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

Channel Coding in Molecular Communication

This dissertation establishes and analyzes a complete molecular transmission system from a communication engineering perspective. Its focus is on diffusion-based molecular communication in an unbounded three-dimensional fluid medium. As a basis for the investigation of transmission algorithms, an equivalent discrete-time channel model (EDTCM) is developed and the characterization of the channel is described by an analytical derivation, a random walk based simulation, a trained artificial neural network (ANN), and a proof of concept testbed setup. The investigated transmission algorithms cover modulation schemes at the transmitter side, as well as channel equalizers and detectors at the receiver side. In addition to the evaluation of state-of-the-art techniques and the introduction of orthogonal frequency-division multiplexing (OFDM), the novel variable concentration shift keying (VCSK) modulation adapted to the diffusion-based transmission channel, the lowcomplex adaptive threshold detector (ATD) working without explicit channel knowledge, the low-complex soft-output piecewise linear detector (PLD), and the optimal a posteriori probability (APP) detector are of particular importance and treated. To improve the error-prone information transmission, block codes, convolutional codes, line codes, spreading codes and spatial codes are investigated. The analysis is carried out under various approaches of normalization and gains or losses compared to the uncoded transmission are highlighted. In addition to state-of-the-art forward error correction (FEC) codes, novel line codes adapted to the error statistics of the diffusion-based channel are proposed. Moreover, the turbo principle is introduced into the field of molecular communication, where extrinsic information is exchanged iteratively between detector and decoder. By means of an extrinsic information transfer (EXIT) chart analysis, the potential of the iterative processing is shown and the communication channel capacity is computed, which represents the theoretical performance limit for the system under investigation. In addition, the construction of an irregular convolutional code (IRCC) using the EXIT chart is presented and its performance capability is demonstrated. For the evaluation of all considered transmission algorithms the bit error rate (BER) performance is chosen. The BER is determined by means of Monte Carlo simulations and for some algorithms by theoretical derivation

Filter bank multicarrier waveforms for future wireless networks: interference analysis and cancellation

Billions of devices are expected to connect to future wireless networks. Although conventional orthogonal division multiplexing (OFDM) has proven to be an effective physical layer waveform for enhanced mobile broadband (eMBB), it experiences various challenges. For example, OFDM experiences high out-of-band (OOB) emission caused by the use of rectangular filters. This causes interference to adjacent frequency bands and make OFDM highly sensitive to asynchronous transmissions. Filter bank multicarrier (FBMC) systems have emerged as a promising waveform candidate to satisfy the requirements of future wireless networks. They employ prototype filters with faster spectral decay, which results in better OOB emission and spectral efficiency compared to OFDM. Also, FBMC systems support asynchronous transmissions, which can reduce the signaling overhead in future applications. However, in FBMC systems there is no subcarriers orthogonality, resulting in intrinsic interference. The purpose of this thesis is to address the intrinsic interference problem to make FBMC a viable option for practical application in future wireless networks. In this thesis, iterative interference cancellation (IIC) receivers are developed for FBMC systems to improve their performance and applicability in future applications. First, an IIC receiver is studied for uncoded FBMC with quadrature amplitude modulation (FBMC-QAM) systems. To improve the decoding performance, bit-interleaved coded modulation with iterative decoding (BICM-ID) is incorporated into the IIC receiver design and the technique of extrinsic information transfer (EXIT) chart analysis is used to track the convergence of the IIC-based BICM-ID receiver. Furthermore, the energy harvesting capabilities of FBMC is considered. Particularly, FBMC is integrated with a simultaneous wireless information and power transfer (SWIPT) technique. Finally, an interference cancellation receiver is investigated for asynchronous FBMC systems in both single and mixed numerology systems. Analytical expressions are derived for the various schemes and simulations results are shown to verify the performance of the different FBMC systems

Sparse graph-based coding schemes for continuous phase modulations

The use of the continuous phase modulation (CPM) is interesting when the channel represents a strong non-linearity and in the case of limited spectral support; particularly for the uplink, where the satellite holds an amplifier per carrier, and for downlinks where the terminal equipment works very close to the saturation region. Numerous studies have been conducted on this issue but the proposed solutions use iterative CPM demodulation/decoding concatenated with convolutional or block error correcting codes. The use of LDPC codes has not yet been introduced. Particularly, no works, to our knowledge, have been done on the optimization of sparse graph-based codes adapted for the context described here. In this study, we propose to perform the asymptotic analysis and the design of turbo-CPM systems based on the optimization of sparse graph-based codes. Moreover, an analysis on the corresponding receiver will be done

On implementation aspects of decode and forward and compress and forward relay protocols

In this work, the common relay protocols Decode-and-Forward and Compress-and-Forward (CF) are investigated from a practical point of view: This involves on the one hand the impact of imperfections like channel and carrier phase stimation errors and on the other hand, the question of how to implement relay protocol specific signal processing like quantization for CF which is modeled in information theory simply by additive quantizer noise. To evaluate the performance, achievable rates are determined either numerically with the help of the Max-Flow Min-Cut theorem or by link level simulations.Diese Arbeit untersucht die Relay-Protokolle Decode-and-Forward und Compress-and-Forward (CF) mit dem Fokus auf einer praktischen Umsetzung. Es werden sowohl Störeinflüsse wie Kanal- und Phasenschätzfehler betrachtet als auch spezielle Kompressionsverfahren für das CF Protokoll implementiert. Von großer Bedeutung ist hier die Kompression in Form der Quantisierung, weil diese in der Informationstheorie lediglich durch Quantisierungsrauschen modelliert wird. Zur Auswertung der Leistungsfähigkeit der Protokolle werden die erzielbaren Raten entweder numerisch oder durch Simulation bestimmt

Synchronisation, détection et égalisation de modulation à phase continue dans des canaux sélectifs en temps et en fréquence

Si les drones militaires connaissent un développement important depuis une quinzaine d’année, suivi depuis quelques années par les drones civiles dont les usages ne font que se multiplier, en réalité les drones ont un siècle avec le premier vol d’un avion équipé d’un système de pilotage automatique sur une centaine de kilomètre en 1918. La question des règles d’usage des drones civiles sont en cours de développement malgré leur multiplication pour des usages allant de l’agriculture, à l’observation en passant par la livraison de colis. Ainsi, leur intégration dans l’espace aérien reste un enjeu important, ainsi que les standards de communication avec ces drones dans laquelle s’inscrit cette thèse. Cette thèse vise en effet à étudier et proposer des solutions pour les liens de communications des drones par satellite.L’intégration de ce lien de communication permet d’assurer la fiabilité des communications et particulièrement du lien de Commande et Contrôle partout dans le monde, en s’affranchissant des contraintes d’un réseau terrestre (comme les zones blanches). En raison de la rareté des ressources fréquentielles déjà allouées pour les futurs systèmes intégrant des drones, l’efficacité spectrale devient un paramètre important pour leur déploiement à grande échelle et le contexte spatiale demande l’utilisation d’un système de communication robuste aux non-linéarités. Les Modulations à Phase Continue permettent de répondre à ces problématiques. Cependant, ces dernières sont des modulations non-linéaire à mémoire entraînant une augmentation de la complexité des récepteurs. Du fait de la présence d’un canal multi-trajet (canal aéronautique par satellite), le principal objectif de cette thèse est de proposer des algorithmes d’égalisation (dans le domaine fréquentiel pour réduire leur complexité) et de synchronisation pour CPM adaptés à ce concept tout en essayant de proposer une complexité calculatoire raisonnable. Dans un premier temps, nous avons considéré uniquement des canaux sélectifs en fréquence et avons étudier les différents égaliseurs de la littérature. En étudiant leur similitudes et différences, nous avons pu développer un égaliseur dans le domaine fréquentiel qui proposant les mêmes performances a une complexité moindre. Nous proposons également des méthodes d’estimation canal et une méthode d’estimation conjointe du canal et de la fréquence porteuse. Dans un second temps nous avons montré comment étendre ces méthodes à des canaux sélectifs en temps et fréquence permettant ainsi de conserver une complexité calculatoire raisonnable