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

Low-complexity iterative frequency domain decision feedback equalization

Single-carrier transmission with frequency domain equalization (SC-FDE) offers a viable design alternative to the classic orthogonal frequency division multiplexing technique. However, SC-FDE using a linear equalizer may suffer from serious performance deterioration for transmission over severely frequency-selective fading channels. An effective method of solving this problem is to introduce non-linear decision feedback equalization (DFE) to SC-FDE. In this contribution, a low complexity iterative decision feedback equalizer operating in the frequency domain of single-carrier systems is proposed. Based on the minimum mean square error criterion, a simplified parameter estimation method is introduced to calculate the coefficients of the feed-forward and feedback filters, which significantly reduces the implementation complexity of the equalizer. Simulation results show that the performance of the proposed simplified design is similar to the traditional iterative block DFE under various multipath fading channels but it imposes a much lower complexity than the latter

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

Robust frequency-domain turbo equalization for multiple-input multiple-output (MIMO) wireless communications

This dissertation investigates single carrier frequency-domain equalization (SC-FDE) with multiple-input multiple-output (MIMO) channels for radio frequency (RF) and underwater acoustic (UWA) wireless communications. It consists of five papers, selected from a total of 13 publications. Each paper focuses on a specific technical challenge of the SC-FDE MIMO system. The first paper proposes an improved frequency-domain channel estimation method based on interpolation to track fast time-varying fading channels using a small amount of training symbols in a large data block. The second paper addresses the carrier frequency offset (CFO) problem using a new group-wise phase estimation and compensation algorithm to combat phase distortion caused by CFOs, rather than to explicitly estimate the CFOs. The third paper incorporates layered frequency-domain equalization with the phase correction algorithm to combat the fast phase rotation in coherent communications. In the fourth paper, the frequency-domain equalization combined with the turbo principle and soft successive interference cancelation (SSIC) is proposed to further improve the bit error rate (BER) performance of UWA communications. In the fifth paper, a bandwidth-efficient SC-FDE scheme incorporating decision-directed channel estimation is proposed for UWA MIMO communication systems. The proposed algorithms are tested by extensive computer simulations and real ocean experiment data. The results demonstrate significant performance improvements in four aspects: improved channel tracking, reduced BER, reduced computational complexity, and enhanced data efficiency --Abstract, page iv

Estimation and detection techniques for doubly-selective channels in wireless communications

A fundamental problem in communications is the estimation of the channel. The signal transmitted through a communications channel undergoes distortions so that it is often received in an unrecognizable form at the receiver. The receiver must expend significant signal processing effort in order to be able to decode the transmit signal from this received signal. This signal processing requires knowledge of how the channel distorts the transmit signal, i.e. channel knowledge. To maintain a reliable link, the channel must be estimated and tracked by the receiver. The estimation of the channel at the receiver often proceeds by transmission of a signal called the 'pilot' which is known a priori to the receiver. The receiver forms its estimate of the transmitted signal based on how this known signal is distorted by the channel, i.e. it estimates the channel from the received signal and the pilot. This design of the pilot is a function of the modulation, the type of training and the channel. [Continues.

Turbo EP-based Equalization: a Filter-Type Implementation

This manuscript has been submitted to Transactions on Communications on September 7, 2017; revised on January 10, 2018 and March 27, 2018; and accepted on April 25, 2018 We propose a novel filter-type equalizer to improve the solution of the linear minimum-mean squared-error (LMMSE) turbo equalizer, with computational complexity constrained to be quadratic in the filter length. When high-order modulations and/or large memory channels are used the optimal BCJR equalizer is unavailable, due to its computational complexity. In this scenario, the filter-type LMMSE turbo equalization exhibits a good performance compared to other approximations. In this paper, we show that this solution can be significantly improved by using expectation propagation (EP) in the estimation of the a posteriori probabilities. First, it yields a more accurate estimation of the extrinsic distribution to be sent to the channel decoder. Second, compared to other solutions based on EP the computational complexity of the proposed solution is constrained to be quadratic in the length of the finite impulse response (FIR). In addition, we review previous EP-based turbo equalization implementations. Instead of considering default uniform priors we exploit the outputs of the decoder. Some simulation results are included to show that this new EP-based filter remarkably outperforms the turbo approach of previous versions of the EP algorithm and also improves the LMMSE solution, with and without turbo equalization

Frequency-Domain Turbo Equalization for MIMO Underwater Acoustic Communications

This paper investigates a low-complexity frequency-domain turbo equalization (FDTE) based on linear minimum mean square error (LMMSE) criterion for single-carrier (SC) multiple-input multiple-output (MIMO) underwater acoustic communications (UAC). The receiver incorporates both the equalizer and the decoder which exchange the extrinsic information on the coded bits for each other to implement the iterative detection. The channel impulse responses (CIRs) required in the equalization are estimated in the frequency domain (FD) by inserting the well-designed pilot blocks which are frequency-orthogonal Chu sequences. The proposed SC-MIMO-FDTE architecture is applied to the fixed-to-fixed underwater data gathered during SPACE08 ocean experiments in October 2008, where multiple transducers and hydrophones are deployed in communication ranges of 200m and 1000m, and the channel bandwidth is 9.765625 kHz. The phase shift keying (PSK) signals are transmitted from multiple transducers in various block sizes. The proposed transceiver has been demonstrated to improve the bit-error-rate (BER) performance significantly by processing the QPSK data blocks with block length of 1024 in 200m and 1000m ranges. The average BERs obtained by turbo detection with 3 iterations can achieve approximately 1.4 × 10-4 for the 200m system and 4.4 × 10-5 for the 1000m system