Low-complexity iterative frequency domain decision feedback equalization

Single-carrier transmission with frequency domain equalization (SC-FDE) offers a viable design alternative to the classic orthogonal frequency division multiplexing technique. However, SC-FDE using a linear equalizer may suffer from serious performance deterioration for transmission over severely frequency-selective fading channels. An effective method of solving this problem is to introduce non-linear decision feedback equalization (DFE) to SC-FDE. In this contribution, a low complexity iterative decision feedback equalizer operating in the frequency domain of single-carrier systems is proposed. Based on the minimum mean square error criterion, a simplified parameter estimation method is introduced to calculate the coefficients of the feed-forward and feedback filters, which significantly reduces the implementation complexity of the equalizer. Simulation results show that the performance of the proposed simplified design is similar to the traditional iterative block DFE under various multipath fading channels but it imposes a much lower complexity than the latter

Limiting Performance of Conventional and Widely Linear DFT-precoded-OFDM Receivers in Wideband Frequency Selective Channels

This paper describes the limiting behavior of linear and decision feedback equalizers (DFEs) in single/multiple antenna systems employing real/complex-valued modulation alphabets. The wideband frequency selective channel is modeled using a Rayleigh fading channel model with infinite number of time domain channel taps. Using this model, we show that the considered equalizers offer a fixed post signal-to-noise-ratio (post-SNR) at the equalizer output that is close to the matched filter bound (MFB). General expressions for the post-SNR are obtained for zero-forcing (ZF) based conventional receivers as well as for the case of receivers employing widely linear (WL) processing. Simulation is used to study the bit error rate (BER) performance of both MMSE and ZF based receivers. Results show that the considered receivers advantageously exploit the rich frequency selective channel to mitigate both fading and inter-symbol-interference (ISI) while offering a performance comparable to the MFB

Cyclic-Coded Integer-Forcing Equalization

A discrete-time intersymbol interference channel with additive Gaussian noise is considered, where only the receiver has knowledge of the channel impulse response. An approach for combining decision-feedback equalization with channel coding is proposed, where decoding precedes the removal of intersymbol interference. This is accomplished by combining the recently proposed integer-forcing equalization approach with cyclic block codes. The channel impulse response is linearly equalized to an integer-valued response. This is then utilized by leveraging the property that a cyclic code is closed under (cyclic) integer-valued convolution. Explicit bounds on the performance of the proposed scheme are also derived

Interference-aware iterative block decision feedback equalizer for single-carrier transmission

The deployment of increasingly dense heterogeneous mobile networks can create high levels of interference among users that, combined with severely time-dispersive channels, can result in substantial performance degradation. To cope with both effects, in this paper, we propose an iterative block decision feedback equalizer (IBDFE) for single carrier (SC) transmissions that makes use of the correlation between the interference in the receiving antennas and minimizes the mean squared error (MSE) of the detected symbols. Our analytic and simulated performance results show that the proposed receiver can clearly outperform the conventional IBDFE and the linear interference rejection combining (IRC) detector in severely time-dispersive channels with strong cochannel interference.info:eu-repo/semantics/acceptedVersio

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

doi:10.1155/2011/614571 Research Article MMSE Beamforming for SC-FDMA Transmission over

which permits unrestricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. We consider transmit beamforming for single-carrier frequency-division multiple access (SC-FDMA) transmission over frequency-selective multiple-input multiple-output (MIMO) channels. The beamforming filters are optimized for minimization of the sum of the mean-squared errors (MSEs) of the transmitted data streams after MIMO minimum mean-squared error linear equalization (MMSE-LE), and for minimization of the product of the MSEs after MIMO MMSE decision-feedback equalization (MMSE-DFE), respectively. We prove that for SC-FDMA transmission in both cases eigenbeamforming, diagonalizing the overall channel, together with a nonuniform power distribution is the optimum beamforming strategy. The optimum power allocation derived for MMSE-LE is similar in spirit to classical results for the optimum continuous-time transmit filter for linear modulation formats obtained by Berger/Tufts and Yang/Roy, whereas for MMSE-DFE the capacity achieving waterfilling strategy well known from conventional single-carrier transmission schemes is obtained. Moreover, we present a modification of the beamformer design to mitigate an increase of the peak-to-average power ratio (PAPR) which is in general associated with beamforming. Simulation results demonstrate the high performance of the proposed beamforming algorithms. 1

Interference Alignment Techniques for Multi-User MIMO Systems at Millimeter-Wave

In this work a review of the state-of-the-art of modern multi-user MIMO systems is given, presenting various algorithms that use interference alignment techniques to allocate multiple users over the same physical channel. In particular, the performance achieved with these methods over the millimeter-wave channel are evaluated. Finally, the work is completed with the description of a novel frequency domain non-linear equalizer for wideband channel