Low complexity detection for SC-FDE massive MIMO systems

Nowadays we continue to observe a big and fast growth of wireless com-munication usage due to the increasing number of access points, and fields of application of this technology. Furthermore, these new usages can require higher speed and better quality of service in order to create market. As example we can have: live 4K video transmission, M2M (Machine to Machine communication), IoT (Internet of Things), Tactile Internet, between many others. As a consequence of all these factors, the spectrum is getting overloaded with communications, increasing the interference and affecting the system's per-formance. Therefore a different path of ideas has been followed and the commu-nication process has been taken to the next level in 5G by the usage of big arrays of antennas and multi-stream communication (MIMO systems) which in a greater scale are called massive MIMO schemes. These systems can be combined with an SC-FDE (Single-Carrier Frequency Domain Equalization) scheme to im-prove the power efficiency due to the low envelope fluctuations. This thesis focused on the equalization in massive MIMO systems, more specifically in the FDE (Frequency Domain Equalization), studying the perfor-mance of different approaches, namely ZF (Zero Forcing), EGD (Equal Gain De-tector), MRD (Maximum Ratio Detector), IB-DFE (Iterative Block Decision Feed-back Equalizer) and a proposed receiver combining MRD (or EGD) and IB-DFE.With this approach we want to minimize the ICI (Inter Carrier Interference) in order to have almost independent data streams and to produce a low complexity code, so that the receiver's performance doesn't affect the total system's perfor-mance, with a final objective of increasing the data throughput in a great scale

Adaptive and Iterative Multi-Branch MMSE Decision Feedback Detection Algorithms for MIMO Systems

In this work, decision feedback (DF) detection algorithms based on multiple processing branches for multi-input multi-output (MIMO) spatial multiplexing systems are proposed. The proposed detector employs multiple cancellation branches with receive filters that are obtained from a common matrix inverse and achieves a performance close to the maximum likelihood detector (MLD). Constrained minimum mean-squared error (MMSE) receive filters designed with constraints on the shape and magnitude of the feedback filters for the multi-branch MMSE DF (MB-MMSE-DF) receivers are presented. An adaptive implementation of the proposed MB-MMSE-DF detector is developed along with a recursive least squares-type algorithm for estimating the parameters of the receive filters when the channel is time-varying. A soft-output version of the MB-MMSE-DF detector is also proposed as a component of an iterative detection and decoding receiver structure. A computational complexity analysis shows that the MB-MMSE-DF detector does not require a significant additional complexity over the conventional MMSE-DF detector, whereas a diversity analysis discusses the diversity order achieved by the MB-MMSE-DF detector. Simulation results show that the MB-MMSE-DF detector achieves a performance superior to existing suboptimal detectors and close to the MLD, while requiring significantly lower complexity.Comment: 10 figures, 3 tables; IEEE Transactions on Wireless Communications, 201

Single-Frequency Network Terrestrial Broadcasting with 5GNR Numerology

L'abstract è presente nell'allegato / the abstract is in the attachmen

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

Carrier Frequency Offset Estimation for Orthogonal Frequency Division Multiplexing

This thesis presents a novel method to solve the problem of estimating the carrier frequency set in an Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) system. The approach is based on the minimization of the probability of symbol error. Hence, this approach is called the Minimum Symbol Error Rate (MSER) approach. An existing approach based on Maximum Likelihood (ML) is chosen to benchmark the performance of the MSER-based algorithm. The MSER approach is computationally intensive. The thesis evaluates the approximations that can be made to the MSER-based objective function to make the computation tractable. A modified gradient function based on the MSER objective is developed which provides better performance characteristics than the ML-based estimator. The estimates produced by the MSER approach exhibit lower Mean Squared Error compared to the ML benchmark. The performance of MSER-based estimator is simulated with Quaternary Phase Shift Keying (QPSK) symbols, but the algorithm presented is applicable to all complex symbol constellations

A Non-Orthogonal Multiple-Access Scheme Using Reliable Physical-Layer Network Coding and Cascade-Computation Decoding

© 2017 IEEE. This paper studies non-orthogonal transmission over a K -user fading multiple access channel. We propose a new reliable physical-layer network coding and cascade-computation decoding scheme. In the proposed scheme, K single-antenna users encode their messages by the same practical channel code and QAM modulation, and transmit simultaneously. The receiver chooses K linear coefficient vectors and computes the associated K layers of finite-field linear message combinations in a cascade manner. Finally, the K users' messages are recovered by solving the K linear equations. The proposed can be regarded as a generalized onion peeling. We study the optimal network coding coefficient vectors used in the cascade computation. Numerical results show the performance of the proposed approaches that of the iterative maximum a posteriori probability detection and decoding scheme, but without using receiver iteration. This results in considerable complexity reduction, processing delay, and easier implementation. Our proposed scheme significantly outperforms the iterative detection and decoding scheme with a single iteration, for example, by 1.7 dB for the two user case. The proposed scheme provides a competitive solution for non-orthogonal multiple access