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

Simplified Log-MAP Algorithm for Very Low-Complexity Turbo Decoder Hardware Architectures

Motivated by the importance of hardware implementation in practical turbo decoders, a simplified, yet effective, n-input max∗ approximation algorithm is proposed with the aim being its efficient implementation for very low-complexity turbo decoder hardware architectures. The simplification is obtained using an appropriate digital circuit for finding the first two maximum values in a set of n data that embeds the computation of a correction term. Various implementation results show that the proposed architecture is simpler by 30%, on average, than the constant logarithmic-maximum a posteriori (Log-MAP) one, in terms of chip area with the same delay. This comes at the expense of very small performance degradation, in the order of 0.1 dB for up to moderate bit error rates, e.g., 10e−5, assuming binary turbo codes. However, when applying scaling to the extrinsic information, the proposed algorithm achieves almost identical Log-MAP turbo code performance for both binary and double-binary turbo codes, without increasing noticeably the implementation complexity

Optical Time-Frequency Packing: Principles, Design, Implementation, and Experimental Demonstration

Time-frequency packing (TFP) transmission provides the highest achievable spectral efficiency with a constrained symbol alphabet and detector complexity. In this work, the application of the TFP technique to fiber-optic systems is investigated and experimentally demonstrated. The main theoretical aspects, design guidelines, and implementation issues are discussed, focusing on those aspects which are peculiar to TFP systems. In particular, adaptive compensation of propagation impairments, matched filtering, and maximum a posteriori probability detection are obtained by a combination of a butterfly equalizer and four 8-state parallel Bahl-Cocke-Jelinek-Raviv (BCJR) detectors. A novel algorithm that ensures adaptive equalization, channel estimation, and a proper distribution of tasks between the equalizer and BCJR detectors is proposed. A set of irregular low-density parity-check codes with different rates is designed to operate at low error rates and approach the spectral efficiency limit achievable by TFP at different signal-to-noise ratios. An experimental demonstration of the designed system is finally provided with five dual-polarization QPSK-modulated optical carriers, densely packed in a 100 GHz bandwidth, employing a recirculating loop to test the performance of the system at different transmission distances.Comment: This paper has been accepted for publication in the IEEE/OSA Journal of Lightwave Technolog

Coding for Parallel Channels: Gallager Bounds for Binary Linear Codes with Applications to Repeat-Accumulate Codes and Variations

This paper is focused on the performance analysis of binary linear block codes (or ensembles) whose transmission takes place over independent and memoryless parallel channels. New upper bounds on the maximum-likelihood (ML) decoding error probability are derived. These bounds are applied to various ensembles of turbo-like codes, focusing especially on repeat-accumulate codes and their recent variations which possess low encoding and decoding complexity and exhibit remarkable performance under iterative decoding. The framework of the second version of the Duman and Salehi (DS2) bounds is generalized to the case of parallel channels, along with the derivation of their optimized tilting measures. The connection between the generalized DS2 and the 1961 Gallager bounds, addressed by Divsalar and by Sason and Shamai for a single channel, is explored in the case of an arbitrary number of independent parallel channels. The generalization of the DS2 bound for parallel channels enables to re-derive specific bounds which were originally derived by Liu et al. as special cases of the Gallager bound. In the asymptotic case where we let the block length tend to infinity, the new bounds are used to obtain improved inner bounds on the attainable channel regions under ML decoding. The tightness of the new bounds for independent parallel channels is exemplified for structured ensembles of turbo-like codes. The improved bounds with their optimized tilting measures show, irrespectively of the block length of the codes, an improvement over the union bound and other previously reported bounds for independent parallel channels; this improvement is especially pronounced for moderate to large block lengths.Comment: Submitted to IEEE Trans. on Information Theory, June 2006 (57 pages, 9 figures

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