Turbo Decoding and Detection for Wireless Applications

A historical perspective of turbo coding and turbo transceivers inspired by the generic turbo principles is provided, as it evolved from Shannon’s visionary predictions. More specifically, we commence by discussing the turbo principles, which have been shown to be capable of performing close to Shannon’s capacity limit. We continue by reviewing the classic maximum a posteriori probability decoder. These discussions are followed by studying the effect of a range of system parameters in a systematic fashion, in order to gauge their performance ramifications. In the second part of this treatise, we focus our attention on the family of iterative receivers designed for wireless communication systems, which were partly inspired by the invention of turbo codes. More specifically, the family of iteratively detected joint coding and modulation schemes, turbo equalization, concatenated spacetime and channel coding arrangements, as well as multi-user detection and three-stage multimedia systems are highlighted

On performance analysis and implementation issues of iterative decoding for graph based codes

There is no doubt that long random-like code has the potential to achieve good performance because of its excellent distance spectrum. However, these codes remain useless in practical applications due to the lack of decoders rendering good performance at an acceptable complexity. The invention of turbo code marks a milestone progress in channel coding theory in that it achieves near Shannon limit performance by using an elegant iterative decoding algorithm. This great success stimulated intensive research oil long compound codes sharing the same decoding mechanism. Among these long codes are low-density parity-check (LDPC) code and product code, which render brilliant performance. In this work, iterative decoding algorithms for LDPC code and product code are studied in the context of belief propagation. A large part of this work concerns LDPC code. First the concept of iterative decoding capacity is established in the context of density evolution. Two simulation-based methods approximating decoding capacity are applied to LDPC code. Their effectiveness is evaluated. A suboptimal iterative decoder, Max-Log-MAP algorithm, is also investigated. It has been intensively studied in turbo code but seems to be neglected in LDPC code. The specific density evolution procedure for Max-Log-MAP decoding is developed. The performance of LDPC code with infinite block length is well-predicted using density evolution procedure. Two implementation issues on iterative decoding of LDPC code are studied. One is the design of a quantized decoder. The other is the influence of mismatched signal-to-noise ratio (SNR) level on decoding performance. The theoretical capacities of the quantized LDPC decoder, under Log-MAP and Max-Log-MAP algorithms, are derived through discretized density evolution. It is indicated that the key point in designing a quantized decoder is to pick a proper dynamic range. Quantization loss in terms of bit error rate (BER) performance could be kept remarkably low, provided that the dynamic range is chosen wisely. The decoding capacity under fixed SNR offset is obtained. The robustness of LDPC code with practical length is evaluated through simulations. It is found that the amount of SNR offset that can be tolerated depends on the code length. The remaining part of this dissertation deals with iterative decoding of product code. Two issues on iterative decoding of\u27 product code are investigated. One is, \u27improving BER performance by mitigating cycle effects. The other is, parallel decoding structure, which is conceptually better than serial decoding and yields lower decoding latency

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

Minimum mean-squared error iterative successive parallel arbitrated decision feedback detectors for DS-CDMA systems

In this paper we propose minimum mean squared error (MMSE) iterative successive parallel arbitrated decision feedback (DF) receivers for direct sequence code division multiple access (DS-CDMA) systems. We describe the MMSE design criterion for DF multiuser detectors along with successive, parallel and iterative interference cancellation structures. A novel efficient DF structure that employs successive cancellation with parallel arbitrated branches and a near-optimal low complexity user ordering algorithm are presented. The proposed DF receiver structure and the ordering algorithm are then combined with iterative cascaded DF stages for mitigating the deleterious effects of error propagation for convolutionally encoded systems with both Viterbi and turbo decoding as well as for uncoded schemes. We mathematically study the relations between the MMSE achieved by the analyzed DF structures, including the novel scheme, with imperfect and perfect feedback. Simulation results for an uplink scenario assess the new iterative DF detectors against linear receivers and evaluate the effects of error propagation of the new cancellation methods against existing ones

CONVERGENCE IMPROVEMENT OF ITERATIVE DECODERS

Iterative decoding techniques shaked the waters of the error correction and communications field in general. Their amazing compromise between complexity and performance offered much more freedom in code design and made highly complex codes, that were being considered undecodable until recently, part of almost any communication system. Nevertheless, iterative decoding is a sub-optimum decoding method and as such, it has attracted huge research interest. But the iterative decoder still hides many of its secrets, as it has not been possible yet to fully describe its behaviour and its cost function. This work presents the convergence problem of iterative decoding from various angles and explores methods for reducing any sub-optimalities on its operation. The decoding algorithms for both LDPC and turbo codes were investigated and aspects that contribute to convergence problems were identified. A new algorithm was proposed, capable of providing considerable coding gain in any iterative scheme. Moreover, it was shown that for some codes the proposed algorithm is sufficient to eliminate any sub-optimality and perform maximum likelihood decoding. Its performance and efficiency was compared to that of other convergence improvement schemes. Various conditions that can be considered critical to the outcome of the iterative decoder were also investigated and the decoding algorithm of LDPC codes was followed analytically to verify the experimental results

Synchronization in digital communication systems: performance bounds and practical algorithms

Communication channels often transfer signals from different transmitters. To avoid interference the available frequency spectrum is divided into non-overlapping frequency bands (bandpass channels) and each transmitter is assigned to a different bandpass channel. The transmission of a signal over a bandpass channel requires a shift of its frequency-content to a frequency range that is compatible with the designated frequency band (modulation). At the receiver, the modulated signal is demodulated (frequency shifted back to the original frequency band) in order to recover the original signal. The modulation/demodulation process requires the presence of a locally generated sinusoidal signal at both the transmitter and the receiver. To enable a reliable information transfer, it is imperative that these two sinusoids are accurately synchronized. Recently, several powerful channel codes have been developed which enable reliable communication at a very low signal-to-noise ratio (SNR). A by-product of these developments is that synchronization must now be performed at a SNR that is lower than ever before. Of course, this imposes high requirements on the synchronizer design. This doctoral thesis investigates to what extent (performance bounds) and in what way (practical algorithms) the structure that the channel code enforces upon the transmitted signal can be exploited to improve the synchronization accuracy at low SNR