Single-RF spatial modulation requires single-carrier transmission: frequency-domain turbo equalization for dispersive channels

In this paper, we propose a broadband single-carrier (SC) spatial-modulation (SM) based multiple-input multipleoutput (MIMO) architecture relying on a soft-decision (SoD) frequency-domain equalization (FDE) receiver. We demonstrate that conventional orthogonal frequency-division multiplexing (OFDM)-based broadband transmissions are not readily suitable for the single–radio frequency (RF) assisted SM-MIMO schemes, since this scheme does not exhibit any substantial performance advantage over single-antenna transmissions. To circumvent this limitation, a low-complexity soft-decision (SoD) FDE algorithm based on the minimum mean-square error (MMSE) criterion is invoked for our broadband SC-based SM-MIMO scheme, which is capable of operating in a strongly dispersive channel having a long channel impulse response (CIR) at a moderate decoding complexity. Furthermore, our SoD FDE attains a near-capacity performance with the aid of a three-stage concatenated SC-based SM architecture

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

Timing and Carrier Synchronization in Wireless Communication Systems: A Survey and Classification of Research in the Last 5 Years

Timing and carrier synchronization is a fundamental requirement for any wireless communication system to work properly. Timing synchronization is the process by which a receiver node determines the correct instants of time at which to sample the incoming signal. Carrier synchronization is the process by which a receiver adapts the frequency and phase of its local carrier oscillator with those of the received signal. In this paper, we survey the literature over the last 5 years (2010–2014) and present a comprehensive literature review and classification of the recent research progress in achieving timing and carrier synchronization in single-input single-output (SISO), multiple-input multiple-output (MIMO), cooperative relaying, and multiuser/multicell interference networks. Considering both single-carrier and multi-carrier communication systems, we survey and categorize the timing and carrier synchronization techniques proposed for the different communication systems focusing on the system model assumptions for synchronization, the synchronization challenges, and the state-of-the-art synchronization solutions and their limitations. Finally, we envision some future research directions

Single- versus Multi-Carrier Terahertz-Band Communications: A Comparative Study

The prospects of utilizing single-carrier (SC) and multi-carrier (MC) waveforms in future terahertz (THz)-band communication systems remain unresolved. On the one hand, the limited multi-path components at high frequencies result in frequency-flat channels that favor low-complexity wideband SC systems. On the other hand, frequency-dependent molecular absorption and transceiver characteristics and the existence of multi-path components in indoor sub-THz systems can still result in frequency-selective channels, favoring off-the-shelf MC schemes such as orthogonal frequency-division multiplexing (OFDM). Variations of SC/MC designs result in different THz spectrum utilization, but spectral efficiency is not the primary concern with substantial available bandwidths; baseband complexity, power efficiency, and hardware impairment constraints are predominant. This paper presents a comprehensive study of SC/MC modulations for THz communications, utilizing an accurate wideband THz channel model and highlighting the various performance and complexity trade-offs of the candidate schemes. Simulations demonstrate that discrete-Fourier-transform spread orthogonal time-frequency space (DFT-s-OTFS) achieves a lower peak-to-average power ratio (PAPR) than OFDM and OTFS and enhances immunity to THz impairments and Doppler spreads, but at an increased complexity cost. Moreover, DFT-s-OFDM is a promising candidate that increases robustness to THz impairments and phase noise (PHN) at a low PAPR and overall complexity.Comment: 18 pages, 12 figures, journa

Simulation framework for multigigabit applications at 60 GHz

This dissertation describes the implementation of a OFDM-based simulation framework for multigigabit applications at 60 GHz band over indoor multipath fading channels. The main goal of the framework is to provide a modular simulation tool designed for high data rate application in order to be easily adapted to a speci c standard or technology, such as 5G. The performance of OFDM using mmWave signals is severely a ected by non-linearities of the RF front-ends. This work analyses the impact of RF impairments in an OFDM system over multipath fading channels at 60 GHz using the proposed simulation framework. The impact of those impairments is evaluated through the metrics of BER, CFR, operation range and PSNR for residential and kiosk scenarios, suggested by the standard for LOS and NLOS. The presented framework allows the employment of 16 QAM or 64 QAM modulation scheme, and the length of the cyclic pre x extension is also con gurable. In order to simulate a realistic multipath fading channel, the proposed framework allows the insertion of a channel impulse response de ned by the user. The channel estimation can be performed either using pilot subcarriers or Golay sequence as channel estimation sequences. Independently of the channel estimation technique selected, frequency domain equalization is available through ZF approach or MMSE. The simulation framework also allows channel coding techniques in order to provide a more robustness transmission and to improve the link budget