Performance Analysis of Iterative Channel Estimation and Multiuser Detection in Multipath DS-CDMA Channels

This paper examines the performance of decision feedback based iterative channel estimation and multiuser detection in channel coded aperiodic DS-CDMA systems operating over multipath fading channels. First, explicit expressions describing the performance of channel estimation and parallel interference cancellation based multiuser detection are developed. These results are then combined to characterize the evolution of the performance of a system that iterates among channel estimation, multiuser detection and channel decoding. Sufficient conditions for convergence of this system to a unique fixed point are developed.Comment: To appear in the IEEE Transactions on Signal Processin

Coded DS-CDMA Systems with Iterative Channel Estimation and no Pilot Symbols

In this paper, we describe direct-sequence code-division multiple-access (DS-CDMA) systems with quadriphase-shift keying in which channel estimation, coherent demodulation, and decoding are iteratively performed without the use of any training or pilot symbols. An expectation-maximization channel-estimation algorithm for the fading amplitude, phase, and the interference power spectral density (PSD) due to the combined interference and thermal noise is proposed for DS-CDMA systems with irregular repeat-accumulate codes. After initial estimates of the fading amplitude, phase, and interference PSD are obtained from the received symbols, subsequent values of these parameters are iteratively updated by using the soft feedback from the channel decoder. The updated estimates are combined with the received symbols and iteratively passed to the decoder. The elimination of pilot symbols simplifies the system design and allows either an enhanced information throughput, an improved bit error rate, or greater spectral efficiency. The interference-PSD estimation enables DS-CDMA systems to significantly suppress interference.Comment: To appear, IEEE Transactions on Wireless Communication

Impact of Channel Estimation Errors on Multiuser Detection via the Replica Method

For practical wireless DS-CDMA systems, channel estimation is imperfect due to noise and interference. In this paper, the impact of channel estimation errors on multiuser detection (MUD) is analyzed under the framework of the replica method. System performance is obtained in the large system limit for optimal MUD, linear MUD and turbo MUD, and is validated by numerical results for finite systems.Comment: To appear in the EURASIP Journal on Wireless Communication and Networking - Special Issue on Advanced Signal Processing Algorithms for Wireless Communication

Large-System Analysis of Joint Channel and Data Estimation for MIMO DS-CDMA Systems

This paper presents a large-system analysis of the performance of joint channel estimation, multiuser detection, and per-user decoding (CE-MUDD) for randomly-spread multiple-input multiple-output (MIMO) direct-sequence code-division multiple-access (DS-CDMA) systems. A suboptimal receiver based on successive decoding in conjunction with linear minimum mean-squared error (LMMSE) channel estimation is investigated. The replica method, developed in statistical mechanics, is used to evaluate the performance in the large-system limit, where the number of users and the spreading factor tend to infinity while their ratio and the number of transmit and receive antennas are kept constant. The performance of the joint CE-MUDD based on LMMSE channel estimation is compared to the spectral efficiencies of several receivers based on one-shot LMMSE channel estimation, in which the decoded data symbols are not utilized to refine the initial channel estimates. The results imply that the use of joint CE-MUDD significantly reduces rate loss due to transmission of pilot signals, especially for multiple-antenna systems. As a result, joint CE-MUDD can provide significant performance gains, compared to the receivers based on one-shot channel estimation.Comment: The paper was resubmitted to IEEE Trans. Inf. Theor

Scaling up MIMO: Opportunities and Challenges with Very Large Arrays

This paper surveys recent advances in the area of very large MIMO systems. With very large MIMO, we think of systems that use antenna arrays with an order of magnitude more elements than in systems being built today, say a hundred antennas or more. Very large MIMO entails an unprecedented number of antennas simultaneously serving a much smaller number of terminals. The disparity in number emerges as a desirable operating condition and a practical one as well. The number of terminals that can be simultaneously served is limited, not by the number of antennas, but rather by our inability to acquire channel-state information for an unlimited number of terminals. Larger numbers of terminals can always be accommodated by combining very large MIMO technology with conventional time- and frequency-division multiplexing via OFDM. Very large MIMO arrays is a new research field both in communication theory, propagation, and electronics and represents a paradigm shift in the way of thinking both with regards to theory, systems and implementation. The ultimate vision of very large MIMO systems is that the antenna array would consist of small active antenna units, plugged into an (optical) fieldbus.Comment: Accepted for publication in the IEEE Signal Processing Magazine, October 201

Interference suppression and diversity for CDMA systems

In code-division multiple-access (CDMA) systems, due to non-orthogonality of the spreading codes and multipath channels, the desired signal suffers interference from other users. Signal fading due to multipath propagation is another source of impairment in wireless CDMA systems, often severely impacting performance. In this dissertation, reduced-rank minimum mean square error (MMSE) receiver and reduced-rank minimum variance receiver are investigated to suppress interference; transmit diversity is applied to multicarrier CDMA (MC-CDMA) systems to combat fading; packet combing is studied to provide both interference suppression and diversity for CDMA random access systems. The reduced-rank MMSE receiver that uses a reduced-rank estimated covariance matrix is studied to improve the performance of MMSE receiver in CDMA systems. It is shown that the reduced-rank MMSE receiver has much better performance than the full-rank MMSE receiver when the covariance matrix is estimated by using a finite number of data samples and the desired signal is in a low dimensional subspace. It is also demonstrated that the reduced-rank minimum variance receiver outperforms the full-rank minimum variance receiver. The probability density function of the output SNR of the full-rank and reduced-rank linear MMSE estimators is derived for a general linear signal model under the assumption that the signals and noise are Gaussian distributed. Space-time coding that is originally proposed for narrow band systems is applied to an MC-CDMA system in order to get transmit diversity for such a wideband system. Some techniques to jointly decode the space-time code and suppress interference are developed. The channel estimation using either pilot channels or pilot symbols is studied for MC-CDMA systems with space-time coding. Performance of CDMA random access systems with packet combining in fading channels is analyzed. By combining the current retransmitted packet with all its previous transmitted copies, the receiver obtains a diversity gain plus an increased interference and noise suppression gain. Therefore, the bit error rate dramatically decreases with the number of transmissions increasing, which in turn improves the system throughput and reduces the average delay

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