Hybrid Transceiver Optimization for Multi-Hop Communications

Multi-hop communication with the aid of large-scale antenna arrays will play a vital role in future emergence communication systems. In this paper, we investigate amplify-and-forward based and multiple-input multiple-output assisted multi-hop communication, in which all nodes employ hybrid transceivers. Moreover, channel errors are taken into account in our hybrid transceiver design. Based on the matrix-monotonic optimization framework, the optimal structures of the robust hybrid transceivers are derived. By utilizing these optimal structures, the optimizations of analog transceivers and digital transceivers can be separated without loss of optimality. This fact greatly simplifies the joint optimization of analog and digital transceivers. Since the optimization of analog transceivers under unit-modulus constraints is non-convex, a projection type algorithm is proposed for analog transceiver optimization to overcome this difficulty. Based on the derived analog transceivers, the optimal digital transceivers can then be derived using matrix-monotonic optimization. Numeral results obtained demonstrate the performance advantages of the proposed hybrid transceiver designs over other existing solutions.Comment: 32 pages, 6 figures. This manuscript has been submitted to IEEE Journal on Selected Areas in Communications (special issue on Multiple Antenna Technologies for Beyond 5G

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

Hybrid Supervised-Unsupervised Channel Estimation Scheme with Dynamic Transmission of Pilots

The final publication is available at Springer via http://dx.doi.org/10.1007/s11063-010-9161-x[Abstract] Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) digital communications standards typically include pilot symbols in the definition of the transmit signals with the purpose of acquiring the Channel State Information (CSI) using supervised algorithms at the receiver side. Such pilot symbols convey no information and, therefore, system throughput, spectral efficiency and transmit energy consumption are all penalized. In this article, we propose to acquire the CSI combining supervised and unsupervised algorithms. Our strategy avoids the periodical transmission of unnecessary pilots by using a simple decision criterion to determine the time instants when the performance obtained with an unsupervised algorithm degrades or, equivalently, the time instants when pilots are required. We show the performance of this scheme for MIMO systems with Decision-feedback equalizers at the receiver.Galicia. Consellería de Economía e Industria; 09TIC008105PRMinisterio de Ciencia e Innovación; TEC2007-68020-C04-01Ministerio de Ciencia e Innovación; TIN2009-0573Ministerio de Ciencia e Innovación; CSD2008-0001

SGD Frequency-Domain Space-Frequency Semiblind Multiuser Receiver with an Adaptive Optimal Mixing Parameter

A novel stochastic gradient descent frequency-domain (FD) space-frequency (SF) semiblind multiuser receiver with an adaptive optimal mixing parameter is proposed to improve performance of FD semiblind multiuser receivers with a fixed mixing parameters and reduces computational complexity of suboptimal FD semiblind multiuser receivers in SFBC downlink MIMO MC-CDMA systems where various numbers of users exist. The receiver exploits an adaptive mixing parameter to mix information ratio between the training-based mode and the blind-based mode. Analytical results prove that the optimal mixing parameter value relies on power and number of active loaded users existing in the system. Computer simulation results show that when the mixing parameter is adapted closely to the optimal mixing parameter value, the performance of the receiver outperforms existing FD SF adaptive step-size (AS) LMS semiblind based with a fixed mixing parameter and conventional FD SF AS-LMS training-based multiuser receivers in the MSE, SER and signal to interference plus noise ratio in both static and dynamic environments

Advanced DSP Techniques for High-Capacity and Energy-Efficient Optical Fiber Communications

The rapid proliferation of the Internet has been driving communication networks closer and closer to their limits, while available bandwidth is disappearing due to an ever-increasing network load. Over the past decade, optical fiber communication technology has increased per fiber data rate from 10 Tb/s to exceeding 10 Pb/s. The major explosion came after the maturity of coherent detection and advanced digital signal processing (DSP). DSP has played a critical role in accommodating channel impairments mitigation, enabling advanced modulation formats for spectral efficiency transmission and realizing flexible bandwidth. This book aims to explore novel, advanced DSP techniques to enable multi-Tb/s/channel optical transmission to address pressing bandwidth and power-efficiency demands. It provides state-of-the-art advances and future perspectives of DSP as well

Multiuser equalizer for hybrid massive MIMO mmWave CE-OFDM systems

This paper considers a multiuser broadband uplink massive multiple input multiple output (MIMO) millimeter-wave (mmWave) system. The constant envelope orthogonal frequency division multiplexing (CE-OFDM) is adopted as a modulation technique to allow an efficient power amplification, fundamental for mmWave based systems. Furthermore, a hybrid architecture is considered at the user terminals (UTs) and base station (BS) to reduce the high cost and power consumption required by a full-digital architecture, which has a radio frequency (RF) chain per antenna. Both the design of the UT’s precoder and base station equalizer are considered in this work. With the aim of maximizing the beamforming gain between each UT and the BS, the precoder analog coefficients are computed as a function of the average angles of departure (AoD), which are assumed to be known at the UTs. At the BS, the analog part is derived by assuming a system with no multi-user interference. Then, a per carrier basis nonlinear/iterative multi-user equalizer, based on the iterative block decision feedback equalization (IB-DFE) principle is designed, to explicitly remove both the multi-user and residual inter carrier interferences, not tackled in the analog part. The equalizer design metric is the sum of the mean square error (MSE) of all subcarriers, whose minimization is shown to be equivalent to the minimization of a weighted error between the hybrid and the full digital equalizer matrices. The results show that the proposed hybrid multi-user equalizer has a performance close to the fully digital counterpart.publishe

Low-complexity soft-decision feedback turbo equalization for multilevel modulations

This dissertation proposes two new decision feedback equalization schemes suitable for multilevel modulation systems employing turbo equalization. One is soft-decision feedback equalization (SDFE) that takes into account the reliability of both soft a priori information and soft decisions of the data symbols. The proposed SDFE exhibits lower signal to noise ratio (SNR) threshold that is required for water fall bit error rate (BER) and much faster convergence than the near-optimal exact minimum mean square error linear equalizer (Exact-MMSE-LE) for high-order constellation modulations. The proposed SDFE also offers a low computational complexity compared to the Exact-MMSE-LE. The drawback of the SDFE is that its coefficients cannot reach the matched filter bound (MFB) and therefore after a large number of iterations (e.g. 10), its performance becomes inferior to that of the Exact-MMSE-LE. Therefore, soft feedback intersymbol interference (ISI) canceller-based (SIC) structure is investigated. The SIC structure not only exhibits the same low complexity, low SNR threshold and fast convergence as the SDFE but also reaches the MFB after a large number of iterations. Both theoretical analysis and numerical simulations demonstrate why the SIC achieves MFB while the SDFE cannot. These two turbo equalization structures are also extended from single-input single-output (SISO) systems to multiple-input multiple-output (MIMO) systems and applied in high data-rate underwater acoustic (UWA) communications --Abstract, page iv