New Iterative Frequency-Domain Detectors for IA-Precoded MC-CDMA Systems

The aim of this paper is to design new multi-user receivers based on the iterative block decision feedback equalization concept for MC-CDMA systems with closed-form interference alignment (IA) at the transmitted side. IA is a promising technique that allows high capacity gains in interfering channels. On the other hand, iterative frequency-domain detection receivers based on the IB-DFE concept can efficiently exploit the inherent space-frequency diversity of the MIMO MC-CDMA systems. In IA-precoded based systems the spatial streams are usually separated by using a standard linear MMSE equalizer. However, for MC-CDMA based systems, linear equalization is not the most efficient way of separating spatial streams due to the residual inter-carrier interference (ICI). Therefore, we design new non-linear iterative receiver structures to efficiently remove the aligned interference and separate the spatial streams in presence of residual ICI. Two strategies are considered: in the first one the equalizer matrices are obtained by minimizing the mean square error (MSE) of each individual data stream at each subcarrier, while in the second approach the matrices are computed by minimizing the overall MSE of all data streams at each subcarrier. We also propose an accurate analytical approach for obtaining the performance of the proposed receivers. Our schemes achieve the maximum degrees of freedom provided by the IA precoding, while allowing close-to-optimum space-diversity gain, with performance approaching the matched filter bound

Técnicas de equalização e pré-codificação para sistemas MC-CDMA

Mestrado em Engenharia Eletrónica e TelecomunicaçõesO número de dispositivos com ligações e aplicações sem fios está a aumentar exponencialmente, causando problemas de interferência e diminuindo a capacidade do sistema. Isto desencadeou uma procura por uma eficiência espectral superior e, consequentemente, tornou-se necessário desenvolver novas arquitecturas celulares que suportem estas novas exigências. Coordenação ou cooperação multicelular é uma arquitectura promissora para sistemas celulares sem fios. Esta ajuda a mitigar a interferência entre células, melhorando a equidade e a capacidade do sistema. É, portanto, uma arquitectura já em estudo ao abrigo da tecnologia LTE-Advanced sob o conceito de coordenação multiponto (CoMP). Nesta dissertação, considerámos um sistema coordenado MC-CDMA com pré-codificação e equalização iterativas. Uma das técnicas mais eficientes de pré-codificação é o alinhamento de interferências (IA). Este é um conceito relativamente novo que permite aumentar a capacidade do sistema em canais de elevada interferência. Sabe-se que, para os sistemas MC-CDMA, os equalizadores lineares convencionais não são os mais eficientes, devido à interferência residual entre portadoras (ICI). No entanto, a equalização iterativa no domínio da frequência (FDE) foi identificada como sendo uma das técnicas mais eficientes para lidar com ICI e explorar a diversidade oferecida pelos sistemas MIMO MC-CDMA. Esta técnica é baseada no conceito Iterative Block Decision Feedback Equalization (IB-DFE). Nesta dissertação, é proposto um sistema MC-CDMA que une a pré-codificação iterativa do alinhamento de interferências no transmissor ao equalizador baseado no IB-DFE, com cancelamento sucessivo de interferências (SIC) no receptor. Este é construído por dois blocos: um filtro linear, que mitiga a interferência inter-utilizador, seguido por um bloco iterativo no domínio da frequência, que separa eficientemente os fluxos de dados espaciais na presença de interferência residual inter-utilizador alinhada. Este esquema permite atingir o número máximo de graus de liberdade e permite simultaneamente um ganho óptimo de diversidade espacial. O desempenho deste esquema está perto do filtro adaptado- Matched Filter Bound (MFB).The number of devices with wireless connections and applications is increasing exponentially, causing interference problems and reducing the system’s capacity gain. This initiated a search for a higher spectral efficiency and therefore it became necessary to develop new cellular architectures that support these new requirements. Multicell cooperation or coordination is a promising architecture for cellular wireless systems to mitigate intercell interference, improving system fairness and increasing capacity, and thus is already under study in LTE-Advanced under the coordinated multipoint (CoMP) concept. In this thesis, efficient iterative precoding and equalization is considered for coordinated MC-CDMA based systems. One of the most efficient precoding techniques is interference alignment (IA), which is a relatively new concept that allows high capacity gains in interfering channels. It is well known that for MC-CDMA systems standard linear equalizers are not the most efficient due to residual inter carrier interference (ICI). However, iterative frequency-domain equalization (FDE) has been identified as one of the most efficient technique to deal with ICI and exploit the inherent space-frequency diversity of the MIMO MC-CDMA systems, namely the one based on Iterative Block Decision Feedback Equalization (IB-DFE) concept. In this thesis, it is proposed a MC-CDMA system that joins iterative IA precoding at the transmitter with IB-DFE successive interference cancellation (SIC) based receiver structure. The receiver is implemented in two steps: a linear filter, which mitigates the inter-user aligned interference, followed by an iterative frequency-domain receiver, which efficiently separates the spatial streams in the presence of residual inter-user aligned interference. This scheme provides the maximum degrees of freedom (DoF) and allows almost the optimum space-diversity gain. The scheme performance is close to the matched filter bound (MFB)

Pré-codificação e equalização para sistemas SC-FDMA heterogéneos

Mestrado em Engenharia Electrónica e TelecomunicaçõesMobile traffic in cellular networks is increasing exponentially. Small-cells are considered as a key solution to meet these requirements. Under the same spectrum the small-cells and the associated macro-cell (forming the so called heterogeneous systems) must cooperate so that one system can adapt to the other. If no cooperation is considered then the small-cells will generate harmful interference at the macro-cell. Interference alignment (IA) is a precoding technique that is able to achieve the maximum degrees of freedom of the interference channel, and can efficiently deal with inter-systems interference. Single carrier frequency division multiple access (SC-FDMA) is a promising solution technique for high data rate uplink communications in future cellular systems. Conventional linear equalizers are not efficient to remove the residual inter-carrier interference of the SC-FDMA systems. For this reason, there has been significant interest in the design of nonlinear frequency domain equalizers in general and decision feedback equalizers in particular, with the iterative block decision feedback equalizer (IB-DFE) being the most promising nonlinear equalizer. In this dissertation we propose and evaluate joint interference alignment precoding at the small cell user terminals with iterative non-linear frequency domain equalizer at the receivers (macro base station and central unit) for SC-FDMA based heterogeneous networks. The small-cell precoders are designed by enforcing that all generated interference at the macro-cell is aligned in an orthogonal subspace to the macro-cell received signal subspace. This enforces that no performance degradation is observed at the macro cell. Then, we design an iterative nonlinear frequency domain equalizer at the macro-cell receiver that is able to recover the macro-cell spatial streams, in the presence of both small-cell and inter-carrier interferences. The results show that the proposed transmitter and receiver structures are robust to the inter-system interferences and at the same time are able to efficient separate the macro and small cells spatial streams.O trafego móvel nas redes celulares tem aumentado exponencialmente. As pico- células são consideradas como a solução chave para cumprir estes requisitos. Dentro do mesmo espectro, as pico-células e as macro-células (formando os chamados sistemas heterogéneos) precisam de colaborar de modo a que um sistema possa adaptar-se ao outro. Se não for considerada a cooperação, então as pico-células irão gerar interferência prejudicial na macro-célula. Interference alignment (IA) é uma técnica de précodificação que é capaz de atingir o grau máximo de liberdade do canal de interferência, e consegue lidar eficazmente com interferência entre sistemas. Single carrier frequency division multiple access (SC-FDMA) é uma solução técnica promissora para transmissão de dados em uplink, para sistemas celulares futuros. Equalizadores lineares convencionais não são eficientes a remover a interferência residual entre portadoras dos sistemas SC-FDMA. Por este motivo, tem havido interesse significativo no desenho de equalizadores não lineares no domínio da frequência em geral e em equalizadores baseados em decisão por feedback em particular, tendo o iterative block decision feedback equalizer (IB-DFE) como o equalizador não linear mais promissor. Nesta dissertação propomos e avaliamos précodificação de alinhamento de interferência nos terminais das pico-células em conjunto com equalizadores não lineares no domínio da frequência nos recetores (estação base da macro-célula e unidade central de processamento) para redes heterogéneas baseadas em SC-FDMA. Os précodificadores das pico-células são desenhados de maneira a obrigar a que toda a interferência gerada na macro-célula esteja alinhada num subespaço ortogonal em relação ao subespaço do sinal recebido na macro- célula. Isto obriga a que não seja observada degradação de desempenho na macro-célula. Em seguida, desenhamos um equalizador não linear no domínio da frequência no recetor da macro-célula capaz de recuperar os fluxos de dados da macro-célula, na presença de interferência tanto entre portadoras como das pico-células. Os resultados mostram que as estruturas de transmissão e receção propostas são robustas contra a interferência entre sistemas e ao mesmo tempo capaz de separar eficientemente os dados da macro e das pico células

Técnicas de equalização iterativa para arquiteturas híbridas sub-conectadas na banda de ondas milimétricas

Mestrado em Engenharia Eletrónica e TelecomunicaçõesThe millimeter wave communications and the use of a massive number of antennas are two promising technologies that being combined allow to achieve the multi Gb/s required by future 5G wireless systems. As this type of systems has a high number of antennas it is impossible to use a fully digital architecture, due to hardware limitations. Therefore, the design of signal processing techniques for hybrid analog-digital architectures is a requirement. Depending on the structure of the analog part the hybrid analog-digital architectures may be fully connected or sub-connected. Although the fully connected hybrid architectures allow to connect all RF chains to any antenna element, they involve a high cost due to its structural and computational complexity. As such, the sub-connected hybrid architectures become more attractive, since either at the hardware level or from the computational point of view they are less demanding. In this dissertation, we propose a hybrid iterative block multiuser equalizer for sub-connected millimeter wave massive MIMO systems. The user terminal transceiver has low-complexity and as such employ a pure analog random precoder, with a single RF chain. For the base station, a sub-connected hybrid analog-digital equalizer is designed to remove the multiuser interference. The hybrid equalizer is optimized using the average bit-error-rate as a metric. Due to the coupling between the RF chains in the optimization problem the computation of the optimal solution is way too complex. To address this problem, we compute the analog part of the equalizer sequentially over the RF chains using a dictionary built from the array response vectors. The proposed sub-connected hybrid iterative multiuser equalizer is compared with a recently proposed fully connected hybrid analog-digital approach and with the fully digital architecture. The results show that the performance of the proposed scheme is close to the fully connected hybrid approach after just a few iterations.As comunicações na banda das ondas milimétricas e o uso massivo de antenas são duas tecnologias promissoras que, sendo combinadas permitem alcançar elevadas taxas de transmissão, na ordem dos multi Gb/s, exigidas pelos futuros sistemas sem fios da 5G. Como estes sistemas possuem um número elevado de antenas, torna-se impossível o uso de uma arquitetura totalmente digital devido às limitações de hardware. Desta forma, é necessário projetar técnicas de processamento de sinal para arquiteturas híbridas analógico-digitais. Dentro das arquiteturas híbridas, foram propostas duas formas de lidar com a parte analógica, que são, a forma totalmente conectada e a forma sub-conectada. Embora as arquiteturas híbridas totalmente conectadas permitam interligar todas as cadeias RF a qualquer elemento de antena, estas envolvem um elevado custo devido à sua complexidade estrutural e computacional. Assim sendo, as arquiteturas híbridas sub-conectadas tornam-se mais atraentes pois são menos exigentes do ponto de vista computacional, bem como ao nível do hardware. Nesta dissertação, é proposto um equalizador iterativo para um sistema com uma arquitetura hibrida sub-conectada, com múltiplos utilizadores e um número massivo de antenas a operar na banda das ondas milimétricas. Os terminais dos utilizadores têm baixa complexidade e utilizam pré-codificadores aleatórios analógicos puros, cada um com uma única cadeia RF. Para a estação base, projetou-se um equalizador híbrido analógico-digital de arquitectura sub-conectada, para remover a interferência multiutilizador. O equalizador híbrido é otimizado usando a taxa média de erro de bit como métrica. Devido ao acoplamento entre as cadeias de RF no problema de otimização, o cálculo das soluções ótimas possui elevada complexidade. Para ultrapassar este problema, calculou-se a parte analógica de cada cadeia de RF do equalizador de forma sequencial, usando um dicionário construído a partir da resposta do agregado de antenas. Compara-se o equalizador iterativo híbrido para sistemas multiutilizador de arquitectura sub-conectada proposto com uma abordagem híbrida analógica/digital totalmente conectada, recentemente proposta na literatura e com uma arquitetura totalmente digital. Os resultados mostram que o desempenho do esquema proposto aproximasse da abordagem híbrida totalmente conectada após apenas algumas iterações

IB-DFE SIC based Receiver Structure for IA-Precoded MC-CDMA Systems

Interference alignment (IA) is a promising technique that allows high capacity gains in interfering channels. On the other hand, iterative frequency-domain detection receivers based on the IB-DFE concept (Iterative Block Decision Feedback Equalization) can efficiently exploit the inherent space-frequency diversity of the MIMO MC-CDMA systems. In this paper we design a joint iterative IA precoding at the transmitter with IB-DFE successive interference cancellation (SIC) based receiver structure for MC-CDMA systems. The receiver is designed in two steps: first a linear filter is used to mitigate the inter-user aligned interference, and then an iterative frequency-domain receiver is designed to efficiently separate the spatial streams in the presence of residual inter-user aligned interference at the output of the filter. Our scheme achieves the maximum degrees of freedom provided by the IA precoding, while allowing an almost optimum space-diversity gain, with performance close to the matched filter bound (MFB)