An optimization method for designing high rate and high performance SCTCM systems with in-line interleavers

We present a method for designing high-rate, high-performance SCTCM systems with in-line interleavers. Using in-line EXIT charts and ML performance analysis, we develop criteria for choosing constituent codes and optimization methods for selecting the best ones. To illustrate our methods, we show that an optimized SCTCM system with an in-line interleaver for rate r = 5/6 and 64QAM has better performance than other turbo-like TCMs with the same parameters

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

Inter-carrier interference mitigation for underwater acoustic communications

Communicating at a high data rate through the ocean is challenging. Such communications must be acoustic in order to travel long distances. The underwater acoustic channel has a long delay spread, which makes orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) an attractive communication scheme. However, the underwater acoustic channel is highly dynamic, which has the potential to introduce significant inter-carrier interference (ICI). This thesis explores a number of means for mitigating ICI in such communication systems. One method that is explored is directly adapted linear turbo ICI cancellation. This scheme uses linear filters in an iterative structure to cancel the interference. Also explored is on-off keyed (OOK) OFDM, which is a signal designed to avoid ICI

EXIT charts for system design and analysis

Near-capacity performance may be achieved with the aid of iterative decoding, where extrinsic soft information is exchanged between the constituent decoders in order to improve the attainable system performance. Extrinsic information Transfer (EXIT) charts constitute a powerful semi-analytical tool used for analysing and designing iteratively decoded systems. In this tutorial, we commence by providing a rudimentary overview of the iterative decoding principle and the concept of soft information exchange. We then elaborate on the concept of EXIT charts using three iteratively decoded prototype systems as design examples. We conclude by illustrating further applications of EXIT charts, including near-capacity designs, the concept of irregular codes and the design of modulation schemes

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

On the error statistics of turbo decoding for hybrid concatenated codes design

In this paper we propose a model for the generation of error patterns at the output of a turbo decoder using a Context Tree based modelling technique. This model can be used not only to generate the decoder error pattern behaviour with little effort, avoiding simulations, but also to investigate \u2013 with no need of performing neither a turbo code distance spectrum analysis, nor the probabilistic characterization of log-likelihood ratios or of the extrinsic information at a turbo decoder output \u2013 the performance of hybrid concatenated coding (HCC) schemes having a turbo code as component code. These coding schemes combine the features of parallel and serially concatenated codes and thus offer more freedom in code design. It has been demonstrated, in fact, that HCCs can perform closer to capacity than serially concatenated codes while still maintaining a minimum distance that grows linearly with block length

Capacity -based parameter optimization of bandwidth constrained CPM

Continuous phase modulation (CPM) is an attractive modulation choice for bandwidth limited systems due to its small side lobes, fast spectral decay and the ability to be noncoherently detected. Furthermore, the constant envelope property of CPM permits highly power efficient amplification. The design of bit-interleaved coded continuous phase modulation is characterized by the code rate, modulation order, modulation index, and pulse shape. This dissertation outlines a methodology for determining the optimal values of these parameters under bandwidth and receiver complexity constraints. The cost function used to drive the optimization is the information-theoretic minimum ratio of energy-per-bit to noise-spectral density found by evaluating the constrained channel capacity. The capacity can be reliably estimated using Monte Carlo integration. A search for optimal parameters is conducted over a range of coded CPM parameters, bandwidth efficiencies, and channels. Results are presented for a system employing a trellis-based coherent detector. To constrain complexity and allow any modulation index to be considered, a soft output differential phase detector has also been developed.;Building upon the capacity results, extrinsic information transfer (EXIT) charts are used to analyze a system that iterates between demodulation and decoding. Convergence thresholds are determined for the iterative system for different outer convolutional codes, alphabet sizes, modulation indices and constellation mappings. These are used to identify the code and modulation parameters with the best energy efficiency at different spectral efficiencies for the AWGN channel. Finally, bit error rate curves are presented to corroborate the capacity and EXIT chart designs

Spatially Coupled Turbo-Like Codes

The focus of this thesis is on proposing and analyzing a powerful class of codes on graphs---with trellis constraints---that can simultaneously approach capacity and achieve very low error floor. In particular, we propose the concept of spatial coupling for turbo-like code (SC-TC) ensembles and investigate the impact of coupling on the performance of these codes. The main elements of this study can be summarized by the following four major topics. First, we considered the spatial coupling of parallel concatenated codes (PCCs), serially concatenated codes (SCCs), and hybrid concatenated codes (HCCs).We also proposed two extensions of braided convolutional codes (BCCs) to higher coupling memories. Second, we investigated the impact of coupling on the asymptotic behavior of the proposed ensembles in term of the decoding thresholds. For that, we derived the exact density evolution (DE) equations of the proposed SC-TC ensembles over the binary erasure channel. Using the DE equations, we found the thresholds of the coupled and uncoupled ensembles under belief propagation (BP) decoding for a wide range of rates. We also computed the maximum a-posteriori (MAP) thresholds of the underlying uncoupled ensembles. Our numerical results confirm that TCs have excellent MAP thresholds, and for a large enough coupling memory, the BP threshold of an SC-TC ensemble improves to the MAP threshold of the underlying TC ensemble. This phenomenon is called threshold saturation and we proved its occurrence for SC-TCs by use of a proof technique based on the potential function of the ensembles.Third, we investigated and discussed the performance of SC-TCs in the finite length regime. We proved that under certain conditions the minimum distance of an SC-TCs is either larger or equal to that of its underlying uncoupled ensemble. Based on this fact, we performed a weight enumerator (WE) analysis for the underlying uncoupled ensembles to investigate the error floor performance of the SC-TC ensembles. We computed bounds on the error rate performance and minimum distance of the TC ensembles. These bounds indicate very low error floor for SCC, HCC, and BCC ensembles, and show that for HCC, and BCC ensembles, the minimum distance grows linearly with the input block length.The results from the DE and WE analysis demonstrate that the performance of TCs benefits from spatial coupling in both waterfall and error floor regions. While uncoupled TC ensembles with close-to-capacity performance exhibit a high error floor, our results show that SC-TCs can simultaneously approach capacity and achieve very low error floor.Fourth, we proposed a unified ensemble of TCs that includes all the considered TC classes. We showed that for each of the original classes of TCs, it is possible to find an equivalent ensemble by proper selection of the design parameters in the unified ensemble. This unified ensemble not only helps us to understand the connections and trade-offs between the TC ensembles but also can be considered as a bridge between TCs and generalized low-density parity check codes