Detection and Resource Allocation Algorithms for Cooperative MIMO Relay Systems

Cooperative communications and multiple-input multiple-output (MIMO) communication systems are important topics in current research that will play key roles in the future of wireless networks and standards. In this thesis, the various challenges in accurately detecting and estimating data signals and allocating resources in the cooperative systems are investigated. Firstly, we propose a cross-layer design strategy that consists of a cooperative maximum likelihood (ML) detector operating in conjunction with link selection for a cooperative MIMO network. Two new link selection schemes are proposed, along with an iterative detection and decoding (IDD) scheme that utilises channel coding techniques. Simulation results show the performance and potential gains of the proposed schemes. Secondly, a successive interference cancellation (SIC) detector is proposed for a MIMO system that has dynamic ordering based on a reliability ordering (RO), and an alternative multiple feedback (MF) candidate cancellation method. The complexity of these schemes is analysed and a hard decision feedback IDD system is also proposed. Results show that the proposed detector can give gains over existing schemes for a minimal amount of extra complexity. Lastly, a detector is proposed that is based upon the method of widely linear (WL) filtering and a multiple branch (MB) SIC, for an overloaded, multi-user cooperative MIMO system. The use of WL methods is explained, and a new method of choosing cancellation branches for an MB detector is proposed with an analysis of the complexity required. A list-based IDD system is developed, and simulation results show that the proposed detector can operate in an overloaded system and provide improved performance gains

Allocation designs for massive multiple access with interference cancellation

In the transition towards the next generation of wireless technology systems, the increasing number of devices curbs the potential of current wireless networks to cope with such increases in network density. Wireless communications via satellite constitute a cost effective option to achieve high transmission reliability in remote areas or to create resilient networks to be used in emergency situations. To counterbalance the growing network density, one of the main goals in the uplink is to increase the spectral efficiency of the network. By working on the application of non-orthogonal multiple access and the exploitation of the collision domain through interference cancellation, this dissertation tackles the problem of massive multiple access. A consensual scheme that meets the main goal and the aim of reducing the interaction between devices and the satellite in the control plane is Enhanced Spread Spectrum ALOHA, which combines spreading-based short-packet transmissions with successive interference cancellation (SIC) on the receiver's side. This combination opens up several design avenues in terms of energy and code allocation to users when a certain amount of channel state information is available to them. Motivated by this scheme, this thesis studies the best allocation strategies when the SIC receiver operates nonideally: firstly, it investigates a system model for a receiver that, inspired by the demodulator adopted in the Enhanced Spread Spectrum ALOHA system, deals with the problems of user ordering and iterative decoding with short packets; and secondly, it delves into the user-asymptotic regime and the application of the calculus of variations to derive the stationary point equations corresponding to the optimal allocation rules.The first part of this thesis investigates the impact of nonideal decoding and imperfect cancellation on the first iteration of a SIC receiver aided by redundancy-check error control. The system model characterises both non-idealities using known functions of the signal-to-interference-plus-noise ratio. The propagation of packet decoding success/failure events throughout the stages of the receiver is circumvented in the user-asymptotic regime, since the model takes a deterministic form. The asymptotically optimal energy and rate allocation is studied for a wide variety of cases. The second part of this thesis investigates an iterative SIC receiver and extends the allocation designs derived previously to iterations beyond the first. The derivation of a system model is challenging, since each iteration of the receiver operates with memory with respect to the previous ones, and due to the fact that the decoding operations for the same user in different iterations are statistically dependent. This thesis motivates and states a system model that solves said difficulties by adding minimal complexity to the one adopted previously. The user-asymptotic regime is investigated to reveal mathematical forms to the above model that allow for a thorough understanding of the adopted receiver. Finally, the chapter exploits the user-asymptotic model and conducts research to designing smooth allocation functions. The third part of this thesis studies the user-ordering problem for a SIC receiver to which the strengths received from all users are unknown. The thesis derives an accurate system model for a large-user SIC receiver, which proceeds to order users after estimating their symbol energies at the initial stage through preamble cross-correlations. Analytical findings are determined in the user-asymptotic regime. The asymptotically optimal energy allocation is shown to obey, in contrast to the practically exponential user-energy distributions obtained before, a piecewise constant function; fact that entails great computational advantages of its application.En la transició cap a la pròxima generació de sistemes tecnològics sense fils, el creixent nombre de dispositius frena el potencial de les xarxes sense fils actuals per fer front a tal augment en la densitat de xarxa. Les comunicacions sense fils via satèl·lit constitueixen una opció rentable per assolir una fiabilitat de transmissió alta en zones remotes o per crear xarxes que puguin ser utilitzades en situacions d'emergència. Per contrarestar la creixent densitat de xarxa, un dels objectius principals en l'enllaç ascendent és augmentar l'eficiència espectral d'aquesta. Aquesta tesi aborda el problema d'accés múltiple massiu combinant l'aplicació de tècniques d'accés múltiple no ortogonal amb esquemes de cancel·lació d’interferència. Un esquema consensuat que acompleix amb l’objectiu principal i amb la fita de reduir la interacció entre dispositius i satèl·lit en el pla de control és Enhanced Spread Spectrum ALOHA, que combina transmissions de paquets curts basades en l'eixamplament del senyal amb la cancel·lació successiva d'interferències (SIC) en recepció. Aquesta combinació obre diverses vies per l'assignació d'energia i codi als diferents usuaris quan aquests disposen d’informació sobre l'estat del canal. Motivat per l'esquema anterior, aquesta tesi estudia les millors estratègies d'assignació quan s'adopta un receptor SIC no ideal: en primer lloc, investiga un model de sistema per un receptor SIC que, inspirat en el desmodulador adoptat en el sistema Enhanced Spread Spectrum ALOHA, aborda els problemes d'ordenació d'usuaris i de descodificació iterativa amb paquets curts; i, en segon lloc, s’endinsa en el règim asimptòtic d'usuaris i en l'aplicació del càlcul de variacions per derivar les equacions de punt estacionari corresponents a les funcions d'assignació òptimes. La primera part d'aquesta tesi investiga l'impacte de la descodificació no ideal i de la cancel·lació imperfecta en la primera iteració d'un receptor SIC assistit per control d'errors. El model de sistema proposat caracteritza ambdues no idealitats fent ús de funcions conegudes de la relació senyal-a-soroll-més-interferència. La propagació dels esdeveniments d'èxit/fracàs en la descodificació de paquets al llarg de les etapes del receptor s'aborda en el règim asimptòtic d'usuaris, ja que el model pren forma determinista. Les funcions d'assignació s'estudien en el règim asimptòtic d'usuaris per varis casos. La segona part de la tesi investiga un receptor SIC iteratiu i estén les assignacions derivades en el capítol anterior per a iteracions del SIC més enllà de la primera. La derivació d'un model de sistema suposa un repte, ja que cada iteració del receptor opera amb memòria respecte a iteracions anteriors i degut a que les operacions de descodificació per a un mateix usuari en iteracions diferents són estadísticament dependents. Es proposa un model de sistema que resol tals dificultats afegint complexitat mínima al model adoptat anteriorment. S'investiga el règim asimptòtic d'usuaris amb l'objectiu d’evidenciar expressions matemàtiques del model que permetin la completa comprensió del receptor adoptat. Per últim, es dissenyen funcions d'assignació contínuament diferenciables fent ús del model asimptòtic anterior. La tercera i última part d'aquesta tesi estudia el problema d'ordenació d'usuaris aplicat a un receptor SIC que desconeix les potències rebudes de tots ells. Es deriva un model de sistema per un receptor que gestiona nombrosos usuaris i els ordena després d'estimar les energies de tots ells en l'etapa inicial mitjançant correlacions de preamble. Els resultats analítics s’obtenen en el règim asimptòtic d'usuaris. Es demostra que, contràriament a les distribucions pràcticament exponencials obtingudes anteriorment, l'assignació d'energia òptima derivada per a infinits usuaris presenta una estructura constant a trossos; fet que comporta grans avantatges computacionals en la seva aplicació.En la transición hacia la próxima generación de sistemas tecnológicos inalámbricos, el creciente número de dispositivos frena el potencial de las redes inalámbricas actuales para hacer frente a esos aumentos en la densidad de red. Impulsadas por las innovaciones en tecnología satelital, las comunicaciones inalámbricas vía satélite constituyen una opción rentable para lograr una alta fiabilidad de transmisión en zonas remotas o para crear redes reservadas para situaciones de emergencia. Para contrarrestar la creciente densidad de la red, uno de los objetivos principales en el enlace ascendente es aumentar la eficiencia espectral de la misma. En favor de este objetivo, se identifican tres técnicas no excluyentes: (i) la aplicación de técnicas de acceso múltiple no ortogonal, para hacer frente a la limitada disponibilidad de recursos ortogonales requeridos en el acceso múltiple convencional, (ii) la explotación del dominio de colisión por el receptor, mediante la cancelación de interferencias, y (iii) la utilización de satélites multihaz, que, usando la tecnología multiantena, permiten una reutilización más eficiente del dominio espacial. Esta tesis aborda el problema de acceso múltiple masivo trabajando en los dos primeros puntos. Un esquema consensuado que cumple con el objetivo principal y con el fin de reducir la interacción entre los dispositivos y el satélite en el plano de control es Enhanced Spread Spectrum ALOHA, que combina transmisiones de paquetes cortos basadas en el ensanchamiento de la señal con la cancelación sucesiva de interferencias (SIC) en recepción. Esta combinación abre diversas vías para la asignación de energía y código a los usuarios cuando estos disponen de cierta información sobre el estado del canal. Motivado por el esquema anterior, esta tesis reexamina resultados previos bajo análisis teóricos de capacidad y cancelación perfecta, y estudia las mejores estrategias de asignación cuando el receptor SIC opera de forma no ideal. Los análisis anteriores se amplían en dos frentes: en primer lugar, adoptando políticas de decodificación y cancelación adaptadas para paquetes cortos; y, en segundo lugar, explorando el desequilibrio de energía, tasa de transmisión y fiabilidad. Con respecto al primer punto, esta tesis investiga un modelo de sistema para un receptor SIC que, inspirado en el demodulador adoptado en el sistema Enhanced Spread Spectrum ALOHA, aborda los problemas de ordenación de usuarios y decodificación iterativa con paquetes cortos. En cuanto al segundo punto, esta tesis se adentra en el régimen asintótico de usuarios y en la aplicación del cálculo de variaciones para derivar las ecuaciones de punto estacionario correspondientes a las funciones de asignación óptimas. Una de las principales contribuciones de esta tesis es el descubrimiento de funciones discontinuas (continuamente diferenciables a trozos) como una clase de distribuciones de energía ordenada para maximizar la eficiencia espectral; un enfoque que ha demostrado ser abrumadoramente exitoso. En concreto, el modelo derivado en la presente tesis incorpora, progresivamente y a lo largo de tres capítulos independientes, aspectos prácticos del cancelador de interferencias adoptado: 1. La primera parte de esta tesis investiga el impacto de la decodificación no ideal y de la cancelación imperfecta en la primera iteración de un receptor SIC asistido por control de errores. El modelo de sistema caracteriza ambas no idealidades utilizando funciones conocidas de la relación señal-a-ruido-más-interferencia (SINR) bajo la suposición de interferencia gaussiana: las funciones tasa de error de paquete (PER) y energía residual. La propagación de los eventos de éxito/fracaso en la decodificación de paquetes a lo largo de las etapas del receptor SIC se sortea en el régimen asintótico de usuarios, puesto que el modelo de sistema adopta expresiones deterministas. La asignación de energía y código se estudia en el régimen asintótico de usuarios para una amplia variedad de casos, incluyendo conjuntos formados por un número finito o infinito de esquemas de modulación y corrección de errores para paquetes de longitud finita e infinita. 2. La segunda parte de esta tesis investiga un receptor SIC iterativo y extiende las asignaciones derivadas anteriormente para iteraciones del SIC más allá de la primera. La derivación de un modelo para tal sistema supone un reto, ya que cada iteración del receptor opera con memoria respecto a las anteriores y porque las operaciones de decodificación para un mismo usuario en distintas iteraciones son estadísticamente dependientes. Esta tesis propone justificadamente un modelo de sistema que resuelve dichas dificultades añadiendo complejidad mínima al adoptado con anterioridad. En concreto, el modelo usa funciones PER multivariable, cuyos argumentos corresponden a las SINRs que experimenta un usuario a lo largo de las iteraciones del receptor, y define biyecciones para relacionar los índices de los usuarios que permanecen decodificados sin éxito en cada iteración. Se investiga el régimen asintótico de usuarios para revelar expresiones matemáticas del modelo anterior que permitan un completo entendimiento del receptor adoptado. Por último, se investiga el diseño de funciones de asignación continuamente diferenciables con extremos libres haciendo uso del modelo asintótico anterior. 3. La tercera y última parte de esta tesis estudia el problema de ordenación de usuarios en un receptor SIC que desconoce las potencias recibidas de todos ellos. La tesis deriva un modelo de sistema para un receptor SIC que gestiona un gran número de usuarios y los ordena tras estimar sus energías en la etapa inicial mediante correlaciones de preámbulo. En el régimen asintótico de usuarios, se obtienen resultados analíticos en los que el rendimiento del sistema se rige por un kernel conocido. Se demuestra que, contrariamente a las distribuciones prácticamente exponenciales obtenidas anteriormente, la asignación óptima de energía derivada para un número infinito de usuarios obedece una función constante a trozos; hecho que conlleva grandes ventajas computacionales en su aplicación.Postprint (published version

INTERFERENCE MANAGEMENT IN LTE SYSTEM AND BEYOUND

The key challenges to high throughput in cellular wireless communication system are interference, mobility and bandwidth limitation. Mobility has never been a problem until recently, bandwidth has been constantly improved upon through the evolutions in cellular wireless communication system but interference has been a constant limitation to any improvement that may have resulted from such evolution. The fundamental challenge to a system designer or a researcher is how to achieve high data rate in motion (high speed) in a cellular system that is intrinsically interference-limited. Multi-antenna is the solution to data on the move and the capacity of multi-antenna system has been demonstrated to increase proportionally with increase in the number of antennas at both transmitter and receiver for point-to-point communications and multi-user environment. However, the capacity gain in both uplink and downlink is limited in a multi-user environment like cellular system by interference, the number of antennas at the base station, complexity and space constraint particularly for a mobile terminal. This challenge in the downlink provided the motivation to investigate successive interference cancellation (SIC) as an interference management tool LTE system and beyond. The Simulation revealed that ordered successive interference (OSIC) out performs non-ordered successive interference cancellation (NSIC) and the additional complexity is justified based on the associated gain in BER performance of OSIC. The major drawback of OSIC is that it is not efficient in network environment employing power control or power allocation. Additional interference management techniques will be required to fully manage the interference.fi=Opinnäytetyö kokotekstinä PDF-muodossa.|en=Thesis fulltext in PDF format.|sv=Lärdomsprov tillgängligt som fulltext i PDF-format

Design and Implementation of Efficient Algorithms for Wireless MIMO Communication Systems

En la última década, uno de los avances tecnológicos más importantes que han hecho culminar la nueva generación de banda ancha inalámbrica es la comunicación mediante sistemas de múltiples entradas y múltiples salidas (MIMO). Las tecnologías MIMO han sido adoptadas por muchos estándares inalámbricos tales como LTE, WiMAS y WLAN. Esto se debe principalmente a su capacidad de aumentar la máxima velocidad de transmisión , junto con la fiabilidad alcanzada y la cobertura de las comunicaciones inalámbricas actuales sin la necesidad de ancho de banda extra ni de potencia de transmisión adicional. Sin embargo, las ventajas proporcionadas por los sistemas MIMO se producen a expensas de un aumento sustancial del coste de implementación de múltiples antenas y de la complejidad del receptor, la cual tiene un gran impacto sobre el consumo de energía. Por esta razón, el diseño de receptores de baja complejidad es un tema importante que se abordará a lo largo de esta tesis. En primer lugar, se investiga el uso de técnicas de preprocesado de la matriz de canal MIMO bien para disminuir el coste computacional de decodificadores óptimos o bien para mejorar las prestaciones de detectores subóptimos lineales, SIC o de búsqueda en árbol. Se presenta una descripción detallada de dos técnicas de preprocesado ampliamente utilizadas: el método de Lenstra, Lenstra, Lovasz (LLL) para lattice reduction (LR) y el algorimo VBLAST ZF-DFE. Tanto la complejidad como las prestaciones de ambos métodos se han evaluado y comparado entre sí. Además, se propone una implementación de bajo coste del algoritmo VBLAST ZF-DFE, la cual se incluye en la evaluación. En segundo lugar, se ha desarrollado un detector MIMO basado en búsqueda en árbol de baja complejidad, denominado detector K-Best de amplitud variable (VB K-Best). La idea principal de este método es aprovechar el impacto del número de condición de la matriz de canal sobre la detección de datos con el fin de disminuir la complejidad de los sistemasRoger Varea, S. (2012). Design and Implementation of Efficient Algorithms for Wireless MIMO Communication Systems [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/16562Palanci

Design Exploration & Enhancements for Low Complexity Massive MIMO Detectors with High Modulation Order

Global energy consumed by communication and information technologies is expected to increase rapidly due to continuous usage of wireless standards and the expansion for their requirements [1]. In the next generation wireless communications, Multi Input and Multi Output (MIMO) systems are most promising technology to achieve high spectral efficiencies, while going past various challenges like resource and energy constraints [2]. There exists many detection algorithms like Maximum Likelihood (ML), Zero Forcing (ZF), Minimum Mean Square Error (MMSE) which have low silicon complexity but consume significant power for high-end MIMO systems, due to their high computational complexity. And then there are certain low power detection algorithms like real domain breadth first search K-best, with either conventional enumeration or Schnorr Euchner (SE) based enumeration. This improvement through either, comes with cost of comparatively high silicon complexity and sacrifices the performance in terms of detection bit error rate (BER). The complex domain equivalent may improve the BER performance but it’s dedicated algorithm ensures even higher silicon complexity. Several modifications have been performed on original complex domain K-best algorithm to decrease its high silicon complexity, retaining the better performance of the system. This work focuses on study and implementation of original real SE based K-best algorithm [3]. It also features my attempt to perform theoretical analysis of original complex domain detection algorithm, and to implement modified [4] and improved versions of complex domain to decrease its high silicon complexity, retaining BER performance. This work also focuses on exploration and implementation of past attempts on design modifications of complex domain algorithms and compare them across different attributes such as performance, computational and silicon complexity. Few system level and algorithmic level enhancements have been proposed and implemented for low complexity detectors explored. Dynamic fixed point iterative version of original real domain detector [3] has been studied and implemented, along with possible enhancements for complex domain detector. Pipelined hardware architecture of real domain SE based K-best detector [5] has also been studied as part of this work, with the intention of extending this to dynamic fixed point version and also complex domain detector