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    Approximate MIMO Iterative Processing with Adjustable Complexity Requirements

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    Targeting always the best achievable bit error rate (BER) performance in iterative receivers operating over multiple-input multiple-output (MIMO) channels may result in significant waste of resources, especially when the achievable BER is orders of magnitude better than the target performance (e.g., under good channel conditions and at high signal-to-noise ratio (SNR)). In contrast to the typical iterative schemes, a practical iterative decoding framework that approximates the soft-information exchange is proposed which allows reduced complexity sphere and channel decoding, adjustable to the transmission conditions and the required bit error rate. With the proposed approximate soft information exchange the performance of the exact soft information can still be reached with significant complexity gains.Comment: The final version of this paper appears in IEEE Transactions on Vehicular Technolog

    An Iterative Soft Decision Based LR-Aided MIMO Detector

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    The demand for wireless and high-rate communication system is increasing gradually and multiple-input-multiple-output (MIMO) is one of the feasible solutions to accommodate the growing demand for its spatial multiplexing and diversity gain. However, with high number of antennas, the computational and hardware complexity of MIMO increases exponentially. This accumulating complexity is a paramount problem in MIMO detection system directly leading to large power consumption. Hence, the major focus of this dissertation is algorithmic and hardware development of MIMO decoder with reduced complexity for both real and complex domain, which can be a beneficial solution with power efficiency and high throughput. Both hard and soft domain MIMO detectors are considered. The use of lattice reduction (LR) algorithm and on-demand-child-expansion for the reduction of noise propagation and node calculation respectively are the two of the key features of our developed architecture, presented in this literature. The real domain iterative soft MIMO decoding algorithm, simulated for 4 × 4 MIMO with different modulation scheme, achieves 1.1 to 2.7 dB improvement over Lease Sphere Decoder (LSD) and more than 8x reduction in list size, K as well as complexity of the detector. Next, the iterative real domain K-Best decoder is expanded to the complex domain with new detection scheme. It attains 6.9 to 8.0 dB improvement over real domain K-Best decoder and 1.4 to 2.5 dB better performance over conventional complex decoder for 8 × 8 MIMO with 64 QAM modulation scheme. Besides K, a new adjustable parameter, Rlimit has been introduced in order to append re-configurability trading-off between complexity and performance. After that, a novel low-power hardware architecture of complex decoder is developed for 8 × 8 MIMO and 64 QAM modulation scheme. The total word length of only 16 bits has been adopted limiting the bit error rate (BER) degradation to 0.3 dB with K and Rlimit equal to 4. The proposed VLSI architecture is modeled in Verilog HDL using Xilinx and synthesized using Synopsys Design Vision in 45 nm CMOS technology. According to the synthesize result, it achieves 1090.8 Mbps throughput with power consumption of 580 mW and latency of 0.33 us. The maximum frequency the design proposed is 181.8 MHz. All of the proposed decoders mentioned above are bounded by the fixed K. Hence, an adaptive real domain K-Best decoder is further developed to achieve the similar performance with less K, thereby reducing the computational complexity of the decoder. It does not require accurate SNR measurement to perform the initial estimation of list size, K. Instead, the difference between the first two minimal distances is considered, which inherently eliminates complexity. In summary, a novel iterative K-Best detector for both real and complex domain with efficient VLSI design is proposed in this dissertation. The results from extensive simulation and VHDL with analysis using Synopsys tool are also presented for justification and validation of the proposed works

    An Iterative Soft Decision Based LR-Aided MIMO Detector

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    The demand for wireless and high-rate communication system is increasing gradually and multiple-input-multiple-output (MIMO) is one of the feasible solutions to accommodate the growing demand for its spatial multiplexing and diversity gain. However, with high number of antennas, the computational and hardware complexity of MIMO increases exponentially. This accumulating complexity is a paramount problem in MIMO detection system directly leading to large power consumption. Hence, the major focus of this dissertation is algorithmic and hardware development of MIMO decoder with reduced complexity for both real and complex domain, which can be a beneficial solution with power efficiency and high throughput. Both hard and soft domain MIMO detectors are considered. The use of lattice reduction (LR) algorithm and on-demand-child-expansion for the reduction of noise propagation and node calculation respectively are the two of the key features of our developed architecture, presented in this literature. The real domain iterative soft MIMO decoding algorithm, simulated for 4 × 4 MIMO with different modulation scheme, achieves 1.1 to 2.7 dB improvement over Lease Sphere Decoder (LSD) and more than 8x reduction in list size, K as well as complexity of the detector. Next, the iterative real domain K-Best decoder is expanded to the complex domain with new detection scheme. It attains 6.9 to 8.0 dB improvement over real domain K-Best decoder and 1.4 to 2.5 dB better performance over conventional complex decoder for 8 × 8 MIMO with 64 QAM modulation scheme. Besides K, a new adjustable parameter, Rlimit has been introduced in order to append re-configurability trading-off between complexity and performance. After that, a novel low-power hardware architecture of complex decoder is developed for 8 × 8 MIMO and 64 QAM modulation scheme. The total word length of only 16 bits has been adopted limiting the bit error rate (BER) degradation to 0.3 dB with K and Rlimit equal to 4. The proposed VLSI architecture is modeled in Verilog HDL using Xilinx and synthesized using Synopsys Design Vision in 45 nm CMOS technology. According to the synthesize result, it achieves 1090.8 Mbps throughput with power consumption of 580 mW and latency of 0.33 us. The maximum frequency the design proposed is 181.8 MHz. All of the proposed decoders mentioned above are bounded by the fixed K. Hence, an adaptive real domain K-Best decoder is further developed to achieve the similar performance with less K, thereby reducing the computational complexity of the decoder. It does not require accurate SNR measurement to perform the initial estimation of list size, K. Instead, the difference between the first two minimal distances is considered, which inherently eliminates complexity. In summary, a novel iterative K-Best detector for both real and complex domain with efficient VLSI design is proposed in this dissertation. The results from extensive simulation and VHDL with analysis using Synopsys tool are also presented for justification and validation of the proposed works

    Effi cient algorithms for iterative detection and decoding in Multiple-Input and Multiple-Output Communication Systems

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    This thesis fits into the Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) communication systems. Nowadays, these schemes are the most promising technology in the field of wireless communications. The use of this technology allows to increase the rate and the quality of the transmission through the use of multiple antennas at the transmitter and receiver sides. Furthermore, the MIMO technology can also be used in a multiuser scenario, where a Base Station (BS) equipped with several antennas serves several users that share the spatial dimension causing interference. However, employing precoding algorithms the signal of the multiuser interference can be mitigated. For these reasons, the MIMO technology has become an essential key in many new generation communications standards. On the other hand, Massive MIMO technology or Large MIMO, where the BS is equipped with very large number of antennas (hundreds or thousands) serves many users in the same time-frequency resource. Nevertheless, the advantages provided by the MIMO technology entail a substantial increase in the computational cost. Therefore the design of low-complexity receivers is an important issue which is tackled throughout this thesis. To this end, one of the main contributions of this dissertation is the implementation of efficient soft-output detectors and precoding schemes. First, the problem of efficient soft detection with no iteration at the receiver has been addressed. A detailed overview of the most employed soft detectors is provided. Furthermore, the complexity and performance of these methods are evaluated and compared. Additionally, two low-complexity algorithms have been proposed. The first algorithm is based on the efficient Box Optimization Hard Detector (BOHD) algorithm and provides a low-complexity implementation achieving a suitable performance. The second algorithm tries to reduce the computational cost of the Subspace Marginalization with Interference Suppression (SUMIS) algorithm. Second, soft-input soft-output (SISO) detectors, which are included in an iterative receiver structure, have been investigated. An iterative receiver improves the performance with respect to no iteration, achieving a performance close to the channel capacity. In contrast, its computational cost becomes prohibitive. In this context, three algorithms are presented. Two of them achieve max-log performance reducing the complexity of standard SISO detectors. The last one achieves near max-log performance with low complexity. The precoding problem has been addressed in the third part of this thesis. An analysis of some of the most employed precoding techniques has been carried out. The algorithms have been compared in terms of performance and complexity. In this context, the impact of the channel matrix condition number on the performance of the precoders has been analyzed. This impact has been exploited to propose an hybrid precoding scheme that reduces the complexity of the previously proposed precoders. In addition, in Large MIMO systems, an alternative precoder scheme is proposed. In the last part of the thesis, parallel implementations of the SUMIS algorithm are presented. Several strategies for the parallelization of the algorithm are proposed and evaluated on two different platforms: multicore central processing unit (CPU) and graphics processing unit (GPU). The parallel implementations achieve a significant speedup compared to the CPU version. Therefore, these implementations allow to simulate a scalable quasi optimal soft detector in a Large MIMO system much faster than by conventional simuLa presente tesis se enmarca dentro de los sistemas de comunicaciones de múltiples antenas o sistemas MIMO. Hoy en día, estos sistemas presentan una de las tecnologías más prometedoras dentro de los sistemas comunicaciones inalámbricas. A través del uso de múltiples antenas en ambos lados, transmisor y receptor, la tasa de transmisión y la calidad de la misma es aumentada. Por otro lado, la tecnología MIMO puede ser utilizada en un escenario multiusuario, donde una estación base (BS) la cual está equipada con varias antenas, sirve a varios usuarios al mismo tiempo, estos usuarios comparten dimensión espacial causando interferencias multiusuario. Por todas estas razones, la tecnología MIMO ha sido adoptada en muchos de los estándares de comunicaciones de nueva generación. Por otro lado, la tecnología MIMO Masivo, en la cual la estación base está equipada con un gran número de antenas (cientos o miles) que sirve a muchos usuarios en el mismo recurso de tiempo-frecuencia. Sin embargo, las ventajas proporcionadas por los sistemas MIMO implican un aumento en el coste computacional requerido. Por ello, el diseño de receptores de baja complejidad es una cuestión importante en estos sistemas. Para conseguir esta finalidad, las principales contribuciones de la tesis se basan en la implementación de algoritmos de detección soft y esquemas de precodificación eficientes. En primer lugar, el problema de la detección soft eficiente en un sistema receptor sin iteración es abordado. Una descripción detallada sobre los detectores soft más empleados es presentada. Por otro lado, han sido propuestos dos algoritmos de bajo coste. El primer algoritmo está basado en el algoritmo Box Optimization Hard Detector (BOHD) y proporciona una baja complejidad de implementación logrando un buen rendimiento. El segundo de los algoritmos propuestos intenta reducir el coste computacional del conocido algoritmo Subspace Marginalization with Interference Suppression (SUMIS). En segundo lugar, han sido investidados detectores de entrada y salida soft (SISO, soft-input soft-output) los cuales son ejecutados en estructuras de recepción iterativa. El empleo de un receptor iterativo mejora el rendimiento del sistema con respecto a no realizar realimentación, pudiendo lograr la capacidad óptima. Por el contrario, el coste computacional se vuelve prohibitivo. En este contexto, tres algoritmos han sido presentados. Dos de ellos logran un rendimiento óptimo, reduciendo la complejidad de los detectores SISO óptimos que normalmente son empleados. Por el contrario, el otro algoritmo logra un rendimiento casi óptimo a baja complejidad. En la tercera parte, se ha abordado el problema de la precodificación. Se ha llevado a cabo un análisis de algunas de las técnicas de precodificación más usadas. En este contexto, se ha evaluado el impacto que el número de condición de la matriz de canal tiene en el rendimiento de los precodificadores. Además, se ha aprovechado este impacto para proponer un precodificador hibrido. Por otro lado, en MIMO Masivo, se ha propuesto un esquema precodificador. En la última parte de la tesis, la implementación paralela del algoritmo SUMIS es presentada. Varias estrategias sobre la paralelización del algoritmo han sido propuestas y evaluadas en dos plataformas diferentes: Unidad Central de Procesamiento multicore (multicore CPU) y Unidad de Procesamiento Gráfico (GPU). Las implementaciones paralelas consiguen una mejora de speedup. Estas implementaciones permiten simular para MIMO Masivo y de forma más rápida que por simulación convencional, un algoLa present tesi s'emmarca dins dels sistemes de comunicacions de múltiples antenes o sistemes MIMO. Avui dia, aquestos sistemes presenten una de les tecnologies més prometedora dins dels sistemes de comunicacions inalàmbriques. A través de l'ús de múltiples antenes en tots dos costats, transmissor y receptor, es pot augmentar la taxa de transmissió i la qualitat de la mateixa. D'altra banda, la tecnologia MIMO es pot utilitzar en un escenari multiusuari, on una estació base (BS) la qual està equipada amb diverses antenes serveix a diversos usuaris al mateix temps, aquests usuaris comparteixen dimensió espacial causant interferències multiusuari. Per totes aquestes raons, la tecnologia MIMO ha sigut adoptada en molts dels estàndars de comunicacions de nova generació. D'altra banda, la tecnologia MIMO Massiu, en la qual l'estació base està equipada amb un gran nombre d'antenes (centenars o milers) que serveix a molts usuaris en el mateix recurs de temps-freqüència. No obstant això, els avantatges proporcionats pels sistemes MIMO impliquen un augment en el cost computacional requerit. Per això, el disseny de receptors de baixa complexitat és una qüestió important en aquests sistemes. Per tal d'aconseguir esta finalitat, les principals contribucions de la tesi es basen en la implementació d'algoritmes de detecció soft i esquemes de precodificació eficients. En primer lloc, és abordat el problema de la detecció soft eficient en un sistema receptor sense interacció. Una descripció detallada dels detectors soft més emprats és presentada. D'altra banda, han sigut proposats dos algorismes de baix cost. El primer algorisme està basat en l'algorisme Box Optimization Hard Decoder (BOHD) i proporciona una baixa complexitat d'implementació aconseguint un bon resultat. El segon dels algorismes proposats intenta reduir el cost computacional del conegut algoritme Subspace Marginalization with Interference Suppression (SUMIS). En segon lloc, detectors d'entrada i eixidia soft (SISO, soft-input soft-output) els cuals són executats en estructures de recepció iterativa han sigut investigats. L'ocupació d'un receptor iteratiu millora el rendiment del sistema pel que fa a no realitzar realimentació, podent aconseguir la capacitat òptima. Per contra, el cost computacional es torna prohibitiu. En aquest context, tres algorismes han sigut presentats. Dos d'ells aconsegueixen un rendiment òptim, reduint la complexitat dels detectors SISO òptims que normalment són emprats. Per contra, l'altre algorisme aconsegueix un rendiment quasi òptim a baixa complexitat. En la tercera part, s'ha abordat el problema de la precodificació. S'ha dut a terme una anàlisi d'algunes de les tècniques de precodificació més usades, prestant especial atenció al seu rendiment i a la seua complexitat. Dins d'aquest context, l'impacte que el nombre de condició de la matriu de canal té en el rendiment dels precodificadors ha sigut avaluat. A més, aquest impacte ha sigut aprofitat per a proposar un precodificador híbrid , amb la finalitat de reduir la complexitat d'algorismes prèviament proposats. D'altra banda, en MIMO Massiu, un esquema precodificador ha sigut proposat. En l'última part, la implementació paral·lela de l'algorisme SUMIS és presentada. Diverses estratègies sobre la paral·lelizació de l'algorisme han sigut proposades i avaluades en dues plataformes diferents: multicore CPU i GPU. Les implementacions paral·leles aconsegueixen una millora de speedup quan el nombre d'àntenes o l'ordre de la constel·lació incrementen. D'aquesta manera, aquestes implementacions permeten simular per a MIMO Massiu, i de forma més ràpida que la simulació convencional.Simarro Haro, MDLA. (2017). Effi cient algorithms for iterative detection and decoding in Multiple-Input and Multiple-Output Communication Systems [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/86186TESI

    Proceedings of the second "international Traveling Workshop on Interactions between Sparse models and Technology" (iTWIST'14)

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    The implicit objective of the biennial "international - Traveling Workshop on Interactions between Sparse models and Technology" (iTWIST) is to foster collaboration between international scientific teams by disseminating ideas through both specific oral/poster presentations and free discussions. For its second edition, the iTWIST workshop took place in the medieval and picturesque town of Namur in Belgium, from Wednesday August 27th till Friday August 29th, 2014. The workshop was conveniently located in "The Arsenal" building within walking distance of both hotels and town center. iTWIST'14 has gathered about 70 international participants and has featured 9 invited talks, 10 oral presentations, and 14 posters on the following themes, all related to the theory, application and generalization of the "sparsity paradigm": Sparsity-driven data sensing and processing; Union of low dimensional subspaces; Beyond linear and convex inverse problem; Matrix/manifold/graph sensing/processing; Blind inverse problems and dictionary learning; Sparsity and computational neuroscience; Information theory, geometry and randomness; Complexity/accuracy tradeoffs in numerical methods; Sparsity? What's next?; Sparse machine learning and inference.Comment: 69 pages, 24 extended abstracts, iTWIST'14 website: http://sites.google.com/site/itwist1

    Design and Implementation of Efficient Algorithms for Wireless MIMO Communication Systems

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    En la última década, uno de los avances tecnológicos más importantes que han hecho culminar la nueva generación de banda ancha inalámbrica es la comunicación mediante sistemas de múltiples entradas y múltiples salidas (MIMO). Las tecnologías MIMO han sido adoptadas por muchos estándares inalámbricos tales como LTE, WiMAS y WLAN. Esto se debe principalmente a su capacidad de aumentar la máxima velocidad de transmisión , junto con la fiabilidad alcanzada y la cobertura de las comunicaciones inalámbricas actuales sin la necesidad de ancho de banda extra ni de potencia de transmisión adicional. Sin embargo, las ventajas proporcionadas por los sistemas MIMO se producen a expensas de un aumento sustancial del coste de implementación de múltiples antenas y de la complejidad del receptor, la cual tiene un gran impacto sobre el consumo de energía. Por esta razón, el diseño de receptores de baja complejidad es un tema importante que se abordará a lo largo de esta tesis. En primer lugar, se investiga el uso de técnicas de preprocesado de la matriz de canal MIMO bien para disminuir el coste computacional de decodificadores óptimos o bien para mejorar las prestaciones de detectores subóptimos lineales, SIC o de búsqueda en árbol. Se presenta una descripción detallada de dos técnicas de preprocesado ampliamente utilizadas: el método de Lenstra, Lenstra, Lovasz (LLL) para lattice reduction (LR) y el algorimo VBLAST ZF-DFE. Tanto la complejidad como las prestaciones de ambos métodos se han evaluado y comparado entre sí. Además, se propone una implementación de bajo coste del algoritmo VBLAST ZF-DFE, la cual se incluye en la evaluación. En segundo lugar, se ha desarrollado un detector MIMO basado en búsqueda en árbol de baja complejidad, denominado detector K-Best de amplitud variable (VB K-Best). La idea principal de este método es aprovechar el impacto del número de condición de la matriz de canal sobre la detección de datos con el fin de disminuir la complejidad de los sistemasRoger Varea, S. (2012). Design and Implementation of Efficient Algorithms for Wireless MIMO Communication Systems [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/16562Palanci
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