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

Low-resolution ADC receiver design, MIMO interference cancellation prototyping, and PHY secrecy analysis.

This dissertation studies three independent research topics in the general field of wireless communications. The first topic focuses on new receiver design with low-resolution analog-to-digital converters (ADC). In future massive multiple-input-multiple-output (MIMO) systems, multiple high-speed high-resolution ADCs will become a bottleneck for practical applications because of the hardware complexity and power consumption. One solution to this problem is to adopt low-cost low-precision ADCs instead. In Chapter II, MU-MIMO-OFDM systems only equipped with low-precision ADCs are considered. A new turbo receiver structure is proposed to improve the overall system performance. Meanwhile, ultra-low-cost communication devices can enable massive deployment of disposable wireless relays. In Chapter III, the feasibility of using a one-bit relay cluster to help a power-constrained transmitter for distant communication is investigated. Nonlinear estimators are applied to enable effective decoding. The second topic focuses prototyping and verification of a LTE and WiFi co-existence system, where the operation of LTE in unlicensed spectrum (LTE-U) is discussed. LTE-U extends the benefits of LTE and LTE Advanced to unlicensed spectrum, enabling mobile operators to offload data traffic onto unlicensed frequencies more efficiently and effectively. With LTE-U, operators can offer consumers a more robust and seamless mobile broadband experience with better coverage and higher download speeds. As the coexistence leads to considerable performance instability of both LTE and WiFi transmissions, the LTE and WiFi receivers with MIMO interference canceller are designed and prototyped to support the coexistence in Chapter IV. The third topic focuses on theoretical analysis of physical-layer secrecy with finite blocklength. Unlike upper layer security approaches, the physical-layer communication security can guarantee information-theoretic secrecy. Current studies on the physical-layer secrecy are all based on infinite blocklength. Nevertheless, these asymptotic studies are unrealistic and the finite blocklength effect is crucial for practical secrecy communication. In Chapter V, a practical analysis of secure lattice codes is provided

Approximate inference in massive MIMO scenarios with moment matching techniques

Mención Internacional en el título de doctorThis Thesis explores low-complexity inference probabilistic algorithms in high-dimensional Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) systems and high order M-Quadrature Amplitude Modulation (QAM) constellations. Several modern communications systems are using more and more antennas to maximize spectral efficiency, in a new phenomena call Massive MIMO. However, as the number of antennas and/or the order of the constellation grow several technical issues have to be tackled, one of them is that the symbol detection complexity grows fast exponentially with the system dimension. Nowadays the design of massive MIMO low-complexity receivers is one important research line in MIMO because symbol detection can no longer rely on conventional approaches such as Maximum a Posteriori (MAP) due to its exponential computation complexity. This Thesis proposes two main results. On one hand a hard decision low-complexity MIMO detector based on Expectation Propagation (EP) algorithm which allows to iteratively approximate within polynomial cost the posterior distribution of the transmitted symbols. The receiver is named Expectation Propagation Detector (EPD) and its solution evolves from Minimum Mean Square Error (MMSE) solution and keeps per iteration the MMSE complexity which is dominated by a matrix inversion. Hard decision Symbol Error Rate (SER) performance is shown to remarkably improve state-of-the-art solutions of similar complexity. On the other hand, a soft-inference algorithm, more suitable to modern communication systems with channel codification techniques such as Low- Density Parity-Check (LDPC) codes, is also presented. Modern channel decoding techniques need as input Log-Likehood Ratio (LLR) information for each coded bit. In order to obtain that information, firstly a soft bit inference procedure must be performed. In low-dimensional scenarios, this can be done by marginalization over the symbol posterior distribution. However, this is not feasible at high-dimension. While EPD could provide this probabilistic information, it is shown that its probabilistic estimates are in general poor in the low Signal-to-Noise Ratio (SNR) regime. In order to solve this inconvenience a new algorithm based on the Expectation Consistency (EC) algorithm, which generalizes several algorithms such as Belief. Propagation (BP) and EP itself, was proposed. The proposed algorithm called Expectation Consistency Detector (ECD) maps the inference problem as an optimization over a non convex function. This new approach allows to find stationary points and tradeoffs between accuracy and convergence, which leads to robust update rules. At the same complexity cost than EPD, the new proposal achieves a performance closer to channel capacity at moderate SNR. The result reveals that the probabilistic detection accuracy has a relevant impact in the achievable rate of the overall system. Finally, a modified ECD algorithm is presented, with a Turbo receiver structure where the output of the decoder is fed back to ECD, achieving performance gains in all block lengths simulated. The document is structured as follows. In Chapter I an introduction to the MIMO scenario is presented, the advantages and challenges are exposed and the two main scenarios of this Thesis are set forth. Finally, the motivation behind this work, and the contributions are revealed. In Chapters II and III the state of the art and our proposal are presented for Hard Detection, whereas in Chapters IV and V are exposed for Soft Inference Detection. Eventually, a conclusion and future lines can be found in Chapter VI.Esta Tesis aborda algoritmos de baja complejidad para la estimación probabilística en sistemas de Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) de grandes dimensiones con constelaciones M-Quadrature Amplitude Modulation (QAM) de alta dimensionalidad. Son diversos los sistemas de comunicaciones que en la actualidad están utilizando más y más antenas para maximizar la eficiencia espectral, en un nuevo fenómeno denominado Massive MIMO. Sin embargo los incrementos en el número de antenas y/o orden de la constelación presentan ciertos desafíos tecnológicos que deben ser considerados. Uno de ellos es la detección de los símbolos transmitidos en el sistema debido a que la complejidad aumenta más rápido que las dimensiones del sistema. Por tanto el diseño receptores para sistemas Massive MIMO de baja complejidad es una de las importantes líneas de investigación en la actualidad en MIMO, debido principalmente a que los métodos tradicionales no se pueden implementar en sistemas con decenas de antenas, cuando lo deseable serían centenas, debido a que su coste es exponencial. Los principales resultados en esta Tesis pueden clasificarse en dos. En primer lugar un receptor MIMO para decisión dura de baja complejidad basado en el algoritmo Expectation Propagation (EP) que permite de manera iterativa, con un coste computacional polinómico por iteración, aproximar la distribución a posteriori de los símbolos transmitidos. El algoritmo, denominado Expectation Propagation Detector (EPD), es inicializado con la solución del algoritmo Minimum Mean Square Error (MMSE) y mantiene el coste de este para todas las iteraciones, dominado por una inversión de matriz. El rendimiento del decisor en probabilidad de error de símbolo muestra ganancias remarcables con respecto a otros métodos en la literatura con una complejidad similar. En segundo lugar, un algoritmo que provee una estimación blanda, información que es más apropiada para los actuales sistemas de comunicaciones que utilizan codificación de canal, como pueden ser códigos Low-Density Parity-Check (LDPC). La información necesaria para estos decodificadores de canal es Log-Likehood Ratio (LLR) para cada uno de los bits codificados. En escenarios de bajas dimensiones se pueden calcular las marginales de la distribución a posteriori, pero en escenarios de grandes dimensiones no es viable, aunque EPD puede proporcionar este tipo de información a la entrada del decodificador, dicha información no es la mejor al estar el algoritmo pensado para detección dura, sobre todo se observa este fenómeno en el rango de baja Signal-to-Noise Ratio (SNR). Para solucionar este problema se propone un nuevo algoritmo basado en Expectation Consistency (EC) que engloba diversos algoritmos como pueden ser Belief Propagation (BP) y el algoritmo EP propuesto con anterioridad. El nuevo algoritmo llamado Expectation Consistency Detector (ECD), trata el problema como una optimización de una función no convexa. Esta aproximación permite encontrar los puntos estacionarios y la relación entre precisión y convergencia, que permitirán reglas de actualización más robustas y eficaces. Con la misma compleja que el algoritmo propuesto inicialmente, ECD permite rendimientos más próximos a la capacidad del canal en regímenes moderados de SNR. Los resultados muestran que la precisión tiene un gran efecto en la tasa que alcanza el sistema. Finalmente una versión modificada de ECD es propuesta en una arquitectura típica de los Turbo receptores, en la que la salida del decodificador es la entrada del receptor, y que permite ganancias en el rendimiento en todas las longitudes de código simuladas. El presente documento está estructurado de la siguiente manera. En el primer Capítulo I, se realiza una introducción a los sistemas MIMO, presentando sus ventajas, desventajas, problemas abiertos. Los modelos que se utilizaran en la tesis y la motivación con la que se inició esta tesis son expuestos en este primer capítulo. En los Capítulos II y III el estado del arte y nuestra propuesta para detección dura son presentados, mientras que en los Capítulos IV y V se presentan para detección suave. Finalmente las conclusiones que pueden obtenerse de esta Tesis y futuras líneas de investigación son expuestas en el Capítulo VI.Programa Oficial de Doctorado en Multimedia y ComunicacionesPresidente: Juan José Murillo Fuentes.- Secretario: Gonzalo Vázquez Vilar.- Vocal: María Isabel Valera Martíne

Symbol by Symbol Soft-Input Soft-Output Multiuser Detection for Frequency Selective Mimo Channels

We introduce a symbol by symbol, soft-input soft-output (SISO) multiuser detector for frequency selective multiple-input multiple-output (MIMO) channels. The basic principle of this algorithm is to extract a posteriori probabilities (APPs) of all interfering symbols at each symbol interval and then feed these updated APPs as a priori probabilities (apPs) for joint APP extraction in the next symbol interval. Unlike nearoptimal block oriented sphere decoding (SD) and soft decision equalization (SDE), the computational complexity of this updating APP (UA) algorithm is linear in the number of symbols but the exponential computational load of optimal joint APP extraction makes the basic UA impractical. To decrease computations we replace the optimal joint APP extractor by a groupwise SISO multiuser detector with a soft sphere decoding core. The resulting reduced complexity updating APP (RCUA) equalizer is flexible in different situations and outperforms the traditional sub-optimal MMSE-DFE without increasing the computational costs substantially

CSI-Free Geometric Symbol Detection via Semi-supervised Learning and Ensemble Learning

Symbol detection (SD) plays an important role in a digital communication system. However, most SD algorithms require channel state information (CSI), which is often difficult to estimate accurately. As a consequence, it is challenging for these SD algorithms to approach the performance of the maximum likelihood detection (MLD) algorithm. To address this issue, we employ both semi-supervised learning and ensemble learning to design a flexible parallelizable approach in this paper. First, we prove theoretically that the proposed algorithms can arbitrarily approach the performance of the MLD algorithm with perfect CSI. Second, to enable parallel implementation and also enhance design flexibility, we further propose a parallelizable approach for multi-output systems. Finally, comprehensive simulation results are provided to demonstrate the effectiveness and superiority of the designed algorithms. In particular, the proposed algorithms approach the performance of the MLD algorithm with perfect CSI, and outperform it when the CSI is imperfect. Interestingly, a detector constructed with received signals from only two receiving antennas (less than the size of the whole receiving antenna array) can also provide good detection performance

Advanced receivers for distributed cooperation in mobile ad hoc networks

Mobile ad hoc networks (MANETs) are rapidly deployable wireless communications systems, operating with minimal coordination in order to avoid spectral efficiency losses caused by overhead. Cooperative transmission schemes are attractive for MANETs, but the distributed nature of such protocols comes with an increased level of interference, whose impact is further amplified by the need to push the limits of energy and spectral efficiency. Hence, the impact of interference has to be mitigated through with the use PHY layer signal processing algorithms with reasonable computational complexity. Recent advances in iterative digital receiver design techniques exploit approximate Bayesian inference and derivative message passing techniques to improve the capabilities of well-established turbo detectors. In particular, expectation propagation (EP) is a flexible technique which offers attractive complexity-performance trade-offs in situations where conventional belief propagation is limited by computational complexity. Moreover, thanks to emerging techniques in deep learning, such iterative structures are cast into deep detection networks, where learning the algorithmic hyper-parameters further improves receiver performance. In this thesis, EP-based finite-impulse response decision feedback equalizers are designed, and they achieve significant improvements, especially in high spectral efficiency applications, over more conventional turbo-equalization techniques, while having the advantage of being asymptotically predictable. A framework for designing frequency-domain EP-based receivers is proposed, in order to obtain detection architectures with low computational complexity. This framework is theoretically and numerically analysed with a focus on channel equalization, and then it is also extended to handle detection for time-varying channels and multiple-antenna systems. The design of multiple-user detectors and the impact of channel estimation are also explored to understand the capabilities and limits of this framework. Finally, a finite-length performance prediction method is presented for carrying out link abstraction for the EP-based frequency domain equalizer. The impact of accurate physical layer modelling is evaluated in the context of cooperative broadcasting in tactical MANETs, thanks to a flexible MAC-level simulato