Full Diversity Unitary Precoded Integer-Forcing

We consider a point-to-point flat-fading MIMO channel with channel state information known both at transmitter and receiver. At the transmitter side, a lattice coding scheme is employed at each antenna to map information symbols to independent lattice codewords drawn from the same codebook. Each lattice codeword is then multiplied by a unitary precoding matrix ${\bf P}$ and sent through the channel. At the receiver side, an integer-forcing (IF) linear receiver is employed. We denote this scheme as unitary precoded integer-forcing (UPIF). We show that UPIF can achieve full-diversity under a constraint based on the shortest vector of a lattice generated by the precoding matrix ${\bf P}$. This constraint and a simpler version of that provide design criteria for two types of full-diversity UPIF. Type I uses a unitary precoder that adapts at each channel realization. Type II uses a unitary precoder, which remains fixed for all channel realizations. We then verify our results by computer simulations in $2\times2$, and $4\times 4$ MIMO using different QAM constellations. We finally show that the proposed Type II UPIF outperform the MIMO precoding X-codes at high data rates.Comment: 12 pages, 8 figures, to appear in IEEE-TW

A General Rate Duality of the MIMO Multiple Access Channel and the MIMO Broadcast Channel

We present a general rate duality between the multiple access channel (MAC) and the broadcast channel (BC) which is applicable to systems with and without nonlinear interference cancellation. Different to the state-of-the-art rate duality with interference subtraction from Vishwanath et al., the proposed duality is filter-based instead of covariance-based and exploits the arising unitary degree of freedom to decorrelate every point-to-point link. Therefore, it allows for noncooperative stream-wise decoding which reduces complexity and latency. Moreover, the conversion from one domain to the other does not exhibit any dependencies during its computation making it accessible to a parallel implementation instead of a serial one. We additionally derive a rate duality for systems with multi-antenna terminals when linear filtering without interference (pre-)subtraction is applied and the different streams of a single user are not treated as self-interference. Both dualities are based on a framework already applied to a mean-square-error duality between the MAC and the BC. Thanks to this novel rate duality, any rate-based optimization with linear filtering in the BC can now be handled in the dual MAC where the arising expressions lead to more efficient algorithmic solutions than in the BC due to the alignment of the channel and precoder indices.Comment: Submitted to IEEE Globecom 2008; Fixed dimensions of channel matrix H_k and covariance matrix Z_k, slightly modified conclusio

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

Energy efficiency of mmWave massive MIMO precoding with low-resolution DACs

With the congestion of the sub-6 GHz spectrum, the interest in massive multiple-input multiple-output (MIMO) systems operating on millimeter wave spectrum grows. In order to reduce the power consumption of such massive MIMO systems, hybrid analog/digital transceivers and application of low-resolution digital-to-analog/analog-to-digital converters have been recently proposed. In this work, we investigate the energy efficiency of quantized hybrid transmitters equipped with a fully/partially-connected phase-shifting network composed of active/passive phase-shifters and compare it to that of quantized digital precoders. We introduce a quantized single-user MIMO system model based on an additive quantization noise approximation considering realistic power consumption and loss models to evaluate the spectral and energy efficiencies of the transmit precoding methods. Simulation results show that partially-connected hybrid precoders can be more energy-efficient compared to digital precoders, while fully-connected hybrid precoders exhibit poor energy efficiency in general. Also, the topology of phase-shifting components offers an energy-spectral efficiency trade-off: active phase-shifters provide higher data rates, while passive phase-shifters maintain better energy efficiency.Comment: Published in IEEE Journal of Selected Topics in Signal Processin