient en un sistema receptor sense interacció. Una descripció detallada dels detectors soft més emprats és presentada. D'altra banda, han sigut proposats dos algorismes de baix cost. El primer algorisme està basat en l'algorisme Box Optimization Hard Decoder (BOHD) i proporciona una baixa complexitat d'implementació aconseguint un bon resultat. El segon dels algorismes proposats intenta reduir el cost computacional del conegut algoritme Subspace Marginalization with Interference Suppression (SUMIS). En segon lloc, detectors d'entrada i eixidia soft (SISO, soft-input soft-output) els cuals són executats en estructures de recepció iterativa han sigut investigats. L'ocupació d'un receptor iteratiu millora el rendiment del sistema pel que fa a no realitzar realimentació, podent aconseguir la capacitat òptima. Per contra, el cost computacional es torna prohibitiu. En aquest context, tres algorismes han sigut presentats. Dos d'ells aconsegueixen un rendiment òptim, reduint la complexitat dels detectors SISO òptims que normalment són emprats. Per contra, l'altre algorisme aconsegueix un rendiment quasi òptim a baixa complexitat. En la tercera part, s'ha abordat el problema de la precodificació. S'ha dut a terme una anàlisi d'algunes de les tècniques de precodificació més usades, prestant especial atenció al seu rendiment i a la seua complexitat. Dins d'aquest context, l'impacte que el nombre de condició de la matriu de canal té en el rendiment dels precodificadors ha sigut avaluat. A més, aquest impacte ha sigut aprofitat per a proposar un precodificador híbrid , amb la finalitat de reduir la complexitat d'algorismes prèviament proposats. D'altra banda, en MIMO Massiu, un esquema precodificador ha sigut proposat. En l'última part, la implementació paral·lela de l'algorisme SUMIS és presentada. Diverses estratègies sobre la paral·lelizació de l'algorisme han sigut proposades i avaluades en dues plataformes diferents: multicore CPU i GPU. Les implementacions paral·leles aconsegueixen una millora de speedup quan el nombre d'àntenes o l'ordre de la constel·lació incrementen. D'aquesta manera, aquestes implementacions permeten simular per a MIMO Massiu, i de forma més ràpida que la simulació convencional.Simarro Haro, MDLA. (2017). Effi cient algorithms for iterative detection and decoding in Multiple-Input and Multiple-Output Communication Systems [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/86186TESI

Design and Implementation of Efficient Algorithms for Wireless MIMO Communication Systems

En la última década, uno de los avances tecnológicos más importantes que han hecho culminar la nueva generación de banda ancha inalámbrica es la comunicación mediante sistemas de múltiples entradas y múltiples salidas (MIMO). Las tecnologías MIMO han sido adoptadas por muchos estándares inalámbricos tales como LTE, WiMAS y WLAN. Esto se debe principalmente a su capacidad de aumentar la máxima velocidad de transmisión , junto con la fiabilidad alcanzada y la cobertura de las comunicaciones inalámbricas actuales sin la necesidad de ancho de banda extra ni de potencia de transmisión adicional. Sin embargo, las ventajas proporcionadas por los sistemas MIMO se producen a expensas de un aumento sustancial del coste de implementación de múltiples antenas y de la complejidad del receptor, la cual tiene un gran impacto sobre el consumo de energía. Por esta razón, el diseño de receptores de baja complejidad es un tema importante que se abordará a lo largo de esta tesis. En primer lugar, se investiga el uso de técnicas de preprocesado de la matriz de canal MIMO bien para disminuir el coste computacional de decodificadores óptimos o bien para mejorar las prestaciones de detectores subóptimos lineales, SIC o de búsqueda en árbol. Se presenta una descripción detallada de dos técnicas de preprocesado ampliamente utilizadas: el método de Lenstra, Lenstra, Lovasz (LLL) para lattice reduction (LR) y el algorimo VBLAST ZF-DFE. Tanto la complejidad como las prestaciones de ambos métodos se han evaluado y comparado entre sí. Además, se propone una implementación de bajo coste del algoritmo VBLAST ZF-DFE, la cual se incluye en la evaluación. En segundo lugar, se ha desarrollado un detector MIMO basado en búsqueda en árbol de baja complejidad, denominado detector K-Best de amplitud variable (VB K-Best). La idea principal de este método es aprovechar el impacto del número de condición de la matriz de canal sobre la detección de datos con el fin de disminuir la complejidad de los sistemasRoger Varea, S. (2012). Design and Implementation of Efficient Algorithms for Wireless MIMO Communication Systems [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/16562Palanci

MIMOPack: A High Performance Computing Library for MIMO Communication Systems

[EN] Nowadays, several communication standards are emerging and evolving, searching higher transmission rates, reliability and coverage. This expansion is primarily driven by the continued increase in consumption of mobile multimedia services due to the emergence of new handheld devices such as smartphones and tablets. One of the most significant techniques employed to meet these demands is the use of multiple transmit and receive antennas, known as MIMO systems. The use of this technology allows to increase the transmission rate and the quality of the transmission through the use of multiple antennas at the transmitter and receiver sides. MIMO technologies have become an essential key in several wireless standards such as WLAN, WiMAX and LTE. These technologies will be incorporated also in future standards, therefore is expected in the coming years a great deal of research in this field. Clearly, the study of MIMO systems is critical in the current investigation, however the problems that arise from this technology are very complex. High Performance Computing (HPC) systems, and specifically, modern hardware architectures as multi-core and many-cores (e.g Graphics Processing Units (GPU)) are playing a key role in the development of efficient and low-complexity algorithms for MIMO transmissions. Proof of this is that the number of scientific contributions and research projects related to its use has increased in the last years. Also, some high performance libraries have been implemented as tools for researchers involved in the development of future communication standards. Two of the most popular libraries are: IT++ that is a library based on the use of some optimized libraries for multi-core processors and the Communications System Toolbox designed for use with MATLAB, which uses GPU computing. However, there is not a library able to run on a heterogeneous platform using all the available resources. In view of the high computational requirements in MIMO application research and the shortage of tools able to satisfy them, we have made a special effort to develop a library to ease the development of adaptable parallel applications in accordance with the different architectures of the executing platform. The library, called MIMOPack, aims to implement efficiently using parallel computing, a set of functions to perform some of the critical stages of MIMO communication systems simulation. The main contribution of the thesis is the implementation of efficient Hard and Soft output detectors, since the detection stage is considered the most complex part of the communication process. These detectors are highly configurable and many of them include preprocessing techniques that reduce the computational cost and increase the performance. The proposed library shows three important features: portability, efficiency and easy of use. Current realease allows GPUs and multi-core computation, or even simultaneously, since it is designed to use on heterogeneous machines. The interface of the functions are common to all environments in order to simplify the use of the library. Moreover, some of the functions are callable from MATLAB increasing the portability of developed codes between different computing environments. According to the library design and the performance assessment, we consider that MIMOPack may facilitate industrial and academic researchers the implementation of scientific codes without having to know different programming languages and machine architectures. This will allow to include more complex algorithms in their simulations and obtain their results faster. This is particularly important in the industry, since the manufacturers work to analyze and to propose their own technologies with the aim that it will be approved as a standard. Thus allowing to enforce their intellectual property rights over their competitors, who should obtain the corresponding licenses to include these technologies into their products.[ES] En la actualidad varios estándares de comunicación están surgiendo buscando velocidades de transmisión más altas y mayor fiabilidad. Esta expansión está impulsada por el aumento en el consumo de servicios multimedia debido a la aparición de nuevos dispositivos como los smartphones y las tabletas. Una de las técnicas empleadas más importantes es el uso de múltiples antenas de transmisión y recepción, conocida como sistemas MIMO, que permite aumentar la velocidad y la calidad de la transmisión. Las tecnologías MIMO se han convertido en una parte esencial en diferentes estándares tales como WLAN, WiMAX y LTE. Estas tecnologías se incorporarán también en futuros estándares, por lo tanto, se espera en los próximos años una gran cantidad de investigación en este campo. Está claro que el estudio de los sistemas MIMO es crítico en la investigación actual, sin embargo los problemas que surgen de esta tecnología son muy complejos. La sistemas de computación de alto rendimiento, y en concreto, las arquitecturas hardware actuales como multi-core y many-core (p. ej. GPUs) están jugando un papel clave en el desarrollo de algoritmos eficientes y de baja complejidad en las transmisiones MIMO. Prueba de ello es que el número de contribuciones científicas y proyectos de investigación relacionados con su uso se han incrementado en el últimos años. Algunas librerías de alto rendimiento se están utilizando como herramientas por investigadores en el desarrollo de futuros estándares. Dos de las librerías más destacadas son: IT++ que se basa en el uso de distintas librerías optimizadas para procesadores multi-core y el paquete Communications System Toolbox diseñada para su uso con MATLAB, que utiliza computación con GPU. Sin embargo, no hay una biblioteca capaz de ejecutarse en una plataforma heterogénea. En vista de los altos requisitos computacionales en la investigación MIMO y la escasez de herramientas capaces de satisfacerlos, hemos implementado una librería que facilita el desarrollo de aplicaciones paralelas adaptables de acuerdo con las diferentes arquitecturas de la plataforma de ejecución. La librería, llamada MIMOPack, implementa de manera eficiente un conjunto de funciones para llevar a cabo algunas de las etapas críticas en la simulación de un sistema de comunicación MIMO. La principal aportación de la tesis es la implementación de detectores eficientes de salida Hard y Soft, ya que la etapa de detección es considerada la parte más compleja en el proceso de comunicación. Estos detectores son altamente configurables y muchos de ellos incluyen técnicas de preprocesamiento que reducen el coste computacional y aumentan el rendimiento. La librería propuesta tiene tres características importantes: la portabilidad, la eficiencia y facilidad de uso. La versión actual permite computación en GPU y multi-core, incluso simultáneamente, ya que está diseñada para ser utilizada sobre plataformas heterogéneas que explotan toda la capacidad computacional. Para facilitar el uso de la biblioteca, las interfaces de las funciones son comunes para todas las arquitecturas. Algunas de las funciones se pueden llamar desde MATLAB aumentando la portabilidad de códigos desarrollados entre los diferentes entornos. De acuerdo con el diseño de la biblioteca y la evaluación del rendimiento, consideramos que MIMOPack puede facilitar la implementación de códigos sin tener que saber programar con diferentes lenguajes y arquitecturas. MIMOPack permitirá incluir algoritmos más complejos en las simulaciones y obtener los resultados más rápidamente. Esto es particularmente importante en la industria, ya que los fabricantes trabajan para proponer sus propias tecnologías lo antes posible con el objetivo de que sean aprobadas como un estándar. De este modo, los fabricantes pueden hacer valer sus derechos de propiedad intelectual frente a sus competidores, quienes luego deben obtener las correspon[CA] En l'actualitat diversos estàndards de comunicació estan sorgint i evolucionant cercant velocitats de transmissió més altes i major fiabilitat. Aquesta expansió, està impulsada pel continu augment en el consum de serveis multimèdia a causa de l'aparició de nous dispositius portàtils com els smartphones i les tablets. Una de les tècniques més importants és l'ús de múltiples antenes de transmissió i recepció (MIMO) que permet augmentar la velocitat de transmissió i la qualitat de transmissió. Les tecnologies MIMO s'han convertit en una part essencial en diferents estàndards inalàmbrics, tals com WLAN, WiMAX i LTE. Aquestes tecnologies s'incorporaran també en futurs estàndards, per tant, s'espera en els pròxims anys una gran quantitat d'investigació en aquest camp. L'estudi dels sistemes MIMO és crític en la recerca actual, no obstant açó, els problemes que sorgeixen d'aquesta tecnologia són molt complexos. Els sistemes de computació d'alt rendiment com els multi-core i many-core (p. ej. GPUs)), estan jugant un paper clau en el desenvolupament d'algoritmes eficients i de baixa complexitat en les transmissions MIMO. Prova d'açò és que el nombre de contribucions científiques i projectes d'investigació relacionats amb el seu ús s'han incrementat en els últims anys. Algunes llibreries d'alt rendiment estan utilitzant-se com a eines per investigadors involucrats en el desenvolupament de futurs estàndards. Dos de les llibreries més destacades són: IT++ que és una llibreria basada en lús de diferents llibreries optimitzades per a processadors multi-core i el paquet Communications System Toolbox dissenyat per al seu ús amb MATLAB, que utilitza computació amb GPU. No obstant açò, no hi ha una biblioteca capaç d'executar-se en una plataforma heterogènia. Degut als alts requisits computacionals en la investigació MIMO i l'escacès d'eines capaces de satisfer-los, hem implementat una llibreria que facilita el desenvolupament d'aplicacions paral·leles adaptables d'acord amb les diferentes arquitectures de la plataforma d'ejecució. La llibreria, anomenada MIMOPack, implementa de manera eficient, un conjunt de funcions per dur a terme algunes de les etapes crítiques en la simulació d'un sistema de comunicació MIMO. La principal aportació de la tesi és la implementació de detectors eficients d'exida Hard i Soft, ja que l'etapa de detecció és considerada la part més complexa en el procés de comunicació. Estos detectors són altament configurables i molts d'ells inclouen tècniques de preprocessament que redueixen el cost computacional i augmenten el rendiment. La llibreria proposta té tres característiques importants: la portabilitat, l'eficiència i la facilitat d'ús. La versió actual permet computació en GPU i multi-core, fins i tot simultàniament, ja que està dissenyada per a ser utilitzada sobre plataformes heterogènies que exploten tota la capacitat computacional. Amb el fi de simplificar l'ús de la biblioteca, les interfaces de les funcions són comunes per a totes les arquitectures. Algunes de les funcions poden ser utilitzades des de MATLAB augmentant la portabilitat de còdics desenvolupats entre els diferentes entorns. D'acord amb el disseny de la biblioteca i l'evaluació del rendiment, considerem que MIMOPack pot facilitar la implementació de còdics a investigadors sense haver de saber programar amb diferents llenguatges i arquitectures. MIMOPack permetrà incloure algoritmes més complexos en les seues simulacions i obtindre els seus resultats més ràpid. Açò és particularment important en la industria, ja que els fabricants treballen per a proposar les seues pròpies tecnologies el més prompte possible amb l'objectiu que siguen aprovades com un estàndard. D'aquesta menera, els fabricants podran fer valdre els seus drets de propietat intel·lectual enfront dels seus competidors, els qui després han d'obtenir les corresponents llicències si voleRamiro Sánchez, C. (2015). MIMOPack: A High Performance Computing Library for MIMO Communication Systems [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/53930TESISPremios Extraordinarios de tesis doctorale

Radio Communications

In the last decades the restless evolution of information and communication technologies (ICT) brought to a deep transformation of our habits. The growth of the Internet and the advances in hardware and software implementations modified our way to communicate and to share information. In this book, an overview of the major issues faced today by researchers in the field of radio communications is given through 35 high quality chapters written by specialists working in universities and research centers all over the world. Various aspects will be deeply discussed: channel modeling, beamforming, multiple antennas, cooperative networks, opportunistic scheduling, advanced admission control, handover management, systems performance assessment, routing issues in mobility conditions, localization, web security. Advanced techniques for the radio resource management will be discussed both in single and multiple radio technologies; either in infrastructure, mesh or ad hoc networks

Dependable Embedded Systems

This Open Access book introduces readers to many new techniques for enhancing and optimizing reliability in embedded systems, which have emerged particularly within the last five years. This book introduces the most prominent reliability concerns from today’s points of view and roughly recapitulates the progress in the community so far. Unlike other books that focus on a single abstraction level such circuit level or system level alone, the focus of this book is to deal with the different reliability challenges across different levels starting from the physical level all the way to the system level (cross-layer approaches). The book aims at demonstrating how new hardware/software co-design solution can be proposed to ef-fectively mitigate reliability degradation such as transistor aging, processor variation, temperature effects, soft errors, etc. Provides readers with latest insights into novel, cross-layer methods and models with respect to dependability of embedded systems; Describes cross-layer approaches that can leverage reliability through techniques that are pro-actively designed with respect to techniques at other layers; Explains run-time adaptation and concepts/means of self-organization, in order to achieve error resiliency in complex, future many core systems

Proceedings of the First PhD Symposium on Sustainable Ultrascale Computing Systems (NESUS PhD 2016)

Proceedings of the First PhD Symposium on Sustainable Ultrascale Computing Systems (NESUS PhD 2016) Timisoara, Romania. February 8-11, 2016.The PhD Symposium was a very good opportunity for the young researchers to share information and knowledge, to present their current research, and to discuss topics with other students in order to look for synergies and common research topics. The idea was very successful and the assessment made by the PhD Student was very good. It also helped to achieve one of the major goals of the NESUS Action: to establish an open European research network targeting sustainable solutions for ultrascale computing aiming at cross fertilization among HPC, large scale distributed systems, and big data management, training, contributing to glue disparate researchers working across different areas and provide a meeting ground for researchers in these separate areas to exchange ideas, to identify synergies, and to pursue common activities in research topics such as sustainable software solutions (applications and system software stack), data management, energy efficiency, and resilience.European Cooperation in Science and Technology. COS