Cross-layer hybrid automatic repeat request error control with turbo processing for wireless system

The increasing demand for wireless communication system requires an efficient design in wireless communication system. One of the main challenges is to design error control mechanism in noisy wireless channel. Forward Error Correction (FEC) and Automatic Repeat reQuest (ARQ) are two main error control mechanisms. Hybrid ARQ allows the use of either FEC or ARQ when required. The issues with existing Hybrid ARQ are reliability, complexity and inefficient design. Therefore, the design of Hybrid ARQ needs to be further improved in order to achieve performance close to the Shannon capacity. The objective of this research is to develop a Cross-Layer Design Hybrid ARQ defined as CLD_ARQ to further minimize error in wireless communication system. CLD_ARQ comprises of three main stages. First, a low complexity FEC defined as IRC_FEC for error detection and correction has been developed by using Irregular Repetition Code (IRC) with Turbo processing. The second stage is the enhancement of IRC_FEC defined as EM_IRC_FEC to improve the reliability of error detection by adopting extended mapping. The last stage is the development of efficient CLD_ARQ to include retransmission for error correction that exploits EM_IRC_FEC and ARQ. In the proposed design, serial iterative decoding and parallel iterative decoding are deployed in the error detection and correction. The performance of the CLD_ARQ is evaluated in the Additive White Gaussian Noise (AWGN) channel using EXtrinsic Information Transfer (EXIT) chart, bit error rate (BER) and throughput analysis. The results show significant Signal-to-Noise Ratio (SNR) gain from the theoretical limit at BER of 10-5. IRC_FEC outperforms Recursive Systematic Convolutional Code (RSCC) by SNR gain up to 7% due to the use of IRC as a simple channel coding code. The usage of CLD_ARQ enhances the SNR gain by 53% compared to without ARQ due to feedback for retransmission. The adoption of extended mapping in the CLD_ARQ improves the SNR gain up to 50% due to error detection enhancement. In general, the proposed CLD_ARQ can achieve low BER and close to the Shannon‘s capacity even in worse channel condition

Performance of turbo multi-user detectors in space-time coded DS-CDMA systems

Includes bibliographical references (leaves 118-123).In this thesis we address the problem of improving the uplink capacity and the performance of a DS-CDMA system by combining MUD and turbo decoding. These two are combined following the turbo principle. Depending on the concatenation scheme used, we divide these receivers into the Partitioned Approach (PA) and the Iterative Approach (IA) receivers. To enable the iterative exchange of information, these receivers employ a Parallel Interference Cancellation (PIC) detector as the first receiver stage

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

Linear space-time modulation in multiple-antenna channels

This thesis develops linear space–time modulation techniques for (multi-antenna) multi-input multi-output (MIMO) and multiple-input single-output (MISO) wireless channels. Transmission methods tailored for such channels have recently emerged in a number of current and upcoming standards, in particular in 3G and "beyond 3G" wireless systems. Here, these transmission concepts are approached primarily from a signal processing perspective. The introduction part of the thesis describes the transmit diversity concepts included in the WCDMA and cdma2000 standards or standard discussions, as well as promising new transmission methods for MIMO and MISO channels, crucial for future high data-rate systems. A number of techniques developed herein have been adopted in the 3G standards, or are currently being proposed for such standards, with the target of improving data rates, signal quality, capacity or system flexibility. The thesis adopts a model involving matrix-valued modulation alphabets, with different dimensions usually defined over space and time. The symbol matrix is formed as a linear combination of symbols, and the space-dimension is realized by using multiple transmit and receive antennas. Many of the transceiver concepts and modulation methods developed herein provide both spatial multiplexing gain and diversity gain. For example, full-diversity full-rate schemes are proposed where the symbol rate equals the number of transmit antennas. The modulation methods are developed for open-loop transmission. Moreover, the thesis proposes related closed-loop transmission methods, where space–time modulation is combined either with automatic retransmission or multiuser scheduling.reviewe

Design and analysis of iteratively decodable codes for ISI channels

Recent advancements in iterative processing have allowed communication systems to perform close to capacity limits withmanageable complexity.For manychannels such as the AWGN and flat fading channels, codes that perform only a fraction of a dB from the capacity have been designed in the literature. In this dissertation, we will focus on the design and analysis of near-capacity achieving codes for another important class of channels, namely inter-symbol interference (ISI)channels. We propose various coding schemes such as low-density parity-check (LDPC) codes, parallel and serial concatenations for ISI channels when there is no spectral shaping used at the transmitter. The design and analysis techniques use the idea of extrinsic information transfer (EXIT) function matching and provide insights into the performance of different codes and receiver structures. We then present a coding scheme which is the concatenation of an LDPC code with a spectral shaping block code designed to be matched to the channel??s spectrum. We will discuss how to design the shaping code and the outer LDPC code. We will show that spectral shaping matched codes can be used for the parallel concatenation to achieve near capacity performance. We will also discuss the capacity of multiple antenna ISI channels. We study the effects of transmitter and receiver diversities and noisy channel state information on channel capacity