A Family of Likelihood Ascent Search Multiuser Detectors: an Upper Bound of Bit Error Rate and a Lower Bound of Asymptotic Multiuser Efficiency

In this paper, the bit error performance of a family of likelihood ascent search (LAS) multiuser detectors is analyzed. An upper bound on the BER of any LAS detector is obtained by bounding the fixed point region with the worst initial detector. The concept of indecomposable errors developed by Verdu is applied to tighten the upper bound. In a special instance, the upper bound is reduced to that for all the local maximum likelihood detectors. The upper bound is comparable with that of the optimum detector obtained by Verdu. A lower bound on the asymptotic multiuser efficiency (AME) is then obtained. It is shown that there are nontrivial CDMA channels such that a LAS detector can achieve unit AME regardless of user number. The AME lower bound provides a means for further seeking a good set of spreading sequences and power distribution for spectral and power efficient CDMA.Comment: To appear in IEEE Trans. on Communication

Packet data communications over coded CDMA with hybrid type-II ARQ

This dissertation presents in-depth investigation of turbo-coded CDNIA systems in packet data communication terminology. It is divided into three parts; (1) CDMA with hybrid FEC/ARQ in deterministic environment, (2) CDMA with hybrid FEC/ARQ in random access environment and (3) an implementation issue on turbo decoding. As a preliminary, the performance of CDMA with hybrid FEC/ARQ is investigated in deterministic environment. It highlights the practically achievable spectral efficiency of CDMA system with turbo codes and the effect of code rates on the performance of systems with MF and LMMSE receivers, respectively. For given ensemble distance spectra of punctured turbo codes, an improved union bound is used to evaluate the error probability of ML turbo decoder with MF receiver and with LMMSE receiver front-end and, then, the corresponding spectral efficiency is computed as a function of system load. In the second part, a generalized analytical framework is first provided to analyze hybrid type-11 ARQ in random access environment. When applying hybrid type-11 ARQ, probability of packet success and packet length is generally different from attempt to attempt. Since the conventional analytical model, customarily employed for ALOHA system with pure or hybrid type-I ARQ, cannot be applied for this case, an expanded analytical model is introduced. It can be regarded as a network of queues and Jackson and Burke\u27s theorems can be applied to simplify the analysis. The second part is further divided into two sub topics, i.e. CDMA slotted ALOHA with hybrid type-11 ARQ using packet combining and CDMA unslotted ALOHA with hybrid type-11 ARQ using code combining. For code combining, the rate compatible punctured turbo (RCPT) codes are examined. In the third part, noticing that the decoding delay is crucial to the fast ARQ, a parallel MAP algorithm is proposed to reduce the computational decoding delay of turbo codes. It utilizes the forward and backward variables computed in the previous iteration to provide boundary distributions for each sub-block MAP decoder. It has at least two advantages over the existing parallel scheme; No performance degradation and No additional computation

Signal Processing for Compressed Sensing Multiuser Detection

The era of human based communication was longly believed to be the main driver for the development of communication systems. Already nowadays we observe that other types of communication impact the discussions of how future communication system will look like. One emerging technology in this direction is machine to machine (M2M) communication. M2M addresses the communication between autonomous entities without human interaction in mind. A very challenging aspect is the fact that M2M strongly differ from what communication system were designed for. Compared to human based communication, M2M is often characterized by small and sporadic uplink transmissions with limited data-rate constraints. While current communication systems can cope with several 100 transmissions, M2M envisions a massive number of devices that simultaneously communicate to a central base-station. Therefore, future communication systems need to be equipped with novel technologies facilitating the aggregation of massive M2M. The key design challenge lies in the efficient design of medium access technologies that allows for efficient communication with small data packets. Further, novel physical layer aspects have to be considered in order to reliable detect the massive uplink communication. Within this thesis physical layer concepts are introduced for a novel medium access technology tailored to the demands of sporadic M2M. This concept combines advances from the field of sporadic signal processing and communications. The main idea is to exploit the sporadic structure of the M2M traffic to design physical layer algorithms utilizing this side information. This concept considers that the base-station has to jointly detect the activity and the data of the M2M nodes. The whole framework of joint activity and data detection in sporadic M2M is known as Compressed Sensing Multiuser Detection (CS-MUD). This thesis introduces new physical layer concepts for CS-MUD. One important aspect is the question of how the activity detection impacts the data detection. It is shown that activity errors have a fundamentally different impact on the underlying communication system than data errors have. To address this impact, this thesis introduces new algorithms that aim at controlling or even avoiding the activity errors in a system. It is shown that a separate activity and data detection is a possible approach to control activity errors in M2M. This becomes possible by considering the activity detection task in a Bayesian framework based on soft activity information. This concept allows maintaining a constant and predictable activity error rate in a system. Beyond separate activity and data detection, the joint activity and data detection problem is addressed. Here a novel detector based on message passing is introduced. The main driver for this concept is the extrinsic information exchange between different entities being part of a graphical representation of the whole estimation problem. It can be shown that this detector is superior to state-of-the-art concepts for CS-MUD. Besides analyzing the concepts introduced simulatively, this thesis also shows an implementation of CS-MUD on a hardware demonstrator platform using the algorithms developed within this thesis. This implementation validates that the advantages of CS-MUD via over-the-air transmissions and measurements under practical constraints

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