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

Optimisation of relay placement in wireless butterfly networks

As a typical model of multicast network, wireless butterfly networks (WBNs) have been studied for modelling the scenario when two source nodes wish to convey data to two destination nodes via an intermediary node namely relay node. In the context of wireless communications, when receiving two data packets from the two source nodes, the relay node can employ either physical-layer network coding or analogue network coding on the combined packet prior to forwarding to the two destination nodes. Evaluating the energy efficiency of these combination approaches, energy-delay trade-off (EDT) is worth to be investigated and the relay placement should be taken into account in the practical network design. This chapter will first investigate the EDT of network coding in the WBNs. Based on the derived EDT, algorithms that optimize the relay position will be developed to either minimize the transmission delay or minimize the energy consumption subject to constraints on power allocation and location of nodes. Furthermore, considering an extended model of the WBN, the relay placement will be studied for a general wireless multicast network with multiple source, relay and destination nodes

High capacity multiuser multiantenna communication techniques

One of the main issues involved in the development of future wireless communication systems is the multiple access technique used to efficiently share the available spectrum among users. In rich multipath environment, spatial dimension can be exploited to meet the increasing number of users and their demands without consuming extra bandwidth and power. Therefore, it is utilized in the multiple-input multiple-output (MIMO) technology to increase the spectral efficiency significantly. However, multiuser MIMO (MU-MIMO) systems are still challenging to be widely adopted in next generation standards. In this thesis, new techniques are proposed to increase the channel and user capacity and improve the error performance of MU-MIMO over Rayleigh fading channel environment. For realistic system design and performance evaluation, channel correlation is considered as one of the main channel impurities due its severe influence on capacity and reliability. Two simple methods called generalized successive coloring technique (GSCT) and generalized iterative coloring technique (GICT) are proposed for accurate generation of correlated Rayleigh fading channels (CRFC). They are designed to overcome the shortcomings of existing methods by avoiding factorization of desired covariance matrix of the Gaussian samples. The superiority of these techniques is demonstrated by extensive simulations of different practical system scenarios. To mitigate the effects of channel correlations, a novel constellation constrained MU-MIMO (CC-MU-MIMO) scheme is proposed using transmit signal design and maximum likelihood joint detection (MLJD) at the receiver. It is designed to maximize the channel capacity and error performance based on principles of maximizing the minimum Euclidean distance (dmin) of composite received signals. Two signal design methods named as unequal power allocation (UPA) and rotation constellation (RC) are utilized to resolve the detection ambiguity caused by correlation. Extensive analysis and simulations demonstrate the effectiveness of considered scheme compared with conventional MU-MIMO. Furthermore, significant gain in SNR is achieved particularly in moderate to high correlations which have direct impact to maintain high user capacity. A new efficient receive antenna selection (RAS) technique referred to as phase difference based selection (PDBS) is proposed for single and multiuser MIMO systems to maximize the capacity over CRFC. It utilizes the received signal constellation to select the subset of antennas with highest (dmin) constellations due to its direct impact on the capacity and BER performance. A low complexity algorithm is designed by employing the Euclidean norm of channel matrix rows with their corresponding phase differences. Capacity analysis and simulation results show that PDBS outperforms norm based selection (NBS) and near to optimal selection (OS) for all correlation and SNR values. This technique provides fast RAS to capture most of the gains promised by multiantenna systems over different channel conditions. Finally, novel group layered MU-MIMO (GL-MU-MIMO) scheme is introduced to exploit the available spectrum for higher user capacity with affordable complexity. It takes the advantages of spatial difference among users and power control at base station to increase the number of users beyond the available number of RF chains. It is achieved by dividing the users into two groups according to their received power, high power group (HPG) and low power group (LPG). Different configurations of low complexity group layered multiuser detection (GL-MUD) and group power allocation ratio (η) are utilized to provide a valuable tradeoff between complexity and overall system performance. Furthermore, RAS diversity is incorporated by using NBS and a new selection algorithm called HPG-PDBS to increase the channel capacity and enhance the error performance. Extensive analysis and simulations demonstrate the superiority of proposed scheme compared with conventional MU-MIMO. By using appropriate value of (η), it shows higher sum rate capacity and substantial increase in the user capacity up to two-fold at target BER and SNR values

Transmit and receive techniques for MIMO-OFDM systems

Ph.DDOCTOR OF PHILOSOPH

Cognitive Radio Systems

Cognitive radio is a hot research area for future wireless communications in the recent years. In order to increase the spectrum utilization, cognitive radio makes it possible for unlicensed users to access the spectrum unoccupied by licensed users. Cognitive radio let the equipments more intelligent to communicate with each other in a spectrum-aware manner and provide a new approach for the co-existence of multiple wireless systems. The goal of this book is to provide highlights of the current research topics in the field of cognitive radio systems. The book consists of 17 chapters, addressing various problems in cognitive radio systems

Industrial Wireless Sensor Networks

Wireless sensor networks are penetrating our daily lives, and they are starting to be deployed even in an industrial environment. The research on such industrial wireless sensor networks (IWSNs) considers more stringent requirements of robustness, reliability, and timeliness in each network layer. This Special Issue presents the recent research result on industrial wireless sensor networks. Each paper in this Special Issue has unique contributions in the advancements of industrial wireless sensor network research and we expect each paper to promote the relevant research and the deployment of IWSNs