Non-linearized amplifier and advanced mitigation techniques: DVB-S2X spectral efficiency improvement

The latest standardization DVB-S2X increases the achievable spectral efficiency of the satellite communications by around 15% in AWGN channel. In order to benefit from those improvements, the strong non-linear distortions introduced by the payload have to be overcome, mostly taking high back-off on the amplifier operation point. Nowadays, on- board amplifiers are linearized before being deployed, allowing low-complexity transmitters and receivers at the detriment of the payload's cost and reduced energy efficiency. In this paper, various techniques are investigated for the purpose of spectral efficiency improvement while releasing the amplifier linearization constraint. Iterative pre-distortion at the transmitter, turbo- equalization at the receiver and appropriate waveforms for transmission through non-linearized payload appear as strong candidates considering the results of this study

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 compressed sensing approach to block-iterative equalization: connections and applications to radar imaging reconstruction

The widespread of underdetermined systems has brought forth a variety of new algorithmic solutions, which capitalize on the Compressed Sensing (CS) of sparse data. While well known greedy or iterative threshold type of CS recursions take the form of an adaptive filter followed by a proximal operator, this is no different in spirit from the role of block iterative decision-feedback equalizers (BI-DFE), where structure is roughly exploited by the signal constellation slicer. By taking advantage of the intrinsic sparsity of signal modulations in a communications scenario, the concept of interblock interference (IBI) can be approached more cunningly in light of CS concepts, whereby the optimal feedback of detected symbols is devised adaptively. The new DFE takes the form of a more efficient re-estimation scheme, proposed under recursive-least-squares based adaptations. Whenever suitable, these recursions are derived under a reduced-complexity, widely-linear formulation, which further reduces the minimum-mean-square-error (MMSE) in comparison with traditional strictly-linear approaches. Besides maximizing system throughput, the new algorithms exhibit significantly higher performance when compared to existing methods. Our reasoning will also show that a properly formulated BI-DFE turns out to be a powerful CS algorithm itself. A new algorithm, referred to as CS-Block DFE (CS-BDFE) exhibits improved convergence and detection when compared to first order methods, thus outperforming the state-of-the-art Complex Approximate Message Passing (CAMP) recursions. The merits of the new recursions are illustrated under a novel 3D MIMO Radar formulation, where the CAMP algorithm is shown to fail with respect to important performance measures.A proliferação de sistemas sub-determinados trouxe a tona uma gama de novas soluções algorítmicas, baseadas no sensoriamento compressivo (CS) de dados esparsos. As recursões do tipo greedy e de limitação iterativa para CS se apresentam comumente como um filtro adaptativo seguido de um operador proximal, não muito diferente dos equalizadores de realimentação de decisão iterativos em blocos (BI-DFE), em que um decisor explora a estrutura do sinal de constelação. A partir da esparsidade intrínseca presente na modulação de sinais no contexto de comunicações, a interferência entre blocos (IBI) pode ser abordada utilizando-se o conceito de CS, onde a realimentação ótima de símbolos detectados é realizada de forma adaptativa. O novo DFE se apresenta como um esquema mais eficiente de reestimação, baseado na atualização por mínimos quadrados recursivos (RLS). Sempre que possível estas recursões são propostas via formulação linear no sentido amplo, o que reduz ainda mais o erro médio quadrático mínimo (MMSE) em comparação com abordagens tradicionais. Além de maximizar a taxa de transferência de informação, o novo algoritmo exibe um desempenho significativamente superior quando comparado aos métodos existentes. Também mostraremos que um equalizador BI-DFE formulado adequadamente se torna um poderoso algoritmo de CS. O novo algoritmo CS-BDFE apresenta convergência e detecção aprimoradas, quando comparado a métodos de primeira ordem, superando as recursões de Passagem de Mensagem Aproximada para Complexos (CAMP). Os méritos das novas recursões são ilustrados através de um modelo tridimensional para radares MIMO recentemente proposto, onde o algoritmo CAMP falha em aspectos importantes de medidas de desempenho

Efficient FFT-based Circulant Embedding Method and Subspace Algorithms for Wideband Single-carrier Equalization

In single-carrier transmission systems, wider bandwidth allows higher data rate by transmitting narrower pulses. For wireless applications, however, this means that the effective channel response is longer and the number of significant taps increases. This results in higher computational burden at the receiver. In this paper, we first review some well-known equalization methods and their shortcomings. Then we will propose the use of the circulant embedding method and the CG algorithm as efficient equalizers that are specifically well suited in dealing with long delay spread channels. These methods take advantage of the low computational complexity of the FFT algorithm, resulting in the same overall computational complexity of N log(N). Furthermore, when the CG algorithm is used correctly, it may perform better than the MMSE equalizer at a much lower cos

New Iterative Frequency-Domain Detectors for IA-Precoded MC-CDMA Systems

The aim of this paper is to design new multi-user receivers based on the iterative block decision feedback equalization concept for MC-CDMA systems with closed-form interference alignment (IA) at the transmitted side. IA is a promising technique that allows high capacity gains in interfering channels. On the other hand, iterative frequency-domain detection receivers based on the IB-DFE concept can efficiently exploit the inherent space-frequency diversity of the MIMO MC-CDMA systems. In IA-precoded based systems the spatial streams are usually separated by using a standard linear MMSE equalizer. However, for MC-CDMA based systems, linear equalization is not the most efficient way of separating spatial streams due to the residual inter-carrier interference (ICI). Therefore, we design new non-linear iterative receiver structures to efficiently remove the aligned interference and separate the spatial streams in presence of residual ICI. Two strategies are considered: in the first one the equalizer matrices are obtained by minimizing the mean square error (MSE) of each individual data stream at each subcarrier, while in the second approach the matrices are computed by minimizing the overall MSE of all data streams at each subcarrier. We also propose an accurate analytical approach for obtaining the performance of the proposed receivers. Our schemes achieve the maximum degrees of freedom provided by the IA precoding, while allowing close-to-optimum space-diversity gain, with performance approaching the matched filter bound

Turbo equalization for multiple-input multiple-output (MIMO) wireless communication systems

This dissertation investigates both of the frequency domain and time domain turbo equalization with multiple-input multiple-output (MIMO) fading channels for radio frequency and underwater acoustic communications. First, a low complexity frequency domain turbo equalization (FDTE) is proposed for the MIMO systems with zero padding (ZP) or cyclic prefix (CP) inserted between the transmitted data blocks and its performance is tested on the real-world UWA communications experiments. Second, as high speed communication system requires efficient bandwidth usage and power consumption, CP or ZP is not transmitted as auxiliary information. An inter-block interference cancelation and CP reconstruction algorithm is developed to re-arrange the channel matrix into a block diagonal one. This improvement makes the FDTE effectively detects the continuous data stream from the high speed UWA communications and its performance has been verified by processing data collected from the UWA communications experiment. Finally, a low complexity soft interference cancelation (SIC) time domain turbo equalizer for MIMO systems with high level modulation is proposed. Compared with the conventional linear or nonlinear turbo equalizers, the proposed SIC turbo equalizer can theoretically reach the bound set up by the ideal match filter and its bit error rate (BER) performance from Monte Carlo simulation achieves a lower error floor as well as a more rapid convergence speed. --Abstract, page iv

Formes d'ondes avancées et traitements itératifs pour les canaux non linéaires satellites

L'augmentation de l'efficacité spectrale des transmissions mono-porteuses sur un lien de diffusion par satellite est devenu un défi d'envergure afin de pallier la demande croissante en débits de transmission. Si des techniques émergentes de transmissions encouragent l'utilisation de modulations à ordre élevé telles que les modulations de phase et d'amplitude (APSK), certaines dégradations sont encourues lors du traitement à bord du satellite. En effet, en raison de l'utilisation d'amplificateurs de puissance ainsi que de filtres à mémoires, les modulations d'ordre élevé subissent des distorsions non-linéaires dues à la fluctuation de leur enveloppe, ce qui nécessite des traitements au sein de l'émetteur ou bien au sein du récepteur. Dans cette thèse, nous nous intéressons au traitement de l'interférence non-linéaire au sein du récepteur, avec une attention particulière aux égaliseurs itératifs qui améliorent les performances du système au prix d'une complexité élevée. A partir du modèle temporel des interférences non-linéaires induites par l'amplificateur de puissance, des algorithmes de réception optimaux et sous optimaux sont dérivés, et leurs performances comparées. Des égaliseurs à complexité réduite sont aussi étudiés dans le but d'atteindre un compromis performances-complexité satisfaisant. Ensuite, un modèle des non-linéarités est dérivé dans le domaine fréquentiel, et les égaliseurs correspondants sont présentés. Dans un second temps, nous analysons et dérivons des récepteurs itératifs pour l'interférence entre symboles non linéaire. L'objectif est d'optimiser les polynômes de distributions d'un code externe basé sur les codes de contrôle de parité à faible densité (LDPC) afin de coller au mieux à la sortie de l'égaliseur. Le récepteur ainsi optimisé atteint de meilleures performances comparé à un récepteur non optimisé pour le canal non-linéaire. Finalement, nous nous intéressons à une classe spécifique de techniques de transmissions mono-porteuse basée sur le multiplexage par division de fréquence (SC-OFDM) pour les liens satellites. L'avantage de ces formes d'ondes réside dans l'efficacité de leur égaliseur dans le domaine fréquentiel. Des formules analytiques de la densité spectrale de puissance et du rapport signal sur bruit et interférence sont dérivées et utilisées afin de prédire les performances du système. ABSTRACT : Increasing both the data rate and power efficiency of single carrier transmissions over broadcast satellite links has become a challenging issue to comply with the urging demand of higher transmission rates. If emerging transmission techniques encourage the use of high order modulations such as Amplitude and Phase Shift Keying (APSK) and Quadrature Amplitude Modulation (QAM), some channel impairments arise due to onboard satellite processing. Indeed, due to satellite transponder Power Amplifiers (PA) as well as transmission filters, high order modulations incur non linear distortions due to their high envelope fluctuations which require specific processing either at the transmitter or at the receiver. In this thesis, we investigate on non linear interference mitigation at the receiver with a special focus on iterative equalizers which dramatically enhance the performance at the cost of additional complexity. Based on the time domain model of the non linear interference induced by the PA, optimal and sub-optimal receiving algorithms are proposed and their performance compared. Low complexity implementations are also investigated for the sake of a better complexity-performance trade-off. Then, a non linear frequency domain model is derived and the corresponding frequency equalizers are investigated. In the second part, we analyse and design an iterative receiver for the non linear Inter Symbol Interference (ISI) channel. The objective is to optimize an outer Low Density Parity Check (LDPC) code distribution polynomials so as to best fit the inner equalizer Extrinsic information. The optimized receiver is shown to achieve better performance compared to a code only optimized for linear ISI channel. Finally, we investigate on a specific class of single carrier transmissions relying on Single Carrier Orthogonal Frequency Division Multiplexing (SCO-FDM) for satellite downlink. The advantage of such waveforms lies in their practical receiver implementation in the frequency domain. General analytical formulas of the power spectral density and signal to noise and interference ratio are derived and used to predict the bit error rate for frequency selective multiplexers