FlexCore: Massively Parallel and Flexible Processing for Large MIMO Access Points

Large MIMO base stations remain among wireless network designers’ best tools for increasing wireless throughput while serving many clients, but current system designs, sacrifice throughput with simple linear MIMO detection algorithms. Higher-performance detection techniques are known, but remain off the table because these systems parallelize their computation at the level of a whole OFDM subcarrier, sufficing only for the less demanding linear detection approaches they opt for. This paper presents FlexCore, the first computational architecture capable of parallelizing the detection of large numbers of mutually-interfering information streams at a granularity below individual OFDM subcarriers, in a nearly-embarrassingly parallel manner while utilizing any number of available processing elements. For 12 clients sending 64-QAM symbols to a 12-antenna base station, our WARP testbed evaluation shows similar network throughput to the state-of-the-art while using an order of magnitude fewer processing elements. For the same scenario, our combined WARP-GPU testbed evaluation demonstrates a 19x computational speedup, with 97% increased energy efficiency when compared with the state of the art. Finally, for the same scenario, an FPGA-based comparison between FlexCore and the state of the art shows that FlexCore can achieve up to 96% better energy efficiency, and can offer up to 32x the processing throughput

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

A Primer on MIMO Detection Algorithms for 5G Communication Network

In the recent past, demand for large use of mobile data has increased tremendously due to the proliferation of hand held devices which allows millions of people access to video streaming, VOIP and other internet related usage including machine to machine (M2M) communication. One of the anticipated attribute of the fifth generation (5G) network is its ability to meet this humongous data rate requirement in the order of 10s Gbps. A particular promising technology that can provide this desired performance if used in the 5G network is the massive multiple-input, multiple-output otherwise called the Massive MIMO. The use of massive MIMO in 5G cellular network where data rate of the order of 100x that of the current state of the art LTE-A is expected and high spectral efficiency with very low latency and low energy consumption, present a challenge in symbol/signal detection and parameter estimation as a result of the high dimension of the antenna elements required. One of the major bottlenecks in achieving the benefits of such massive MIMO systems is the problem of achieving detectors with realistic low complexity for such huge systems. We therefore review various MIMO detection algorithms aiming for low computational complexity with high performance and that scales well with increase in transmit antennas suitable for massive MIMO systems. We evaluate detection algorithms for small and medium dimension MIMO as well as a combination of some of them in order to achieve our above objectives. The review shows no single one detector can be said to be ideal for massive MIMO and that the low complexity with optimal performance detector suitable for 5G massive MIMO system is still an open research issue. A comprehensive review of such detection algorithms for massive MIMO was not presented in the literature which was achieved in this work

Hybrid solutions to instantaneous MIMO blind separation and decoding: narrowband, QAM and square cases

Future wireless communication systems are desired to support high data rates and high quality transmission when considering the growing multimedia applications. Increasing the channel throughput leads to the multiple input and multiple output and blind equalization techniques in recent years. Thereby blind MIMO equalization has attracted a great interest.Both system performance and computational complexities play important roles in real time communications. Reducing the computational load and providing accurate performances are the main challenges in present systems. In this thesis, a hybrid method which can provide an affordable complexity with good performance for Blind Equalization in large constellation MIMO systems is proposed first. Saving computational cost happens both in the signal sep- aration part and in signal detection part. First, based on Quadrature amplitude modulation signal characteristics, an efficient and simple nonlinear function for the Independent Compo- nent Analysis is introduced. Second, using the idea of the sphere decoding, we choose the soft information of channels in a sphere, and overcome the so- called curse of dimensionality of the Expectation Maximization (EM) algorithm and enhance the final results simultaneously. Mathematically, we demonstrate in the digital communication cases, the EM algorithm shows Newton -like convergence.Despite the widespread use of forward -error coding (FEC), most multiple input multiple output (MIMO) blind channel estimation techniques ignore its presence, and instead make the sim- plifying assumption that the transmitted symbols are uncoded. However, FEC induces code structure in the transmitted sequence that can be exploited to improve blind MIMO channel estimates. In final part of this work, we exploit the iterative channel estimation and decoding performance for blind MIMO equalization. Experiments show the improvements achievable by exploiting the existence of coding structures and that it can access the performance of a BCJR equalizer with perfect channel information in a reasonable SNR range. All results are confirmed experimentally for the example of blind equalization in block fading MIMO systems

Symbol by Symbol Soft-Input Soft-Output Multiuser Detection for Frequency Selective Mimo Channels

We introduce a symbol by symbol, soft-input soft-output (SISO) multiuser detector for frequency selective multiple-input multiple-output (MIMO) channels. The basic principle of this algorithm is to extract a posteriori probabilities (APPs) of all interfering symbols at each symbol interval and then feed these updated APPs as a priori probabilities (apPs) for joint APP extraction in the next symbol interval. Unlike nearoptimal block oriented sphere decoding (SD) and soft decision equalization (SDE), the computational complexity of this updating APP (UA) algorithm is linear in the number of symbols but the exponential computational load of optimal joint APP extraction makes the basic UA impractical. To decrease computations we replace the optimal joint APP extractor by a groupwise SISO multiuser detector with a soft sphere decoding core. The resulting reduced complexity updating APP (RCUA) equalizer is flexible in different situations and outperforms the traditional sub-optimal MMSE-DFE without increasing the computational costs substantially