Cyclic-Coded Integer-Forcing Equalization

A discrete-time intersymbol interference channel with additive Gaussian noise is considered, where only the receiver has knowledge of the channel impulse response. An approach for combining decision-feedback equalization with channel coding is proposed, where decoding precedes the removal of intersymbol interference. This is accomplished by combining the recently proposed integer-forcing equalization approach with cyclic block codes. The channel impulse response is linearly equalized to an integer-valued response. This is then utilized by leveraging the property that a cyclic code is closed under (cyclic) integer-valued convolution. Explicit bounds on the performance of the proposed scheme are also derived

Matrix-Monotonic Optimization for MIMO Systems

For MIMO systems, due to the deployment of multiple antennas at both the transmitter and the receiver, the design variables e.g., precoders, equalizers, training sequences, etc. are usually matrices. It is well known that matrix operations are usually more complicated compared to their vector counterparts. In order to overcome the high complexity resulting from matrix variables, in this paper we investigate a class of elegant multi-objective optimization problems, namely matrix-monotonic optimization problems (MMOPs). In our work, various representative MIMO optimization problems are unified into a framework of matrix-monotonic optimization, which includes linear transceiver design, nonlinear transceiver design, training sequence design, radar waveform optimization, the corresponding robust design and so on as its special cases. Then exploiting the framework of matrix-monotonic optimization the optimal structures of the considered matrix variables can be derived first. Based on the optimal structure, the matrix-variate optimization problems can be greatly simplified into the ones with only vector variables. In particular, the dimension of the new vector variable is equal to the minimum number of columns and rows of the original matrix variable. Finally, we also extend our work to some more general cases with multiple matrix variables.Comment: 37 Pages, 5 figures, IEEE Transactions on Signal Processing, Final Versio

Transmit diversity and linear and decision-feedback equalizations for frequency-selective fading channels

Abstract-Rapid growth and increasing demands for near-ubiquitous high-quality high-data-rate services present the most challenges for wireless system design. As an effective method to provide such services, space-time (ST) coding is gaining more and more attention. This paper extends ST coding, originally designed for known frequency-nonselective fading channels, to unknown frequency-selective channels. A novel scheme is presented to suppress intersymbol interference, coherently demodulate the information symbols with estimated channel state information in an ST transmit diversity wireless time-division multiple-access system that is equipped with multiple antennas at both transmit and receive sides. The proposed algorithm is powerful and computationally efficient. In addition to the discussion of system identifiability, both theoretical analysis and numerical simulation are presented to illustrate the performance of the proposed estimator and receiver in multipath fading channels

Sparse equalizer filter design for multi-path channels

Thesis (S.M.)--Massachusetts Institute of Technology, Dept. of Electrical Engineering and Computer Science, 2012.Cataloged from PDF version of thesis.Includes bibliographical references (p. 81-82).In this thesis, sparse Finite Impulse Response (FIR) equalizers are designed for sparse multi-path channels under a pre-defined Mean Squared Error (MSE) constraint. We start by examining the intrinsic sparsity of the Zero Forcing equalizers and the FIR Minimum MSE (MMSE) equalizers. Next the equalization MSE is formulated as a quadratic function of the equalizer coefficients. Both the Linear Equalizer (LE) and the Decision Feedback Equalizer (DFE) are analyzed. Utilizing the quadratic form, designing a sparse equalizer under a single MSE constraint becomes an 10-norm minimization problem under a quadratic constraint, as described in [2]. Three previously developed methods for solving this problem are applied, namely the successive thinning algorithm, the branch-and-bound algorithm, and the simple linear programming algorithm. Simulations under various channel specifications, equalizer specifications and algorithm specifications are conducted to show the dependency of the sparsity on these factors. The channels include the ideal discrete multipath channels and the Vehicular A multi-path channels in both the Single-Input-Single- Output (SISO) and the Multiple-Input-Multiple-Output scenarios. Additionally, the sparse FIR equalizer is designed for MIMO channels under two MSE constraints. This is formulated as an 10-norm minimization problem under two quadratic constraints. A sub-optimal solution by decoupling the two constraints is proposed.by Xue Feng.S.M

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