Low-complexity iterative receiver algorithms for multiple-input multiple-output underwater wireless communications

This dissertation proposes three low-complexity iterative receiver algorithms for multiple-input multiple-output (MIMO) underwater acoustic (UWA) communications. First is a bidirectional soft-decision feedback Turbo equalizer (Bi-SDFE) which harvests the time-reverse diversity in severe multipath MIMO channels. The Bi-SDFE outperforms the original soft-decision feedback Turbo equalizer (SDFE) while keeping its total computational complexity similar to that of the SDFE. Second, this dissertation proposes an efficient direct adaptation Turbo equalizer for MIMO UWA communications. Benefiting from the usage of soft-decision reference symbols for parameter adaptation as well as the iterative processing inside the adaptive equalizer, the proposed algorithm is efficient in four aspects: robust performance in tough channels, high spectral efficiency with short training overhead, time efficient with fast convergence and low complexity in hardware implementation. Third, a frequency-domain soft-decision block iterative equalizer combined with iterative channel estimation is proposed for the uncoded single carrier MIMO systems with high data efficiency. All the three new algorithms are evaluated by data recorded in real world ocean experiment or pool experiment. Finally, this dissertation also compares several Turbo equalizers in single-input single-output (SISO) UWA channels. Experimental results show that the channel estimation based Turbo equalizers are robust in SISO underwater transmission under harsh channel conditions --Abstract, page iv

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

Soft-Decision-Driven Sparse Channel Estimation and Turbo Equalization for MIMO Underwater Acoustic Communications

Multi-input multi-output (MIMO) detection based on turbo principle has been shown to provide a great enhancement in the throughput and reliability of underwater acoustic (UWA) communication systems. Benefits of the iterative detection in MIMO systems, however, can be obtained only when a high quality channel estimation is ensured. In this paper, we develop a new soft-decision-driven sparse channel estimation and turbo equalization scheme in the triply selective MIMO UWA. First, the Homotopy recursive least square dichotomous coordinate descent (Homotopy RLS-DCD) adaptive algorithm, recently proposed for sparse single-input single-output system identification, is extended to adaptively estimate rapid time-varying MIMO sparse channels. Next, the more reliable a posteriori soft-decision symbols, instead of the hard decision symbols or the a priori soft-decision symbols, at the equalizer output, are not only feedback to the Homotopy RLS-DCD-based channel estimator but also to the minimum mean-square-error (MMSE) equalizer. As the turbo iterations progress, the accuracy of channel estimation and the quality of the MMSE equalizer are improved gradually, leading to the enhancement in the turbo equalization performance. This also allows the reduction in pilot overhead. The proposed receiver has been tested by using the data collected from the SHLake2013 experiment. The performance of the receiver is evaluated for various modulation schemes, channel estimators, and MIMO sizes. Experimental results demonstrate that the proposed a posteriori soft-decision-driven sparse channel estimation based on the Homotopy RLS-DCD algorithm and turbo equalization offer considerable improvement in system performance over other turbo equalization schemes

Robust frequency-domain turbo equalization for multiple-input multiple-output (MIMO) wireless communications

This dissertation investigates single carrier frequency-domain equalization (SC-FDE) with multiple-input multiple-output (MIMO) channels for radio frequency (RF) and underwater acoustic (UWA) wireless communications. It consists of five papers, selected from a total of 13 publications. Each paper focuses on a specific technical challenge of the SC-FDE MIMO system. The first paper proposes an improved frequency-domain channel estimation method based on interpolation to track fast time-varying fading channels using a small amount of training symbols in a large data block. The second paper addresses the carrier frequency offset (CFO) problem using a new group-wise phase estimation and compensation algorithm to combat phase distortion caused by CFOs, rather than to explicitly estimate the CFOs. The third paper incorporates layered frequency-domain equalization with the phase correction algorithm to combat the fast phase rotation in coherent communications. In the fourth paper, the frequency-domain equalization combined with the turbo principle and soft successive interference cancelation (SSIC) is proposed to further improve the bit error rate (BER) performance of UWA communications. In the fifth paper, a bandwidth-efficient SC-FDE scheme incorporating decision-directed channel estimation is proposed for UWA MIMO communication systems. The proposed algorithms are tested by extensive computer simulations and real ocean experiment data. The results demonstrate significant performance improvements in four aspects: improved channel tracking, reduced BER, reduced computational complexity, and enhanced data efficiency --Abstract, page iv

Performance Trade-off Investigation of B-IFDMA

A performance trade-off investigation is carried out between different possible uplink multiple access schemes, that are based on Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM), for International Mobile Telecommunication (IMT) Advanced systems. Between the Discrete Fourier Transform (DFT) precoded systems with different subcarrier allocation mappings and systems lacking DFT-precoders, Block Interleaved Frequency Division Multiple Access (B-IFDMA) is shown to provide a good trade-off between the frequency diversity collected, envelope properties achieved, and channel estimation performance compared to the other mapping schemes. The schemes are analyzed in the presence of the different possible modules which include equalizers, modulators, interleavers, and channel codes. In particular, robust codes such as Turbo codes are able to collect the diversity provided by such schemes, and B-IFDMA systems is shown to be able to beat the other systems in bit error rate (BER) performance terms

Review of Recent Trends

This work was partially supported by the European Regional Development Fund (FEDER), through the Regional Operational Programme of Centre (CENTRO 2020) of the Portugal 2020 framework, through projects SOCA (CENTRO-01-0145-FEDER-000010) and ORCIP (CENTRO-01-0145-FEDER-022141). Fernando P. Guiomar acknowledges a fellowship from “la Caixa” Foundation (ID100010434), code LCF/BQ/PR20/11770015. Houda Harkat acknowledges the financial support of the Programmatic Financing of the CTS R&D Unit (UIDP/00066/2020).MIMO-OFDM is a key technology and a strong candidate for 5G telecommunication systems. In the literature, there is no convenient survey study that rounds up all the necessary points to be investigated concerning such systems. The current deeper review paper inspects and interprets the state of the art and addresses several research axes related to MIMO-OFDM systems. Two topics have received special attention: MIMO waveforms and MIMO-OFDM channel estimation. The existing MIMO hardware and software innovations, in addition to the MIMO-OFDM equalization techniques, are discussed concisely. In the literature, only a few authors have discussed the MIMO channel estimation and modeling problems for a variety of MIMO systems. However, to the best of our knowledge, there has been until now no review paper specifically discussing the recent works concerning channel estimation and the equalization process for MIMO-OFDM systems. Hence, the current work focuses on analyzing the recently used algorithms in the field, which could be a rich reference for researchers. Moreover, some research perspectives are identified.publishersversionpublishe