IST-2000-30148 I-METRA: D4 Performance evaluation

This document considers the performance of multiantenna transmit/receive techniques in high-speed downlink and uplink packet access. The evaluation is done using both link and system level simulations by taking into account link adaptation and packet retransmissions. The document is based on the initial studies carried out in deliverables D3.1 and D3.2.Preprin

Energy-efficient diversity combining for different access schemes in a multi-path dispersive channel

Dissertação para obtenção do Grau de Doutor em Engenharia Electrotécnica e ComputadoresThe forthcoming generation of mobile communications, 5G, will settle a new standard for a larger bandwidth and better Quality of Service (QoS). With the exploding growth rate of user generated data, wireless standards must cope with this growth and at the same time be energy efficient to avoid depleting the batteries of wireless devices. Besides these issues, in a broadband wireless setting QoS can be severely affected from a multipath dispersive channel and therefore be energy demanding. Cross-layered architectures are a good choice to enhance the overall performance of a wireless system. Examples of cross-layered Physical (PHY) - Medium Access Control (MAC) architectures are type-II Diversity Combining (DC) Hybrid-ARQ (H-ARQ) and Multi-user Detection (MUD) schemes. Cross-layered type-II DC H-ARQ schemes reuse failed packet transmissions to enhance data reception on posterior retransmissions; MUD schemes reuse data information from previously collided packets on posterior retransmissions to enhance data reception. For a multipath dispersive channel, a PHY layer analytical model is proposed for Single-Carrier with Frequency Domain Equalization (SC-FDE) that supports DC H-ARQ and MUD. Based on this analytical model, three PHY-MAC protocols are proposed. A crosslayered Time Division Multiple Access (TDMA) scheme that uses DC H-ARQ is modeled and its performance is studied in this document; the performance analysis shows that the scheme performs better with DC and achieves a better energy efficiency at the cost of a higher delay. A novel cross-layered prefix-assisted Direct-Sequence Code Division Multiple Access (DS-CDMA) scheme is proposed and modeled in this document, it uses principles of DC and MUD. This protocol performs better by means of additional retransmissions, achieving better energy efficiency, at the cost of higher redundancy from a code spreading gain. Finally, a novel cross-layered protocol H-ARQ Network Division Multiple Access (H-NDMA) is proposed and modeled, where the combination of DC H-ARQ and MUD is used with the intent of maximizing the system capacity with a lower delay; system results show that the proposed scheme achieves better energy efficiency and a better performance at the cost of a higher number of retransmissions. A comparison of the three cross-layered protocols is made, using the PHY analytical model, under normalized conditions using the same amount of maximum redundancy. Results show that the H-NDMA protocol, in general, obtains the best results, achieving a good performance and a good energy efficiency for a high channel load and low Signal-to-Noise Ratio (SNR). TDMA with DC H-ARQ achieves the best energy efficiency, although presenting the worst delay. Prefix-assisted DS-CDMA in the other hand shows good delay results but presents the worst throughput and energy efficiency

Cross-layer hybrid automatic repeat request error control with turbo processing for wireless system

The increasing demand for wireless communication system requires an efficient design in wireless communication system. One of the main challenges is to design error control mechanism in noisy wireless channel. Forward Error Correction (FEC) and Automatic Repeat reQuest (ARQ) are two main error control mechanisms. Hybrid ARQ allows the use of either FEC or ARQ when required. The issues with existing Hybrid ARQ are reliability, complexity and inefficient design. Therefore, the design of Hybrid ARQ needs to be further improved in order to achieve performance close to the Shannon capacity. The objective of this research is to develop a Cross-Layer Design Hybrid ARQ defined as CLD_ARQ to further minimize error in wireless communication system. CLD_ARQ comprises of three main stages. First, a low complexity FEC defined as IRC_FEC for error detection and correction has been developed by using Irregular Repetition Code (IRC) with Turbo processing. The second stage is the enhancement of IRC_FEC defined as EM_IRC_FEC to improve the reliability of error detection by adopting extended mapping. The last stage is the development of efficient CLD_ARQ to include retransmission for error correction that exploits EM_IRC_FEC and ARQ. In the proposed design, serial iterative decoding and parallel iterative decoding are deployed in the error detection and correction. The performance of the CLD_ARQ is evaluated in the Additive White Gaussian Noise (AWGN) channel using EXtrinsic Information Transfer (EXIT) chart, bit error rate (BER) and throughput analysis. The results show significant Signal-to-Noise Ratio (SNR) gain from the theoretical limit at BER of 10-5. IRC_FEC outperforms Recursive Systematic Convolutional Code (RSCC) by SNR gain up to 7% due to the use of IRC as a simple channel coding code. The usage of CLD_ARQ enhances the SNR gain by 53% compared to without ARQ due to feedback for retransmission. The adoption of extended mapping in the CLD_ARQ improves the SNR gain up to 50% due to error detection enhancement. In general, the proposed CLD_ARQ can achieve low BER and close to the Shannon‘s capacity even in worse channel condition

Time diversity solutions to cope with lost packets

A dissertation submitted to Departamento de Engenharia Electrotécnica of Faculdade de Ciências e Tecnologia of Universidade Nova de Lisboa in partial fulfilment of the requirements for the degree of Doctor of Philosophy in Engenharia Electrotécnica e de ComputadoresModern broadband wireless systems require high throughputs and can also have very high Quality-of-Service (QoS) requirements, namely small error rates and short delays. A high spectral efficiency is needed to meet these requirements. Lost packets, either due to errors or collisions, are usually discarded and need to be retransmitted, leading to performance degradation. An alternative to simple retransmission that can improve both power and spectral efficiency is to combine the signals associated to different transmission attempts. This thesis analyses two time diversity approaches to cope with lost packets that are relatively similar at physical layer but handle different packet loss causes. The first is a lowcomplexity Diversity-Combining (DC) Automatic Repeat reQuest (ARQ) scheme employed in a Time Division Multiple Access (TDMA) architecture, adapted for channels dedicated to a single user. The second is a Network-assisted Diversity Multiple Access (NDMA) scheme, which is a multi-packet detection approach able to separate multiple mobile terminals transmitting simultaneously in one slot using temporal diversity. This thesis combines these techniques with Single Carrier with Frequency Division Equalizer (SC-FDE) systems, which are widely recognized as the best candidates for the uplink of future broadband wireless systems. It proposes a new NDMA scheme capable of handling more Mobile Terminals (MTs) than the user separation capacity of the receiver. This thesis also proposes a set of analytical tools that can be used to analyse and optimize the use of these two systems. These tools are then employed to compare both approaches in terms of error rate, throughput and delay performances, and taking the implementation complexity into consideration. Finally, it is shown that both approaches represent viable solutions for future broadband wireless communications complementing each other.Fundação para a Ciência e Tecnologia - PhD grant(SFRH/BD/41515/2007); CTS multi-annual funding project PEst-OE/EEI/UI0066/2011, IT pluri-annual funding project PEst-OE/EEI/LA0008/2011, U-BOAT project PTDC/EEATEL/ 67066/2006, MPSat project PTDC/EEA-TEL/099074/2008 and OPPORTUNISTICCR project PTDC/EEA-TEL/115981/200

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

IST-2000-30148 I-METRA: D3.2 Implementation of relevant algorithms

This deliverable provides a high level description of the software developed within the I-METRA project following the selection reported in D3.1 "Design, Analysis and Selection of Suitable Algorithms".Preprin