On multi-user EXIT chart analysis aided turbo-detected MBER beamforming designs

Abstract—This paper studies the mutual information transfer characteristics of a novel iterative soft interference cancellation (SIC) aided beamforming receiver communicating over both additive white Gaussian noise (AWGN) and multipath slow fading channels. Based on the extrinsic information transfer (EXIT) chart technique, we investigate the convergence behavior of an iterative minimum bit error rate (MBER) multiuser detection (MUD) scheme as a function of both the system parameters and channel conditions in comparison to the SIC aided minimum mean square error (SIC-MMSE) MUD. Our simulation results show that the EXIT chart analysis is sufficiently accurate for the MBER MUD. Quantitatively, a two-antenna system was capable of supporting up to K=6 users at Eb/N0=3dB, even when their angular separation was relatively low, potentially below 20?. Index Terms—Minimum bit error rate, beamforming, multiuser detection, soft interference cancellation, iterative processing, EXIT chart

Single-RF spatial modulation requires single-carrier transmission: frequency-domain turbo equalization for dispersive channels

In this paper, we propose a broadband single-carrier (SC) spatial-modulation (SM) based multiple-input multipleoutput (MIMO) architecture relying on a soft-decision (SoD) frequency-domain equalization (FDE) receiver. We demonstrate that conventional orthogonal frequency-division multiplexing (OFDM)-based broadband transmissions are not readily suitable for the single–radio frequency (RF) assisted SM-MIMO schemes, since this scheme does not exhibit any substantial performance advantage over single-antenna transmissions. To circumvent this limitation, a low-complexity soft-decision (SoD) FDE algorithm based on the minimum mean-square error (MMSE) criterion is invoked for our broadband SC-based SM-MIMO scheme, which is capable of operating in a strongly dispersive channel having a long channel impulse response (CIR) at a moderate decoding complexity. Furthermore, our SoD FDE attains a near-capacity performance with the aid of a three-stage concatenated SC-based SM architecture

Turbo receivers for interleave-division multiple-access systems

In this paper several turbo receivers for Interleave-Division Multiple-Access (IDMA) systems will be discussed. The multiple access system model is presented first. The optimal, Maximum A Posteriori (MAP) algorithm, is then presented. It will be shown that the use of a precoding technique at the emitter side is applicable to IDMA systems. Several low complexity Multi-User Detector (MUD), based on the Gaussian approximation, will be next discussed. It will be shown that the MUD with Probabilistic Data Association (PDA) algorithm provides faster convergence of the turbo receiver. The discussed turbo receivers will be evaluated by means of Bit Error Rate (BER) simulations and EXtrinsic Information Transfer (EXIT) charts

Frequency-Domain Turbo Equalisation in Coded SC-FDMA Systems: EXIT Chart Analysis and Performance

In this paper, we investigate the achievable performance of channel coded single-carrier frequency division multiple-access (SC-FDMA) systems employing various detection schemes, when communicating over frequency-selective fading channels. Specifically, three types of minimum mean-square error (MMSE) based frequency-domain (FD) turbo equalisers are considered. The first one is the turbo FD linear equaliser (LE). The second one is a parallel interference cancellation (PIC)-assisted turbo FD decision-feedback equaliser (DFE). The final one is the proposed hybrid interference cancellation (HIC)-aided turboFD-DFE, which combines successive interference cancellation (SIC) with iterative PIC and decoding. The benefit of interference cancellation (IC) is analysed with the EXtrinsic Information Transfer (EXIT) charts. The performance of the coded SC-FDMA systems employing the above-mentioned detection schemes is investigated with the aid of simulations. Our studies show that the IC techniques achieve an attractive performance at a moderate complexity

Iterative Near-Maximum-Likelihood Detection in Rank-Deficient Downlink SDMA Systems

Abstract—In this paper, a precoded and iteratively detected downlink multiuser system is proposed, which is capable of operating in rankdeficient scenarios, when the number of transmitters exceeds the number of receivers. The literature of uplink space division multiple access (SDMA) systems is rich, but at the time of writing there is a paucity of information on the employment of SDMA techniques in the downlink. Hence, we propose a novel precoded downlink SDMA (DL-SDMA) multiuser communication system, which invokes a low-complexity nearmaximum-likelihood sphere decoder and is particularly suitable for the aforementioned rank-deficient scenario. Powerful iterative decoding is carried out by exchanging extrinsic information between the precoder’s decoder and the outer channel decoder. Furthermore, we demonstrate with the aid of extrinsic information transfer charts that our proposed precoded DL-SDMA system has a better convergence behavior than its nonprecoded DL-SDMA counterpart. Quantitatively, the proposed system having a normalized system load of Ls = 1.333, i.e., 1.333 times higher effective throughput facilitated by having 1.333 times more DL-SDMA transmitters than receivers, exhibits a “turbo cliff” at an Eb/N0 of 5 dB and hence results in an infinitesimally low bit error rate (BER). By contrast, at Eb/N0 = 5 dB, the equivalent system dispensing with precoding exhibits a BER in excess of 10%. Index Terms—Iterative decoding, maximum likelihood detection, space division multiple access (SDMA) downlink, sphere decoding

Parallel Interference Cancellation Based Turbo Space-Time Equalization in the SDMA Uplink

A novel Parallel Interference Cancellation (PIC) based turbo Space Time Equalizer (STE) structure designed for multiple antenna assisted uplink receivers is introduced. The proposed receiver structure allows the employment of non-linear type of detectors such as the Bayesian Decision Feedback (DF) assisted turbo STE or the Maximum Aposteriori (MAP) STE, while operating at a moderate computational cost. Receivers based on the proposed structure outperform the linear turbo detector benchmarker based on the Minimum Mean-Squared Error (MMSE) criterion, even if the latter aims for jointly detecting all transmitters’ signals. Additionally the PIC based receiver is capable of equalizing non-linear binary pre-coded channels. The performance difference between the presented algorithms is discussed using Extrinsic Information Transferfunction (EXIT) charts. Index Terms—PIC, EXIT chart, precoding, Bayesian, STE

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

EXIT-charts-aided hybrid multiuser detector for multicarrier interleave-division multiple access

A generically applicable hybrid multiuser detector (MUD) concept is proposed by appropriately activating different MUDs in consecutive turbo iterations based on the mutual information (MI) gain. It is demonstrated that the proposed hybrid MUD is capable of approaching the optimal Bayesian MUD's performance despite its reduced complexity, which is at a modestly increased complexity in comparison with that of the suboptimum soft interference cancellation (SoIC) MU

On the Convergence Speed of Turbo Demodulation with Turbo Decoding

Iterative processing is widely adopted nowadays in modern wireless receivers for advanced channel codes like turbo and LDPC codes. Extension of this principle with an additional iterative feedback loop to the demapping function has proven to provide substantial error performance gain. However, the adoption of iterative demodulation with turbo decoding is constrained by the additional implied implementation complexity, heavily impacting latency and power consumption. In this paper, we analyze the convergence speed of these combined two iterative processes in order to determine the exact required number of iterations at each level. Extrinsic information transfer (EXIT) charts are used for a thorough analysis at different modulation orders and code rates. An original iteration scheduling is proposed reducing two demapping iterations with reasonable performance loss of less than 0.15 dB. Analyzing and normalizing the computational and memory access complexity, which directly impact latency and power consumption, demonstrates the considerable gains of the proposed scheduling and the promising contributions of the proposed analysis.Comment: Submitted to IEEE Transactions on Signal Processing on April 27, 201