MIMO Detection for High-Order QAM Based on a Gaussian Tree Approximation

This paper proposes a new detection algorithm for MIMO communication systems employing high order QAM constellations. The factor graph that corresponds to this problem is very loopy; in fact, it is a complete graph. Hence, a straightforward application of the Belief Propagation (BP) algorithm yields very poor results. Our algorithm is based on an optimal tree approximation of the Gaussian density of the unconstrained linear system. The finite-set constraint is then applied to obtain a loop-free discrete distribution. It is shown that even though the approximation is not directly applied to the exact discrete distribution, applying the BP algorithm to the loop-free factor graph outperforms current methods in terms of both performance and complexity. The improved performance of the proposed algorithm is demonstrated on the problem of MIMO detection

Soft-decision equalization techniques for frequency selective MIMO channels

Multi-input multi-output (MIMO) technology is an emerging solution for high data rate wireless communications. We develop soft-decision based equalization techniques for frequency selective MIMO channels in the quest for low-complexity equalizers with BER performance competitive to that of ML sequence detection. We first propose soft decision equalization (SDE), and demonstrate that decision feedback equalization (DFE) based on soft-decisions, expressed via the posterior probabilities associated with feedback symbols, is able to outperform hard-decision DFE, with a low computational cost that is polynomial in the number of symbols to be recovered, and linear in the signal constellation size. Building upon the probabilistic data association (PDA) multiuser detector, we present two new MIMO equalization solutions to handle the distinctive channel memory. With their low complexity, simple implementations, and impressive near-optimum performance offered by iterative soft-decision processing, the proposed SDE methods are attractive candidates to deliver efficient reception solutions to practical high-capacity MIMO systems. Motivated by the need for low-complexity receiver processing, we further present an alternative low-complexity soft-decision equalization approach for frequency selective MIMO communication systems. With the help of iterative processing, two detection and estimation schemes based on second-order statistics are harmoniously put together to yield a two-part receiver structure: local multiuser detection (MUD) using soft-decision Probabilistic Data Association (PDA) detection, and dynamic noise-interference tracking using Kalman filtering. The proposed Kalman-PDA detector performs local MUD within a sub-block of the received data instead of over the entire data set, to reduce the computational load. At the same time, all the inter-ference affecting the local sub-block, including both multiple access and inter-symbol interference, is properly modeled as the state vector of a linear system, and dynamically tracked by Kalman filtering. Two types of Kalman filters are designed, both of which are able to track an finite impulse response (FIR) MIMO channel of any memory length. The overall algorithms enjoy low complexity that is only polynomial in the number of information-bearing bits to be detected, regardless of the data block size. Furthermore, we introduce two optional performance-enhancing techniques: cross- layer automatic repeat request (ARQ) for uncoded systems and code-aided method for coded systems. We take Kalman-PDA as an example, and show via simulations that both techniques can render error performance that is better than Kalman-PDA alone and competitive to sphere decoding. At last, we consider the case that channel state information (CSI) is not perfectly known to the receiver, and present an iterative channel estimation algorithm. Simulations show that the performance of SDE with channel estimation approaches that of SDE with perfect CSI

High-Throughput Soft-Output MIMO Detector Based on Path-Preserving Trellis-Search Algorithm

In this paper, we propose a novel path-preserving trellis-search (PPTS) algorithm and its high-speed VLSI architecture for soft-output multiple-input-multiple-output (MIMO) detection. We represent the search space of the MIMO signal with an unconstrained trellis, where each node in stage of the trellis maps to a possible complex-valued symbol transmitted by antenna. Based on the trellis model, we convert the soft-output MIMO detection problem into a multiple shortest paths problem subject to the constraint that every trellis node must be covered in this set of paths. The PPTS detector is guaranteed to have soft information for every possible symbol transmitted on every antenna so that the log-likelihood ratio (LLR) for each transmitted data bit can be more accurately formed. Simulation results show that the PPTS algorithm can achieve near-optimal error performance with a low search complexity. The PPTS algorithm is a hardware-friendly data-parallel algorithm because the search operations are evenly distributed among multiple trellis nodes for parallel processing. As a case study, we have designed and synthesized a fully-parallel systolic-array detector and two folded detectors for a 4x4 16-QAM system using a 1.08 V TSMC 65-nm CMOS technology.With a 1.18 mm2 core area, the folded detector can achieve a throughput of 2.1 Gbps.With a 3.19 mm2 core area, the fully-parallel systolic-array detector can achieve a throughput of 6.4 Gbps

Transmission strategies for broadband wireless systems with MMSE turbo equalization

This monograph details efficient transmission strategies for single-carrier wireless broadband communication systems employing iterative (turbo) equalization. In particular, the first part focuses on the design and analysis of low complexity and robust MMSE-based turbo equalizers operating in the frequency domain. Accordingly, several novel receiver schemes are presented which improve the convergence properties and error performance over the existing turbo equalizers. The second part discusses concepts and algorithms that aim to increase the power and spectral efficiency of the communication system by efficiently exploiting the available resources at the transmitter side based upon the channel conditions. The challenging issue encountered in this context is how the transmission rate and power can be optimized, while a specific convergence constraint of the turbo equalizer is guaranteed.Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem Entwurf und der Analyse von effizienten Übertragungs-konzepten für drahtlose, breitbandige Einträger-Kommunikationssysteme mit iterativer (Turbo-) Entzerrung und Kanaldekodierung. Dies beinhaltet einerseits die Entwicklung von empfängerseitigen Frequenzbereichs-entzerrern mit geringer Komplexität basierend auf dem Prinzip der Soft Interference Cancellation Minimum-Mean Squared-Error (SC-MMSE) Filterung und andererseits den Entwurf von senderseitigen Algorithmen, die durch Ausnutzung von Kanalzustandsinformationen die Bandbreiten- und Leistungseffizienz in Ein- und Mehrnutzersystemen mit Mehrfachantennen (sog. Multiple-Input Multiple-Output (MIMO)) verbessern. Im ersten Teil dieser Arbeit wird ein allgemeiner Ansatz für Verfahren zur Turbo-Entzerrung nach dem Prinzip der linearen MMSE-Schätzung, der nichtlinearen MMSE-Schätzung sowie der kombinierten MMSE- und Maximum-a-Posteriori (MAP)-Schätzung vorgestellt. In diesem Zusammenhang werden zwei neue Empfängerkonzepte, die eine Steigerung der Leistungsfähigkeit und Verbesserung der Konvergenz in Bezug auf existierende SC-MMSE Turbo-Entzerrer in verschiedenen Kanalumgebungen erzielen, eingeführt. Der erste Empfänger - PDA SC-MMSE - stellt eine Kombination aus dem Probabilistic-Data-Association (PDA) Ansatz und dem bekannten SC-MMSE Entzerrer dar. Im Gegensatz zum SC-MMSE nutzt der PDA SC-MMSE eine interne Entscheidungsrückführung, so dass zur Unterdrückung von Interferenzen neben den a priori Informationen der Kanaldekodierung auch weiche Entscheidungen der vorherigen Detektions-schritte berücksichtigt werden. Durch die zusätzlich interne Entscheidungsrückführung erzielt der PDA SC-MMSE einen wesentlichen Gewinn an Performance in räumlich unkorrelierten MIMO-Kanälen gegenüber dem SC-MMSE, ohne dabei die Komplexität des Entzerrers wesentlich zu erhöhen. Der zweite Empfänger - hybrid SC-MMSE - bildet eine Verknüpfung von gruppenbasierter SC-MMSE Frequenzbereichsfilterung und MAP-Detektion. Dieser Empfänger besitzt eine skalierbare Berechnungskomplexität und weist eine hohe Robustheit gegenüber räumlichen Korrelationen in MIMO-Kanälen auf. Die numerischen Ergebnisse von Simulationen basierend auf Messungen mit einem Channel-Sounder in Mehrnutzerkanälen mit starken räumlichen Korrelationen zeigen eindrucksvoll die Überlegenheit des hybriden SC-MMSE-Ansatzes gegenüber dem konventionellen SC-MMSE-basiertem Empfänger. Im zweiten Teil wird der Einfluss von System- und Kanalmodellparametern auf die Konvergenzeigenschaften der vorgestellten iterativen Empfänger mit Hilfe sogenannter Korrelationsdiagramme untersucht. Durch semi-analytische Berechnungen der Entzerrer- und Kanaldecoder-Korrelationsfunktionen wird eine einfache Berechnungsvorschrift zur Vorhersage der Bitfehlerwahrscheinlichkeit von SC-MMSE und PDA SC-MMSE Turbo Entzerrern für MIMO-Fadingkanäle entwickelt. Des Weiteren werden zwei Fehlerschranken für die Ausfallwahrscheinlichkeit der Empfänger vorgestellt. Die semi-analytische Methode und die abgeleiteten Fehlerschranken ermöglichen eine aufwandsgeringe Abschätzung sowie Optimierung der Leistungsfähigkeit des iterativen Systems. Im dritten und abschließenden Teil werden Strategien zur Raten- und Leistungszuweisung in Kommunikationssystemen mit konventionellen iterativen SC-MMSE Empfängern untersucht. Zunächst wird das Problem der Maximierung der instantanen Summendatenrate unter der Berücksichtigung der Konvergenz des iterativen Empfängers für einen Zweinutzerkanal mit fester Leistungsallokation betrachtet. Mit Hilfe des Flächentheorems von Extrinsic-Information-Transfer (EXIT)-Funktionen wird eine obere Schranke für die erreichbare Ratenregion hergeleitet. Auf Grundlage dieser Schranke wird ein einfacher Algorithmus entwickelt, der für jeden Nutzer aus einer Menge von vorgegebenen Kanalcodes mit verschiedenen Codierraten denjenigen auswählt, der den instantanen Datendurchsatz des Mehrnutzersystems verbessert. Neben der instantanen Ratenzuweisung wird auch ein ausfallbasierter Ansatz zur Ratenzuweisung entwickelt. Hierbei erfolgt die Auswahl der Kanalcodes für die Nutzer unter Berücksichtigung der Einhaltung einer bestimmten Ausfallwahrscheinlichkeit (outage probability) des iterativen Empfängers. Des Weiteren wird ein neues Entwurfskriterium für irreguläre Faltungscodes hergeleitet, das die Ausfallwahrscheinlichkeit von Turbo SC-MMSE Systemen verringert und somit die Zuverlässigkeit der Datenübertragung erhöht. Eine Reihe von Simulationsergebnissen von Kapazitäts- und Durchsatzberechnungen werden vorgestellt, die die Wirksamkeit der vorgeschlagenen Algorithmen und Optimierungsverfahren in Mehrnutzerkanälen belegen. Abschließend werden außerdem verschiedene Maßnahmen zur Minimierung der Sendeleistung in Einnutzersystemen mit senderseitiger Singular-Value-Decomposition (SVD)-basierter Vorcodierung untersucht. Es wird gezeigt, dass eine Methode, welche die Leistungspegel des Senders hinsichtlich der Bitfehlerrate des iterativen Empfängers optimiert, den konventionellen Verfahren zur Leistungszuweisung überlegen ist