Matched filter decoding of random binary and Gaussian codes in broadband Gaussian channel

In this paper we consider the additive white Gaussian noise channel with an average input power constraint in the power-limited regime. A well-known result in information theory states that the capacity of this channel can be achieved by random Gaussian coding with analog quadrature amplitude modulation (QAM). In practical applications, however, discrete binary channel codes with digital modulation are most often employed. We analyze the matched filter decoding error probability in random binary and Gaussian coding setups in the wide bandwidth regime, and show that the performance in the two cases is surprisingly similar without explicit adaptation of the codeword construction to the modulation. The result also holds for the multiple access and the broadcast Gaussian channels, when signal-to-noise ratio is low. Moreover, the two modulations can be even mixed together in a single codeword resulting in a hybrid modulation with asymptotically close decoding behavior. In this sense the matched filter decoder demonstrates the performance that is largely insensitive to the choice of binary versus Gaussian modulation.VT iDirect, Inc. (Award 020903-001

Cyclic-Coded Integer-Forcing Equalization

A discrete-time intersymbol interference channel with additive Gaussian noise is considered, where only the receiver has knowledge of the channel impulse response. An approach for combining decision-feedback equalization with channel coding is proposed, where decoding precedes the removal of intersymbol interference. This is accomplished by combining the recently proposed integer-forcing equalization approach with cyclic block codes. The channel impulse response is linearly equalized to an integer-valued response. This is then utilized by leveraging the property that a cyclic code is closed under (cyclic) integer-valued convolution. Explicit bounds on the performance of the proposed scheme are also derived

Replacing the Soft FEC Limit Paradigm in the Design of Optical Communication Systems

The FEC limit paradigm is the prevalent practice for designing optical communication systems to attain a certain bit-error rate (BER) without forward error correction (FEC). This practice assumes that there is an FEC code that will reduce the BER after decoding to the desired level. In this paper, we challenge this practice and show that the concept of a channel-independent FEC limit is invalid for soft-decision bit-wise decoding. It is shown that for low code rates and high order modulation formats, the use of the soft FEC limit paradigm can underestimate the spectral efficiencies by up to 20%. A better predictor for the BER after decoding is the generalized mutual information, which is shown to give consistent post-FEC BER predictions across different channel conditions and modulation formats. Extensive optical full-field simulations and experiments are carried out in both the linear and nonlinear transmission regimes to confirm the theoretical analysis

Coherence Multiplex System Topologies

Coherence multiplexing is a potentially inexpensive form of optical code-division multiple access, which is particularly suitable for short-range applications with moderate bandwidth requirements, such as access networks, LANs, or interconnects. Various topologies are known for constructing an optical transmission system in which several channels are coherence-multiplexed in one optical fiber. In this paper, the parallel array, the intrinsic reference ladder (IRL), and the discontinuous series system topologies will be further considered and compared with respect to code orthogonality requirements, theoretical performance, and some practical implementation aspects. A modification to the IRL system is proposed, resulting in a significant improvement in the theoretical performance

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

A chaotic spread spectrum system for underwater acoustic communication

The work is supported in part by NSFC (Grant no. 61172070), IRT of Shaanxi Province (2013KCT-04), EPSRC (Grant no.Ep/1032606/1).Peer reviewedPostprin

Performance Prediction of Nonbinary Forward Error Correction in Optical Transmission Experiments

In this paper, we compare different metrics to predict the error rate of optical systems based on nonbinary forward error correction (FEC). It is shown that the correct metric to predict the performance of coded modulation based on nonbinary FEC is the mutual information. The accuracy of the prediction is verified in a detailed example with multiple constellation formats, FEC overheads in both simulations and optical transmission experiments over a recirculating loop. It is shown that the employed FEC codes must be universal if performance prediction based on thresholds is used. A tutorial introduction into the computation of the threshold from optical transmission measurements is also given.Comment: submitted to IEEE/OSA Journal of Lightwave Technolog