Max-Min SINR in Large-Scale Single-Cell MU-MIMO: Asymptotic Analysis and Low Complexity Transceivers

This work focuses on the downlink and uplink of large-scale single-cell MU-MIMO systems in which the base station (BS) endowed with $M$ antennas communicates with $K$ single-antenna user equipments (UEs). Particularly, we aim at reducing the complexity of the linear precoder and receiver that maximize the minimum signal-to-interference-plus-noise ratio subject to a given power constraint. To this end, we consider the asymptotic regime in which $M$ and $K$ grow large with a given ratio. Tools from random matrix theory (RMT) are then used to compute, in closed form, accurate approximations for the parameters of the optimal precoder and receiver, when imperfect channel state information (modeled by the generic Gauss-Markov formulation form) is available at the BS. The asymptotic analysis allows us to derive the asymptotically optimal linear precoder and receiver that are characterized by a lower complexity (due to the dependence on the large scale components of the channel) and, possibly, by a better resilience to imperfect channel state information. However, the implementation of both is still challenging as it requires fast inversions of large matrices in every coherence period. To overcome this issue, we apply the truncated polynomial expansion (TPE) technique to the precoding and receiving vector of each UE and make use of RMT to determine the optimal weighting coefficients on a per-UE basis that asymptotically solve the max-min SINR problem. Numerical results are used to validate the asymptotic analysis in the finite system regime and to show that the proposed TPE transceivers efficiently mimic the optimal ones, while requiring much lower computational complexity.Comment: 13 pages, 4 figures, submitted to IEEE Transactions on Signal Processin

Fluctuations of an improved population eigenvalue estimator in sample covariance matrix models

This article provides a central limit theorem for a consistent estimator of population eigenvalues with large multiplicities based on sample covariance matrices. The focus is on limited sample size situations, whereby the number of available observations is known and comparable in magnitude to the observation dimension. An exact expression as well as an empirical, asymptotically accurate, approximation of the limiting variance is derived. Simulations are performed that corroborate the theoretical claims. A specific application to wireless sensor networks is developed.Comment: 30 p

On the precoder design of flat fading MIMO systems equipped with MMSE receivers: a large system approach

This paper is devoted to the design of precoders maximizing the ergodic mutual information (EMI) of bi-correlated flat fading MIMO systems equiped with MMSE receivers. The channel state information and the second order statistics of the channel are assumed available at the receiver side and at the transmitter side respectively. As the direct maximization of the EMI needs the use of non attractive algorithms, it is proposed to optimize an approximation of the EMI, introduced recently, obtained when the number of transmit and receive antennas $t$ and $r$ converge to $\infty$ at the same rate. It is established that the relative error between the actual EMI and its approximation is a $O(\frac{1}{t^{2}})$ term. It is shown that the left singular eigenvectors of the optimum precoder coincide with the eigenvectors of the transmit covariance matrix, and its singular values are solution of a certain maximization problem. Numerical experiments show that the mutual information provided by this precoder is close from what is obtained by maximizing the true EMI, but that the algorithm maximizing the approximation is much less computationally intensive.Comment: Submitted to IEEE Transactions on Information Theor

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