Chip level decision feedback equalizer for CDMA downlink channel

In most commercial wideband code division multiple access (W-CDMA) systems, the transmitted signal in the downlink channel is spread by orthogonal codes to accommodate different users. However, frequency selective fading destroys the orthogonality and causes multiple access interference (MAI). The rake receiver has been proposed for a receiver in the downlink channel. Although providing reasonable performance due to path diversity, the rake receiver does not restore the orthogonality. As a result, the MAI is still present at the output of the rake receiver and CDMA system becomes an interference limited system. Thus, a better approach to provide MAI suppression shall be considered. The chip level linear equalizer followed by a despreader is an attractive alternative receiver to restore the orthogonality and to suppress the MAI. However, the performance of the chip level linear equalizer depends on the spectral characteristic of the channel and may not be satisfactory for some channels. To overcome this difficulty, the chip level decision feedback equalizer can be used. To improve the performance further, multiple-input multiple-output (MIMO) channels by using multiple antennas can also be employed. Recent research in information theory shows that multiple antennas can mitigate multipath fading in a wireless channel, increase the information capacity of wireless communication systems dramatically, and improve the reliability of the communications over wireless channel.In this thesis, the chip level decision feedback equalizer for CDMA downlink channel with multþle antennas is investigated. The work includes the design of the chip level decision feedback equalizer when the space time spreading scheme and the Alamouti scheme are employed at the transmitter. Theoretical and simulation results show significant performance gains compared to the rake receiver and the chip level linear equalizer.Thesis (M.Eng.Sc.) -- University of Adelaide, School of Electrical and Electronic Engineering, 2004

SGD Frequency-Domain Space-Frequency Semiblind Multiuser Receiver with an Adaptive Optimal Mixing Parameter

A novel stochastic gradient descent frequency-domain (FD) space-frequency (SF) semiblind multiuser receiver with an adaptive optimal mixing parameter is proposed to improve performance of FD semiblind multiuser receivers with a fixed mixing parameters and reduces computational complexity of suboptimal FD semiblind multiuser receivers in SFBC downlink MIMO MC-CDMA systems where various numbers of users exist. The receiver exploits an adaptive mixing parameter to mix information ratio between the training-based mode and the blind-based mode. Analytical results prove that the optimal mixing parameter value relies on power and number of active loaded users existing in the system. Computer simulation results show that when the mixing parameter is adapted closely to the optimal mixing parameter value, the performance of the receiver outperforms existing FD SF adaptive step-size (AS) LMS semiblind based with a fixed mixing parameter and conventional FD SF AS-LMS training-based multiuser receivers in the MSE, SER and signal to interference plus noise ratio in both static and dynamic environments

Técnicas de processamento com múltiplas antenas para o sistema LTE

Mestrado em Engenharia Electrónica e TelecomunicaçõesPerformance, mobilidade e partilha podem ser consideras como as três palavras-chave nas comunicações móveis de hoje em dia. Uma das necessidades fundamentais do ser humano é a partilha de experiencias e informação. Com a evolução ao nível do hardware móvel, a crescente popularidade de smartphones, tablets e outros dispositivos moveis, fez com que a exigência em termos de capacidade e taxa de transferência por parte das redes móveis não parasse de crescer. As limitações das redes 3G fizeram com que não conseguissem corresponder a tais exigências e como tal, a transição para uma tecnologia mais robusta e eficiente passou a ser inevitável. A resposta escolhida como solução a longo prazo é a rede designada por LTE, desenvolvida pela organização 3GPP é assumido que será a rede de telecomunicações predominante no futuro. As vantagens mais sonantes são, naturalmente, elevadas taxas de transmissão, maior eficiência espectral, redução da latência e de custos de operação. As principais tecnologias em que o LTE se baseia, são o OFDM e sua variante para múltiplo acesso, OFDMA, usado para o downlink e o SC-FDMA para o uplink. Além disso, usa sistemas com múltiplas antenas para impulsionar a eficiência espectral. Apesar de já implementado em alguns países por diversas operadoras, constantes pesquisas continuam a ser realizadas com o intuito de melhorar a sua performance. Nesta dissertação é proposto um esquema duplo de codificação na frequência e no espaço (D-SFBC) para um cenário baseado em OFDM com 4 antenas de transmissão e duas antenas de recepção (4 × 2 D-SFBC) para o downlink. No cenário considerado, 4 símbolos de dados são transmitidos utilizando unicamente 2 sub-portadoras, fazendo com que, este sistema seja limitado pela interferência. Para de forma eficiente descodificar os símbolos de dados transmitidos, foi desenvolvido um equalizador iterativo no domínio da frequência. Duas abordagens são consideradas: cancelamento da interferência em paralelo (PIC) e sucessivo cancelamento de interferência (SIC). Uma vez que apenas 2 sub-portadoras são usadas para transmitir quatro símbolos de dados em paralelo, o esquema desenvolvido duplica a taxa de dados quando comparado com o esquema 2 × 2 SFBC, especificado no standard do LTE. Os esquemas desenvolvidos foram avaliados sob as especificações para LTE e usando codificação de canal. Os resultados mostram que os esquemas implementados neste trabalho utilizando um equalizador iterativo supera os convencionais equalizadores lineares na eliminação da interferência adicional introduzida, em apenas 2 ou 3 iterações.Performance, mobility and sharing can be assumed as the three keywords in the mobile communications nowadays. One of the fundamental needs of human beings is to share experiences and information. With the evolution of mobile hardware level, the growing popularity of smartphones, tablets and other mobile devices, has made that the demand in terms of capacity and throughput by mobile networks did not stop growing. Thus, the limitations of 3G stops it of being the answer of such demand, and a transition to a powerful technology has become unavoidable. The answer chosen is LTE, developed by the 3GPP organization is assumed to be the predominant telecommunications network in the future. The most relevant advantages are high transmission rates, higher spectral efficiency, reducing latency and operating costs. The key technologies in which LTE is based, are OFDM and its variant schemes for multiple access, OFDMA, used for downlink, and SC-FDMA for the uplink. It also uses multiple antennas systems in order to improve spectral efficiency. Although already implemented in some countries by several operators, continuous research is conducted in order to improve their performance. In this dissertation it is proposed a double space-frequency block coding (D-SFBC) scheme for an OFDM based scenario with 4 transmit antennas and 2 receive antennas (4×2 D-SFBC) for the downlink. In the considered scenario, 4 data symbols are transmitted by using only 2 subcarriers and thus the system is interference limited. To efficiently decode the transmitted data symbols an iterative equalizer designed in frequency domain is developed. Two approaches are considered: parallel interference cancellation (PIC) and successive interference cancellation (SIC). Since only 2 subcarriers are used to transmit 4 data symbols in parallel the developed scheme achieve the double data rate when compared with the 2×2 SFBC, specified in the LTE standard. The developed schemes were evaluated under the main LTE specifications and using channel coding. The results have show that the schemes implemented in this work using an interactive equalizer outperforms the conventional linear equalizers in the interference removal, just by using 2 or 3 iterations

Técnicas de equalização iterativas no espaço-frequência para o LTE

Mestrado em Engenharia Electrónica e TelecomunicaçõesMobile communications had a huge leap on its evolution in the last decade due to the constant increase of the user requirements. The Long Term Evolution is the new technology developed to give proper answer to the needs of a growing mobile communications community, offering much higher data rates, better spectral efficiency and lower latency when compared to previous technologies, along with scalable bandwidth, interoperability and easy roaming. All these advantages are possible due to the implementation of new network architectures like the E-UTRAN access network and the EPC core network, the use of MIMO systems, and new multiple access schemes: OFDMA for downlink and SC-FDMA for uplink. This thesis focuses on the uplink communication of this technology with SC-FDMA, specifically on the use of Iterative Block Decision Feedback Equalizers (IB-DFE) where both the feedback and the feedforward equalizer matrices are applied on the frequency domain. Two IB-DFE schemes were implemented using both Parallel Interference Cancellation (PIC) and Serial Interference Cancellation (SIC) based processing. We considered the uplink scenario where some users share the same physical channel to transmit its own information to the Base Station (BS). Also, we consider that the BS is equipped with multiple antennas and the user terminals (UT) with a single antenna. The aim of the studied iterative schemes is to efficiently remove both the multi-user and inter-carrier interferences, while allowing a close-to-optimum space-diversity gain. The results obtained showed that both PIC and SIC implementations presented better performance than the conventional used linear multi-user sub optimal equalizers ZF and MMSE. Both solutions efficiently eliminate the multi-user interference, although the SIC based scheme slightly outperforms the PIC approach, with a performance close to the one achieved by the Matched Filter Bound (MFB).As comunicações móveis tiveram um grande avanço na sua evolução na última década devido ao constante aumento dos requisitos dos utilizadores. O Long Term Evolution é a nova tecnologia desenvolvida para dar resposta às necessidades de uma crescente comunidade de comunicações móveis, oferecendo taxas de transmissão de dados muito mais elevadas, melhor eficiência espectral e menor latência quando comparado a tecnologias anteriores, incluindo também largura de banda escalável, interoperabilidade e roaming simples. Todas estas vantagens são possíveis devido à implementação de novas arquiteturas de rede, como a rede de acesso E-UTRAN e a rede core EPC, o uso de sistemas MIMO, e novos esquemas de múltiplo acesso: OFDMA para o downlink e SC-FDMA para o uplink. Esta tese centra-se na comunicação no sentido ascendente desta tecnologia onde o esquema utilizado é o SC-FDMA, mais especificamente na aplicação de Iterative Block Decision Feedback Equalizers (IB-DFE) onde tanto a matriz de feedback como a de feedfoward do equalizador são aplicadas no domínio da frequência. Dois esquemas IB-DFE foram implementados utilizando processamento baseado em cancelamento de interferência em paralelo (PIC) e em serie (SIC). Foi considerado um cenário ascendente onde alguns utilizadores (UEs) partilham o mesmo canal físico para transmitir a sua informação para a Estação Base (BS). È também assumido que a BS está equipada com múltiplas antenas, e os terminais dos utilizadores com uma antena apenas. O objetivo dos esquemas iterativos estudados é remover eficientemente a interferência entre utilizadores e entre portadoras, permitindo entretanto um ganho de diversidade no espaço quase ótimo. Os resultados obtidos mostraram que tanto a implementação PIC como a SIC apresentam melhor eficiência do que os habituais equalizadores lineares sub ótimos ZF e MMSE. Ambas as soluções eliminam a interferência entre utilizadores, embora o esquema SIC apresente um melhor desempenho que o PIC, aproximando- se do atingido com o Matched Filter Bound (MFB)

MIMO equalization.

Thesis (M.Sc.Eng.)-University of KwaZulu-Natal, Durban, 2005.In recent years, space-time block co'des (STBC) for multi-antenna wireless systems have emerged as attractive encoding schemes for wireless communications. These codes provide full diversity gain and achieve good performance with simple receiver structures without the additional increase in bandwidth or power requirements. When implemented over broadband channels, STBCs can be combined with orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) or single carrier frequency domain (SC-FD) transmission schemes to achieve multi-path diversity and to decouple the broadband frequency selective channel into independent flat fading channels. This dissertation focuses on the SC-FD transmission schemes that exploit the STBC structure to provide computationally cost efficient receivers in terms of equalization and channel estimation. The main contributions in this dissertation are as follows: • The original SC-FD STBC receiver that bench marks STBC in a frequency selective channel is limited to coherent detection where the knowledge of the channel state information (CSI) is assumed at the receiver. We extend this receiver to a multiple access system. Through analysis and simulations we prove that the extended system does not incur any performance penalty. This key result implies that the SC-FD STBC scheme is suitable for multiple-user systems where higher data rates are possible. • The problem of channel estimation is considered in a time and frequency selective environment. The existing receiver is based on a recursive least squares (RLS) adaptive algorithm and provides joint equalization and interference suppression. We utilize a system with perfect channel state information (CSI) to show from simulations how various design parameters for the RLS algorithm can be selected in order to get near perfect CSI performance. • The RLS receiver has two modes of operation viz. training mode and direct decision mode. In training mode, a block of known symbols is used to make the initial estimate. To ensure convergence of the algorithm a re-training interval must be predefined. This results in an increase in the system overhead. A linear predictor that utilizes the knowled~e of the autocorrelation function for a Rayleigh fading channel is developed. The predictor is combined with. the adaptive receiver to provide a bandwidth efficient receiver by decreasing the training block size.· The simulation results show that the performance penalty for the new system is negligible. • Finally, a new Q-R based receiver is developed to provide a more robust solution to the RLS adaptive receiver. The simulation results clearly show that the new receiver outperforms the RLS based receiver at higher Doppler frequencies, where rapid channel variations result in numerical instability of the RLS algorithm. The linear predictor is also added to the new receiver which results in a more robust and bandwidth efficient receiver

Técnicas de equalização e pré-codificação para sistemas MC-CDMA

Mestrado em Engenharia Eletrónica e TelecomunicaçõesO número de dispositivos com ligações e aplicações sem fios está a aumentar exponencialmente, causando problemas de interferência e diminuindo a capacidade do sistema. Isto desencadeou uma procura por uma eficiência espectral superior e, consequentemente, tornou-se necessário desenvolver novas arquitecturas celulares que suportem estas novas exigências. Coordenação ou cooperação multicelular é uma arquitectura promissora para sistemas celulares sem fios. Esta ajuda a mitigar a interferência entre células, melhorando a equidade e a capacidade do sistema. É, portanto, uma arquitectura já em estudo ao abrigo da tecnologia LTE-Advanced sob o conceito de coordenação multiponto (CoMP). Nesta dissertação, considerámos um sistema coordenado MC-CDMA com pré-codificação e equalização iterativas. Uma das técnicas mais eficientes de pré-codificação é o alinhamento de interferências (IA). Este é um conceito relativamente novo que permite aumentar a capacidade do sistema em canais de elevada interferência. Sabe-se que, para os sistemas MC-CDMA, os equalizadores lineares convencionais não são os mais eficientes, devido à interferência residual entre portadoras (ICI). No entanto, a equalização iterativa no domínio da frequência (FDE) foi identificada como sendo uma das técnicas mais eficientes para lidar com ICI e explorar a diversidade oferecida pelos sistemas MIMO MC-CDMA. Esta técnica é baseada no conceito Iterative Block Decision Feedback Equalization (IB-DFE). Nesta dissertação, é proposto um sistema MC-CDMA que une a pré-codificação iterativa do alinhamento de interferências no transmissor ao equalizador baseado no IB-DFE, com cancelamento sucessivo de interferências (SIC) no receptor. Este é construído por dois blocos: um filtro linear, que mitiga a interferência inter-utilizador, seguido por um bloco iterativo no domínio da frequência, que separa eficientemente os fluxos de dados espaciais na presença de interferência residual inter-utilizador alinhada. Este esquema permite atingir o número máximo de graus de liberdade e permite simultaneamente um ganho óptimo de diversidade espacial. O desempenho deste esquema está perto do filtro adaptado- Matched Filter Bound (MFB).The number of devices with wireless connections and applications is increasing exponentially, causing interference problems and reducing the system’s capacity gain. This initiated a search for a higher spectral efficiency and therefore it became necessary to develop new cellular architectures that support these new requirements. Multicell cooperation or coordination is a promising architecture for cellular wireless systems to mitigate intercell interference, improving system fairness and increasing capacity, and thus is already under study in LTE-Advanced under the coordinated multipoint (CoMP) concept. In this thesis, efficient iterative precoding and equalization is considered for coordinated MC-CDMA based systems. One of the most efficient precoding techniques is interference alignment (IA), which is a relatively new concept that allows high capacity gains in interfering channels. It is well known that for MC-CDMA systems standard linear equalizers are not the most efficient due to residual inter carrier interference (ICI). However, iterative frequency-domain equalization (FDE) has been identified as one of the most efficient technique to deal with ICI and exploit the inherent space-frequency diversity of the MIMO MC-CDMA systems, namely the one based on Iterative Block Decision Feedback Equalization (IB-DFE) concept. In this thesis, it is proposed a MC-CDMA system that joins iterative IA precoding at the transmitter with IB-DFE successive interference cancellation (SIC) based receiver structure. The receiver is implemented in two steps: a linear filter, which mitigates the inter-user aligned interference, followed by an iterative frequency-domain receiver, which efficiently separates the spatial streams in the presence of residual inter-user aligned interference. This scheme provides the maximum degrees of freedom (DoF) and allows almost the optimum space-diversity gain. The scheme performance is close to the matched filter bound (MFB)

Adaptive Communications for Next Generation Broadband Wireless Access Systems

Un dels aspectes claus en el disseny i gestió de les xarxes sense fils d'accés de banda ampla és l'ús eficient dels recursos radio. Des del punt de vista de l'operador, l'ample de banda és un bé escàs i preuat que s´ha d'explotar i gestionar de la forma més eficient possible tot garantint la qualitat del servei que es vol proporcionar. Per altra banda, des del punt de vista del usuari, la qualitat del servei ofert ha de ser comparable al de les xarxes fixes, requerint així un baix retard i una baixa pèrdua de paquets per cadascun dels fluxos de dades entre la xarxa i l'usuari. Durant els darrers anys s´han desenvolupat nombroses tècniques i algoritmes amb l'objectiu d'incrementar l'eficiència espectral. Entre aquestes tècniques destaca l'ús de múltiples antenes al transmissor i al receptor amb l'objectiu de transmetre diferents fluxos de dades simultaneament sense necessitat d'augmentar l'ample de banda. Per altra banda, la optimizació conjunta de la capa d'accés al medi i la capa física (fent ús de l'estat del canal per tal de gestionar de manera optima els recursos) també permet incrementar sensiblement l'eficiència espectral del sistema.L'objectiu d'aquesta tesi és l'estudi i desenvolupament de noves tècniques d'adaptació de l'enllaç i gestió dels recursos ràdio aplicades sobre sistemes d'accés ràdio de propera generació (Beyond 3G). Els estudis realitzats parteixen de la premissa que el transmisor coneix (parcialment) l'estat del canal i que la transmissió es realitza fent servir un esquema multiportadora amb múltiples antenes al transmisor i al receptor. En aquesta tesi es presenten dues línies d'investigació, la primera per casos d'una sola antenna a cada banda de l'enllaç, i la segona en cas de múltiples antenes. En el cas d'una sola antena al transmissor i al receptor, un nou esquema d'assignació de recursos ràdio i priorització dels paquets (scheduling) és proposat i analitzat integrant totes dues funcions sobre una mateixa entitat (cross-layer). L'esquema proposat té com a principal característica la seva baixa complexitat i que permet operar amb transmissions multimedia. Alhora, posteriors millores realitzades per l'autor sobre l'esquema proposat han permès també reduir els requeriments de senyalització i combinar de forma óptima usuaris d'alta i baixa mobilitat sobre el mateix accés ràdio, millorant encara més l'eficiència espectral del sistema. En cas d'enllaços amb múltiples antenes es proposa un nou esquema que combina la selecció del conjunt optim d'antenes transmissores amb la selecció de la codificació espai- (frequència-) temps. Finalment es donen una sèrie de recomanacions per tal de combinar totes dues línies d'investigació, així con un estat de l'art de les tècniques proposades per altres autors que combinen en part la gestió dels recursos ràdio i els esquemes de transmissió amb múltiples antenes.Uno de los aspectos claves en el diseño y gestión de las redes inalámbricas de banda ancha es el uso eficiente de los recursos radio. Desde el punto de vista del operador, el ancho de banda es un bien escaso y valioso que se debe explotar y gestionar de la forma más eficiente posible sin afectar a la calidad del servicio ofrecido. Por otro lado, desde el punto de vista del usuario, la calidad del servicio ha de ser comparable al ofrecido por las redes fijas, requiriendo así un bajo retardo y una baja tasa de perdida de paquetes para cada uno de los flujos de datos entre la red y el usuario. Durante los últimos años el número de técnicas y algoritmos que tratan de incrementar la eficiencia espectral en dichas redes es bastante amplio. Entre estas técnicas destaca el uso de múltiples antenas en el transmisor y en el receptor con el objetivo de poder transmitir simultáneamente diferentes flujos de datos sin necesidad de incrementar el ancho de banda. Por otro lado, la optimización conjunta de la capa de acceso al medio y la capa física (utilizando información de estado del canal para gestionar de manera óptima los recursos) también permite incrementar sensiblemente la eficiencia espectral del sistema.El objetivo de esta tesis es el estudio y desarrollo de nuevas técnicas de adaptación del enlace y la gestión de los recursos radio, y su posterior aplicación sobre los sistemas de acceso radio de próxima generación (Beyond 3G). Los estudios realizados parten de la premisa de que el transmisor conoce (parcialmente) el estado del canal a la vez que se considera que la transmisión se realiza sobre un sistema de transmisión multiportadora con múltiple antenas en el transmisor y el receptor. La tesis se centra sobre dos líneas de investigación, la primera para casos de una única antena en cada lado del enlace, y la segunda en caso de múltiples antenas en cada lado. Para el caso de una única antena en el transmisor y en el receptor, se ha desarrollado un nuevo esquema de asignación de los recursos radio así como de priorización de los paquetes de datos (scheduling) integrando ambas funciones sobre una misma entidad (cross-layer). El esquema propuesto tiene como principal característica su bajo coste computacional a la vez que se puede aplicar en caso de transmisiones multimedia. Posteriores mejoras realizadas por el autor sobre el esquema propuesto han permitido también reducir los requisitos de señalización así como combinar de forma óptima usuarios de alta y baja movilidad. Por otro lado, en caso de enlaces con múltiples antenas en transmisión y recepción, se presenta un nuevo esquema de adaptación en el cual se combina la selección de la(s) antena(s) transmisora(s) con la selección del esquema de codificación espacio-(frecuencia-) tiempo. Para finalizar, se dan una serie de recomendaciones con el objetivo de combinar ambas líneas de investigación, así como un estado del arte de las técnicas propuestas por otros autores que combinan en parte la gestión de los recursos radio y los esquemas de transmisión con múltiples antenas.In Broadband Wireless Access systems the efficient use of the resources is crucial from many points of views. From the operator point of view, the bandwidth is a scarce, valuable, and expensive resource which must be exploited in an efficient manner while the Quality of Service (QoS) provided to the users is guaranteed. On the other hand, a tight delay and link quality constraints are imposed on each data flow hence the user experiences the same quality as in fixed networks. During the last few years many techniques have been developed in order to increase the spectral efficiency and the throughput. Among them, the use of multiple antennas at the transmitter and the receiver (exploiting spatial multiplexing) with the joint optimization of the medium access control layer and the physical layer parameters.In this Ph.D. thesis, different adaptive techniques for B3G multicarrier wireless systems are developed and proposed focusing on the SS-MC-MA and the OFDM(A) (IEEE 802.16a/e/m standards) communication schemes. The research lines emphasize into the adaptation of the transmission having (Partial) knowledge of the Channel State Information for both; single antenna and multiple antenna links. For single antenna links, the implementation of a joint resource allocation and scheduling strategy by including adaptive modulation and coding is investigated. A low complexity resource allocation and scheduling algorithm is proposed with the objective to cope with real- and/or non-real- time requirements and constraints. A special attention is also devoted in reducing the required signalling. However, for multiple antenna links, the performance of a proposed adaptive transmit antenna selection scheme jointly with space-time block coding selection is investigated and compared with conventional structures. In this research line, mainly two optimizations criteria are proposed for spatial link adaptation, one based on the minimum error rate for fixed throughput, and the second focused on the maximisation of the rate for fixed error rate. Finally, some indications are given on how to include the spatial adaptation into the investigated and proposed resource allocation and scheduling process developed for single antenna transmission

Impact of the Alamouti diversity technique on a CDMA platform

Projecte de final de carrera realitzat en col.laboració amb Beijing Institute of TechnologyThis thesis is based on the study of the BER in link level of a cellular CDMA platform developed by Wireless Reserch Group of BIT. For that, and firstly, we have focused on the theory relative to the spread spectrum communications systems. Later, and taking into account that the main goal of the thesis is the empirical comprovation of the improvements introduced by Alamouti technique in the platform, general review of diversity fundamentals are also given, plus a detailed discussion about the Alamouti technique. This first part of the thesis corresponds to the revision of all this concepts, papers and literature, hence it has theoretic orientation.On the other hand, and much more practical, we have built an Alamouti transmiter/receiver using the RUNE toolbox of Matlab. This implementation, whose details and characteristics can be consulted later on, has the goal to show, in the most clearly way, the impact of using the Alamouti technique in the link level performance. Such impact will be obtained from several simulations under some differents settings, whose results will be presented and analized in detail. We will elaborate a set of final conclusions as wel