Interference estimation with applications to blind multiple-access communication over fading channels

Includes bibliographical references.We consider the detection of nonorthogonal multipulse signals on multiple-access fading channels. The generalized maximum-likelihood rule is employed to decode users whose complex fading gains are unknown. We develop geometrical interpretations for the resulting detectors and their corresponding asymptotic efficiencies. The generalized maximum-likelihood detection rule is then applied to find a matched subspace detector for the frequency-selective fading channel, under the assumption of a short coherence time (or long coherence time without the computational power to track the fading parameters). We propose blind implementations of these detectors for nonorthogonal multipulse signaling on both frequency-nonselective and frequency-selective multiple-access fading channels. These blind detectors extend the results of Wang and Poor to multipulse modulation and fast frequency selective fading. For comparison, the minimum mean-squared error decision rules for these channels are derived and blind implementations of their corresponding detectors are developed.This work was supported by the National Science Foundation under Contract ECS 9979400 and by the Office of Naval Research under Contracts N00014-89-J-1070 and N0014-00-1-0033

Antenna subset selection for cyclic prefix assisted MIMO wireless communications over frequency selective channels

Antenna (subset) selection techniques are feasible to reduce the hardware complexity of multiple-input multiple-output (MIMO) systems, while keeping the benefits of higher-order MIMO systems. Many studies of antenna selection schemes are based on frequency-flat channel models, which are inconsistent to broadband MIMO systems employing spatial-multiplexing. In broadband MIMO systems aiming to provide high-data-rate links, the employed signal bandwidth is typically larger than the coherence bandwidth of the channel so that the channel will be of frequency selective nature. Within this contribution we provide an overview on joint transmitter- and receiver-side antenna subset selection methods for frequency selective channels and deploy them in MIMO orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) systems and MIMO single-carrier (SC) systems employing frequency domain equalization (FDE).DFG/KA 1154/1

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

Carrier frequency offset estimation for orthogonal frequency division multiplexing systems

Orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) is an attractive modulation scheme used in wideband communications because it essentially transforms the frequency selective channel into a flat fading channel. Furthermore, the combination of multiple-input multiple-output (MIMO) signal processing and OFDM seems to be an ideal solution for supporting reliable high data rate transmission for future wireless communication systems. However, despite the great advantages OFDM systems offer, such systems present challenges of their own. One of the most important challenges is carrier frequency offset (CFO) estimation, which is crucial in building reliable wireless communication systems. In this thesis, we consider CFO estimation for the downlink and uplink OFDM systems. For the downlink channel, we focus on blind schemes where the cost functions are designed such that they exploit implicit properties associated with the transmitted signal where no training signal is required. By taking the unconditional maximum likelihood approach, we propose a virtual subcarrier based blind scheme for MIMO-OFDM systems in the presence of spatial correlation. We conclude that the presence of spatial correlation does not impact the CFO estimation significantly. We also propose a CFO estimator for OFDM systems with constant modulus signaling and extend it to MIMO-OFDM systems employing orthogonal space-time block coding. The curve fitting method is used which gives a closed-form expression for CFO estimation. Therefore, the proposed scheme provides an excellent trade-off between complexity and performance as compared to prominent existing estimation schemes. Furthermore, we design a blind CFO estimation scheme for differentially modulated OFDM systems based on the finite alphabet constraint. It can achieve better performance at high signal-to-noise ratios (SNRs) at the expense of some additional computational complexity as compared to the schemes based on the constant modulus constraint. The constrained Cramer-Rao lower bound (CRLB) is also derived for the blind estimation scheme. As for the uplink channel, which is a more challenging problem, we propose two training aided schemes. One is based on a scalar extended Kalman filter (EKF) and the other one is on the variable projection (VP) algorithm. For both schemes, we assume that the system uses an arbitrary subcarrier assignment scheme, which is more involved than the other two schemes, namely block and interleaved subcarrier assignment scheme. In the first scheme, to apply the scalar EKF algorithm, we represent the measurement equation as a function of a scalar state, i.e., each user's CFO, in lieu of a state vector which consists of both CFO and channel coefficients by replacing the unknown channel coefficients with a nonlinear function of CFO. This proposed scheme can achieve the CRLB at high SNR for two users with a complexity lower than that of the alternating-projection method. In the second scheme, the VP algorithm is used for CFO estimation which is followed with a robust minimum mean square error (MMSE) estimator for channel estimation. In the VP algorithm, the nonlinear least square cost function is optimized numerically by updating the CFOs and channel coefficients separately at each iteration. We demonstrate that this proposed scheme is superior to the existing methods in terms of convergence speed, computational complexity and estimation performance

MIMO Systems

In recent years, it was realized that the MIMO communication systems seems to be inevitable in accelerated evolution of high data rates applications due to their potential to dramatically increase the spectral efficiency and simultaneously sending individual information to the corresponding users in wireless systems. This book, intends to provide highlights of the current research topics in the field of MIMO system, to offer a snapshot of the recent advances and major issues faced today by the researchers in the MIMO related areas. The book is written by specialists working in universities and research centers all over the world to cover the fundamental principles and main advanced topics on high data rates wireless communications systems over MIMO channels. Moreover, the book has the advantage of providing a collection of applications that are completely independent and self-contained; thus, the interested reader can choose any chapter and skip to another without losing continuity