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

Turbo Packet Combining for Broadband Space-Time BICM Hybrid-ARQ Systems with Co-Channel Interference

In this paper, efficient turbo packet combining for single carrier (SC) broadband multiple-input--multiple-output (MIMO) hybrid--automatic repeat request (ARQ) transmission with unknown co-channel interference (CCI) is studied. We propose a new frequency domain soft minimum mean square error (MMSE)-based signal level combining technique where received signals and channel frequency responses (CFR)s corresponding to all retransmissions are used to decode the data packet. We provide a recursive implementation algorithm for the introduced scheme, and show that both its computational complexity and memory requirements are quite insensitive to the ARQ delay, i.e., maximum number of ARQ rounds. Furthermore, we analyze the asymptotic performance, and show that under a sum-rank condition on the CCI MIMO ARQ channel, the proposed packet combining scheme is not interference-limited. Simulation results are provided to demonstrate the gains offered by the proposed technique.Comment: 12 pages, 7 figures, and 2 table

Frequency-Domain Turbo Equalisation in Coded SC-FDMA Systems: EXIT Chart Analysis and Performance

In this paper, we investigate the achievable performance of channel coded single-carrier frequency division multiple-access (SC-FDMA) systems employing various detection schemes, when communicating over frequency-selective fading channels. Specifically, three types of minimum mean-square error (MMSE) based frequency-domain (FD) turbo equalisers are considered. The first one is the turbo FD linear equaliser (LE). The second one is a parallel interference cancellation (PIC)-assisted turbo FD decision-feedback equaliser (DFE). The final one is the proposed hybrid interference cancellation (HIC)-aided turboFD-DFE, which combines successive interference cancellation (SIC) with iterative PIC and decoding. The benefit of interference cancellation (IC) is analysed with the EXtrinsic Information Transfer (EXIT) charts. The performance of the coded SC-FDMA systems employing the above-mentioned detection schemes is investigated with the aid of simulations. Our studies show that the IC techniques achieve an attractive performance at a moderate complexity

Distributed Quasi-Orthogonal Space-Time coding in wireless cooperative relay networks

Cooperative diversity provides a new paradigm in robust wireless re- lay networks that leverages Space-Time (ST) processing techniques to combat the effects of fading. Distributing the encoding over multiple relays that potentially observe uncorrelated channels to a destination terminal has demonstrated promising results in extending range, data- rates and transmit power utilization. Specifically, Space Time Block Codes (STBCs) based on orthogonal designs have proven extremely popular at exploiting spatial diversity through simple distributed pro- cessing without channel knowledge at the relaying terminals. This thesis aims at extending further the extensive design and analysis in relay networks based on orthogonal designs in the context of Quasi- Orthogonal Space Time Block Codes (QOSTBCs). The characterization of Quasi-Orthogonal MIMO channels for cooper- ative networks is performed under Ergodic and Non-Ergodic channel conditions. Specific to cooperative diversity, the sub-channels are as- sumed to observe different shadowing conditions as opposed to the traditional co-located communication system. Under Ergodic chan- nel assumptions novel closed-form solutions for cooperative channel capacity under the constraint of distributed-QOSTBC processing are presented. This analysis is extended to yield closed-form approx- imate expressions and their utility is verified through simulations. The effective use of partial feedback to orthogonalize the QOSTBC is examined and significant gains under specific channel conditions are demonstrated. Distributed systems cooperating over the network introduce chal- lenges in synchronization. Without extensive network management it is difficult to synchronize all the nodes participating in the relaying between source and destination terminals. Based on QOSTBC tech- niques simple encoding strategies are introduced that provide compa- rable throughput to schemes under synchronous conditions with neg- ligible overhead in processing throughout the protocol. Both mutli- carrier and single-carrier schemes are developed to enable the flexi- bility to limit Peak-to-Average-Power-Ratio (PAPR) and reduce the Radio Frequency (RF) requirements of the relaying terminals. The insights gained in asynchronous design in flat-fading cooperative channels are then extended to broadband networks over frequency- selective channels where the novel application of QOSTBCs are used in distributed-Space-Time-Frequency (STF) coding. Specifically, cod- ing schemes are presented that extract both spatial and mutli-path diversity offered by the cooperative Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) channel. To provide maximum flexibility the proposed schemes are adapted to facilitate both Decode-and-Forward (DF) and Amplify- and-Forward (AF) relaying. In-depth Pairwise-Error-Probability (PEP) analysis provides distinct design specifications which tailor the distributed- STF code to maximize the diversity and coding gain offered under the DF and AF protocols. Numerical simulation are used extensively to confirm the validity of the proposed cooperative schemes. The analytical and numerical re- sults demonstrate the effective use of QOSTBC over orthogonal tech- niques in a wide range of channel conditions

Doctor of Philosophy

dissertationThis dissertation addresses several key challenges in multiple-antenna communications, including information-theoretical analysis of channel capacity, capacity-achieving signaling design, and practical statistical detection algorithms. The first part of the thesis studies the capacity limits of multiple-input multiple-output (MIMO) multiple access channel (MAC) via virtual representation (VR) model. The VR model captures the physical scattering environment via channel gains in the angular domain, and hence is a realistic MIMO channel model that includes many existing channel models as special cases. This study provides analytical characterization of the optimal input distribution that achieves the sum-capacity of MAC-VR. It also investigates the optimality of beamforming, which is a simple scalar coding strategy desirable in practice. For temporally correlated channels, beamforming codebook designs are proposed that can efficiently exploit channel correlation. The second part of the thesis focuses on statistical detection for time-varying frequency-selective channels. The proposed statistical detectors are developed based on Markov Chain Monte Carlo (MCMC) techniques. The complexity of such detectors grows linearly in system dimensions, which renders them applicable to inter-symbol-interference (ISI) channels with long delay spread, for which the traditional trellis-based detectors fail due to prohibitive complexity. The proposed MCMC detectors provide substantial gain over the de facto turbo minimum-mean square-error (MMSE) detector for both synthetic channel and underwater acoustic (UWA) channels. The effectiveness of the proposed MCMC detectors is successfully validated through experimental data collected from naval at-sea experiments

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