Progressive Linear Precoder Optimization for MIMO Packet Retransmissions

This paper investigates the optimal linear precoder design for packet retransmissions in multi-input-multi-output (MIMO) systems. To fully utilize the time diversity provided by automatic repeat request (ARQ), we derive a sequence of successive optimal linear ARQ precoders for flat fading MIMO channels, which minimize the mean-square error between the transmitted data and the joint receiver output. The optimization is subject to an overall transmit power constraint. This progressive linear ARQ precoder combines the appropriate power loading and the optimal pairing of channel matrix singular values in the current retransmission with previous transmissions. This optimal pairing is a special feature unique to our sequential ARQ precoding approach. Simulation results demonstrate the effectiveness of this optimized ARQ precoding in reducing symbol MSE and detection bit-error rate

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

Design and analysis of iteratively decodable codes for ISI channels

Recent advancements in iterative processing have allowed communication systems to perform close to capacity limits withmanageable complexity.For manychannels such as the AWGN and flat fading channels, codes that perform only a fraction of a dB from the capacity have been designed in the literature. In this dissertation, we will focus on the design and analysis of near-capacity achieving codes for another important class of channels, namely inter-symbol interference (ISI)channels. We propose various coding schemes such as low-density parity-check (LDPC) codes, parallel and serial concatenations for ISI channels when there is no spectral shaping used at the transmitter. The design and analysis techniques use the idea of extrinsic information transfer (EXIT) function matching and provide insights into the performance of different codes and receiver structures. We then present a coding scheme which is the concatenation of an LDPC code with a spectral shaping block code designed to be matched to the channel??s spectrum. We will discuss how to design the shaping code and the outer LDPC code. We will show that spectral shaping matched codes can be used for the parallel concatenation to achieve near capacity performance. We will also discuss the capacity of multiple antenna ISI channels. We study the effects of transmitter and receiver diversities and noisy channel state information on channel capacity

An Overview of Physical Layer Security with Finite-Alphabet Signaling

Providing secure communications over the physical layer with the objective of achieving perfect secrecy without requiring a secret key has been receiving growing attention within the past decade. The vast majority of the existing studies in the area of physical layer security focus exclusively on the scenarios where the channel inputs are Gaussian distributed. However, in practice, the signals employed for transmission are drawn from discrete signal constellations such as phase shift keying and quadrature amplitude modulation. Hence, understanding the impact of the finite-alphabet input constraints and designing secure transmission schemes under this assumption is a mandatory step towards a practical implementation of physical layer security. With this motivation, this article reviews recent developments on physical layer security with finite-alphabet inputs. We explore transmit signal design algorithms for single-antenna as well as multi-antenna wiretap channels under different assumptions on the channel state information at the transmitter. Moreover, we present a review of the recent results on secure transmission with discrete signaling for various scenarios including multi-carrier transmission systems, broadcast channels with confidential messages, cognitive multiple access and relay networks. Throughout the article, we stress the important behavioral differences of discrete versus Gaussian inputs in the context of the physical layer security. We also present an overview of practical code construction over Gaussian and fading wiretap channels, and we discuss some open problems and directions for future research.Comment: Submitted to IEEE Communications Surveys & Tutorials (1st Revision

Spectrally efficient Non-Orthogonal Multiple Access (NOMA) techniques for future generation mobile systems

With the expectation of over a 1000-fold increase in the number of connected devices by 2020, efficient utilization of the limited bandwidth has become ever more important in the design of mobile wireless systems. Furthermore, the ever-increasing demand for higher data rates has made it necessary for a new waveform design that satisfies not only throughput demands, but network capacity as well. One such technique recently proposed is the non-orthogonal multiple access (NOMA) which utilizes the distance-dependent power domain multiplexing, based on the principles of signal superposition. In this thesis, new spectrally efficient non-orthogonal signal techniques are proposed. The goal of the schemes is to allow simultaneous utilization of the same time frequency network resources. This is achieved by designing component signals in both power and phase domain such that users are precoded or preformed to form a single and uniquely decodable composite signal. The design criteria are based on maximizing either the sum rate or spectral efficiency, minimizing multi-user interference and detection ambiguity, and maximizing the minimum Euclidean distance between the composite constellation points. The design principles are applied in uplink, downlink and coordinated multipoint (CoMP) scenarios. We assume ideal channel state with perfect estimation, low mobility and synchronization scenarios so as to prove the concept and serve as a bound for any future work in non-ideal conditions. Extensive simulations and numerical analysis are carried to show the superiority and compatibility of the schemes. First, a new NOMA signal design called uplink NOMA with constellation precoding is proposed. The precoding weights are generated at the eNB based on the number of users to be superposed. The eNB signals the precoding weights to be employed by the users to adjust their transmission. The adjustments utilize the channel state information estimated from common periodic pilots broadcasted by the eNB. The weights ensure the composite received signal at the eNB belongs to the pre-known constellation. Furthermore, the users precode to the eNB antenna that requires the least total transmit power from all the users. At the eNB, joint maximum likelihood (JML) detection is employed to recover the component signals. As the composite constellation is as that of a single user transmitting that same constellation, multiple access interference can be viewed as absent, which allows multiple users to transmit at their full rates. Furthermore, the power gain achieved by the sum of the component signals maximizes the sum rate. Secondly, the constellation design principle is employed in the downlink scenario. In the scheme, called downlink NOMA with constellation preforming, the eNB preforms the users signal with power and phase weights prior to transmission. The preforming ensures multi-user interference is eliminated and the spectral efficiency maximized. The preformed composite constellation is broadcasted by the eNB which is received by all users. Subsequently, the users perform JML detection with the designed constellation to extract their individual component signals. Furthermore, improved signal reliability is achieved in transmit and receive diversity scenarios in the schemes called distributed transmit and receive diversity combining, respectively. Thirdly, the constellation preforming on the downlink is extended to MIMO spatial multiplexing scenarios. The first MIMO scheme, called downlink NOMA with constellation preforming, each eNB antenna transmits a preformed composite signal composed of a set of multiple users’ streams. This achieves spatial multiplexing with diversity with less transmit antennas, reducing costs associated with multiple RF chains, while still maximizing the sum rate. In the second MIMO scheme, a highly spectrally efficient MIMO preforming scheme is proposed. The scheme, called group layer MIMO with constellation preforming, the eNB preforms to a specific group of users on each transmit antenna. In all the schemes, the users perform JML detection to recover their signals. Finally, the adaptability of the constellation design is shown in CoMP. The scheme, called CoMP with joint constellation processing, the additional degrees of freedom, in form of interfering eNBs, are utilized to enable spatial multiplexing to a user with a single receive antenna. This is achieved by precoding each stream from the coordinating eNB with weights signalled by a central eNB. Consequently, the inter-cell interference is eliminated and the sum-rate maximized. To reduce the total power spent on precoding, an active cell selection scheme is proposed where the precoding is employed on the highest interferers to the user. Furthermore, a power control scheme is applied the design principle, where the objective is to reduce cross-layer interference by adapting the transmission power to the mean channel gain