Near-Instantaneously Adaptive HSDPA-Style OFDM Versus MC-CDMA Transceivers for WIFI, WIMAX, and Next-Generation Cellular Systems

Burts-by-burst (BbB) adaptive high-speed downlink packet access (HSDPA) style multicarrier systems are reviewed, identifying their most critical design aspects. These systems exhibit numerous attractive features, rendering them eminently eligible for employment in next-generation wireless systems. It is argued that BbB-adaptive or symbol-by-symbol adaptive orthogonal frequency division multiplex (OFDM) modems counteract the near instantaneous channel quality variations and hence attain an increased throughput or robustness in comparison to their fixed-mode counterparts. Although they act quite differently, various diversity techniques, such as Rake receivers and space-time block coding (STBC) are also capable of mitigating the channel quality variations in their effort to reduce the bit error ratio (BER), provided that the individual antenna elements experience independent fading. By contrast, in the presence of correlated fading imposed by shadowing or time-variant multiuser interference, the benefits of space-time coding erode and it is unrealistic to expect that a fixed-mode space-time coded system remains capable of maintaining a near-constant BER

Multiuser MIMO-OFDM for Next-Generation Wireless Systems

This overview portrays the 40-year evolution of orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) research. The amelioration of powerful multicarrier OFDM arrangements with multiple-input multiple-output (MIMO) systems has numerous benefits, which are detailed in this treatise. We continue by highlighting the limitations of conventional detection and channel estimation techniques designed for multiuser MIMO OFDM systems in the so-called rank-deficient scenarios, where the number of users supported or the number of transmit antennas employed exceeds the number of receiver antennas. This is often encountered in practice, unless we limit the number of users granted access in the base station’s or radio port’s coverage area. Following a historical perspective on the associated design problems and their state-of-the-art solutions, the second half of this treatise details a range of classic multiuser detectors (MUDs) designed for MIMO-OFDM systems and characterizes their achievable performance. A further section aims for identifying novel cutting-edge genetic algorithm (GA)-aided detector solutions, which have found numerous applications in wireless communications in recent years. In an effort to stimulate the cross pollination of ideas across the machine learning, optimization, signal processing, and wireless communications research communities, we will review the broadly applicable principles of various GA-assisted optimization techniques, which were recently proposed also for employment inmultiuser MIMO OFDM. In order to stimulate new research, we demonstrate that the family of GA-aided MUDs is capable of achieving a near-optimum performance at the cost of a significantly lower computational complexity than that imposed by their optimum maximum-likelihood (ML) MUD aided counterparts. The paper is concluded by outlining a range of future research options that may find their way into next-generation wireless systems

Performance Enhancement in SU and MU MIMO-OFDM Technique for Wireless Communication: A Review

The consistent demand for higher data rates and need to send giant volumes of data while not compromising the quality of communication has led the development of a new generations of wireless systems. But range and data rate limitations are there in wireless devices. In an attempt to beat these limitations, Multi Input Multi Output (MIMO) systems will be used which also increase diversity and improve the bit error rate (BER) performance of wireless systems. They additionally increase the channel capacity, increase the transmitted data rate through spatial multiplexing, and/or reduce interference from other users. MIMO systems therefore create a promising communication system because of their high transmission rates without additional bandwidth or transmit power and robustness against multipath fading. This paper provides the overview of Multiuser MIMO system. A detailed review on how to increase performance of system and reduce the bit error rate (BER) in different fading environment e.g. Rayleigh fading, Rician fading, Nakagami fading, composite fading

Interference-Mitigating Waveform Design for Next-Generation Wireless Systems

A brief historical perspective of the evolution of waveform designs employed in consecutive generations of wireless communications systems is provided, highlighting the range of often conflicting demands on the various waveform characteristics. As the culmination of recent advances in the field the underlying benefits of various Multiple Input Multiple Output (MIMO) schemes are highlighted and exemplified. As an integral part of the appropriate waveform design, cognizance is given to the particular choice of the duplexing scheme used for supporting full-duplex communications and it is demonstrated that Time Division Duplexing (TDD) is substantially outperformed by Frequency Division Duplexing (FDD), unless the TDD scheme is combined with further sophisticated scheduling, MIMOs and/or adaptive modulation/coding. It is also argued that the specific choice of the Direct-Sequence (DS) spreading codes invoked in DS-CDMA predetermines the properties of the system. It is demonstrated that a specifically designed family of spreading codes exhibits a so-called interference-free window (IFW) and hence the resultant system is capable of outperforming its standardised counterpart employing classic Orthogonal Variable Spreading Factor (OVSF) codes under realistic dispersive channel conditions, provided that the interfering multi-user and multipath components arrive within this IFW. This condition may be ensured with the aid of quasisynchronous adaptive timing advance control. However, a limitation of the system is that the number of spreading codes exhibiting a certain IFW is limited, although this problem may be mitigated with the aid of novel code design principles, employing a combination of several spreading sequences in the time-frequency and spatial-domain. The paper is concluded by quantifying the achievable user load of a UTRA-like TDD Code Division Multiple Access (CDMA) system employing Loosely Synchronized (LS) spreading codes exhibiting an IFW in comparison to that of its counterpart using OVSF codes. Both system's performance is enhanced using beamforming MIMOs

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

MIMO-aided near-capacity turbo transceivers: taxonomy and performance versus complexity

In this treatise, we firstly review the associated Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) system theory and review the family of hard-decision and soft-decision based detection algorithms in the context of Spatial Division Multiplexing (SDM) systems. Our discussions culminate in the introduction of a range of powerful novel MIMO detectors, such as for example Markov Chain assisted Minimum Bit-Error Rate (MC-MBER) detectors, which are capable of reliably operating in the challenging high-importance rank-deficient scenarios, where there are more transmitters than receivers and hence the resultant channel-matrix becomes non-invertible. As a result, conventional detectors would exhibit a high residual error floor. We then invoke the Soft-Input Soft-Output (SISO) MIMO detectors for creating turbo-detected two- or three-stage concatenated SDM schemes and investigate their attainable performance in the light of their computational complexity. Finally, we introduce the powerful design tools of EXtrinsic Information Transfer (EXIT)-charts and characterize the achievable performance of the diverse near- capacity SISO detectors with the aid of EXIT charts