Architectures multi-Asip pour turbo récepteur flexible

Rapidly evolving wireless standards use modern techniques such as turbo codes, Bit Interleaved coded Modulation (BICM), high order QAM constellation, Signal Space Diversity (SSD), Multi-Input Multi-Output (MIMO) Spatial Multiplexing (SM) and Space Time Codes (STC) with different parameters for reliable high rate data transmissions. Adoption of such techniques in the transmitter can impact the receiver architecture in three ways: (1) the complex processing related to advanced techniques such as turbo codes, encourage to perform iterative processing in the receiver to improve error rate performance (2) to satisfy high throughput requirement for an iterative receiver, parallel processing is mandatory and finally (3) to allow the support of different techniques and parameters imposed, programmable yet high throughput hardware processing elements are required. In this thesis, to address the high throughput requirement with turbo processing, first of all a study of parallelism on turbo decoding is extended for turbo demodulation and turbo equalization. Based on the results acquired from the parallelism study a flexible high throughput heterogeneous multi-ASIP NoC based unified turbo receiver is proposed. The proposed architecture fulfils the target requirements in a way that: (a) Application Specific Instruction-set Processor (ASIP) exploits metric generation level parallelism and implements the required flexibility, (b) throughputs beyond the capacity of single ASIP in a turbo process are achieved through multiple ASIP elements implementing sub-block parallelism and shuffled processing and finally (c) Network on Chip is used to handle communication conflicts during parallel processing of multiple ASIPs. In pursuit to achieve a hardware model of the proposed architecture two ASIPs are conceived where the first one, namely EquASIP, is dedicated for MMSE-IC equalization and provides a flexible solution for multiple MIMO techniques adopted in multiple wireless standards with a capability to work in turbo equalization context. The second ASIP, named as DemASIP, is a flexible demapper which can be used in MIMO or single antenna environment for any modulation till 256-QAM with or without iterative demodulation. Using available TurbASIP and NoC components, the thesis concludes on an FPGA prototype of heterogeneous multi-ASIP NoC based unified turbo receiver which integrates 9 instances of 3 different ASIPs with 2 NoCs.Les normes de communication sans fil, sans cesse en évolution, imposent l'utilisation de techniques modernes telles que les turbocodes, modulation codée à entrelacement bit (BICM), constellation MAQ d'ordre élevé, diversité de constellation (SSD), multiplexage spatial et codage espace-temps multi-antennes (MIMO) avec des paramètres différents pour des transmissions fiables et de haut débit. L'adoption de ces techniques dans l'émetteur peut influencer l'architecture du récepteur de trois façons: (1) les traitement complexes relatifs aux techniques avancées comme les turbocodes, encourage à effectuer un traitement itératif dans le récepteur pour améliorer la performance en termes de taux d'erreur (2) pour satisfaire l'exigence de haut débit avec un récepteur itératif, le recours au parallélisme est obligatoire et enfin (3) pour assurer le support des différentes techniques et paramètres imposées, des processeurs de traitement matériel flexibles, mais aussi de haute performance, sont nécessaires. Dans cette thèse, pour répondre aux besoins de haut débit dans un contexte de traitement itératif, tout d'abord une étude de parallélisme sur le turbo décodage a été étendue aux applications de turbo démodulation et turbo égalisation. Partant des résultats obtenus à partir de l'étude du parallélisme, un récepteur itératif unifié basé sur un modèle d'architecture multi-ASIP hétérogène intégrant un réseau sur puce (NoC) a été proposé. L'architecture proposée répond aux exigences visées d'une manière où: (a) le concept de processeur à jeu d'instruction dédié à l'application (ASIP) exploite le parallélisme du niveau de génération de métriques et met en oeuvre la flexibilité nécessaire, (b) les débits au-delà de la capacité d'un seul ASIP dans un processus itératif sont obtenus au moyen de multiples ASIP implémentant le parallélisme de sous-blocs et le traitement combiné et enfin (c) le concept de réseau sur puce (NoC) est utilisé pour gérer les conflits de communication au cours du traitement parallèle itératif multi-ASIP. Dans le but de parvenir à un modèle matériel de l'architecture proposée, deux ASIP ont été conçus où le premier, nommé EquASIP, est dédié à l'égalisation MMSE-IC et fournit une solution flexible pour de multiples techniques multi-antennes adoptés dans plusieurs normes sans fil avec la capacité de travailler dans un contexte de turbo égalisation. Le deuxième ASIP, nommé DemASIP, est un démappeur flexible qui peut être utilisé dans un environnement multi-antennes et pour tout type de modulation jusqu'à MAQ-256 avec ou sans démodulation itérative. En intégrant ces ASIP, en plus des NoC et TurbASIP disponibles à Télécom Bretagne, la thèse conclut sur un prototype FPGA d'un récepteur itératif unifié multi-ASIP qui intègre 9 coeurs de 3 différents types d'ASIP avec 2 NoC

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

ASIP Design and Prototyping for Wireless Communication Applications

International audienc

Link level performance evaluation and link abstraction for LTE/LTE-advanced downlink

Els objectius principals d'aquesta tesis són l'avaluació del rendiment a nivell d'enllaç i l'estudi de l'abstracció de l'enllaç pel LTE/LTE-Advanced DL. S’ha desenvolupat un simulador del nivell d'enllaç E-UTRA DL basat en la tecnologia MIMO-OFDM. Es simulen els errors d'estimació de canal amb un model d'error de soroll additiu Gaussià anomenat CEEM. El resultat d'aquest simulador serveix per avaluar el rendiment a nivell d'enllaç del LTE/LTE-Advanced DL en diferents entorns . La idea bàsica dels mètodes d'abstracció de l'enllaç és mapejar el vector de SNRs de les subportadores a un valor escalar, l'anomenada ESNR, la qual és usada per a predir la BLER. Proposem un innovador mètode d'abstracció de l'enllaç que pot predir la BLER amb bona precisió en esvaïments multicamí i que inclouen els efectes de les retransmissions HARQ. El mètode proposat es basa amb l'estimació de la informació mútua entre els bits transmesos i els LLRs rebuts.The main objectives of this dissertation are the evaluation of the link level performance and the study of link abstraction for LTE/LTE-Advanced DL. An E-UTRA DL link level simulator has been developed based on MIMO-OFDM technology. We simulate channel estimation errors by a Gaussian additive noise error model called CEEM. The result of this simulator serves to evaluate the MIMO-OFDM LTE/LTE-Advanced DL link level performance in different environments. The basic idea of link abstraction methods is to map the vector of the subcarrier SNRs to a single scalar, the ESNR, which is then used to predict the BLER. We propose a novel link abstraction method that can predict the BLER with good accuracy in multipath fading and including the effects of HARQ retransmissions. The proposed method is based on estimating the mutual information between the transmitted bits and the received LLRs.Postprint (published version

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

Self-interference cancellation for full-duplex MIMO transceivers

PhD ThesisIn recent years, there has been enormous interest in utilizing the full-duplex (FD) technique with multiple-input multiple-output (MIMO) systems to complement the evolution of fifth generation technologies. Transmission and reception using FD-MIMO occur simultaneously over the same frequency band and multiple antennas are employed in both sides. The motivation for employing FD-MIMO is the rapidly increasing demand on frequency resources, and also FD has the ability to improve spectral efficiency and channel capacity by a factor of two compared to the conventional half-duplex technique. Additionally, MIMO can enhance the diversity gain and enable FD to acquire further degrees of freedom in mitigating the self-interference (SI). The latter is one of the key challenges degrading the performance of systems operating in FD mode due to local transmission which involves larger power level than the signals of interest coming from distance sources that are significantly more attenuated due to path loss propagation phenomena. Various approaches can be used for self-interference cancellation (SIC) to tackle SI by combining passive suppression with the analogue and digital cancellation techniques. Moreover, active SIC techniques using special domain suppression based on zero-forcing and null-space projection (NSP) can be exploited for this purpose too. The main contributions of this thesis can be summarized as follows. Maximum-ratio combining with NSP are jointly exploited in order to increase the signal-to-noise ratio (SNR) of the desired path and mitigate the undesired loop path, respectively, for an equalize-and-forward (EF) relay using FD-MIMO. Additionally, an end-to-end performance analysis of the proposed system is obtained in the presence of imperfect channel state information by formulating mathematically the exact closed-form solutions for the signal-to-interference-plus-noise ratio (SINR) distribution, outage probability, and average symbol-error rate for uncoded M-ary phase-shift keying over Rayleigh fading channels and in the presence of additive white Gaussian noise (AWGN). The coefficients of the EF-relay are designed to attain the minimum mean-square error (MMSE) between the transmission symbols. Comparison of the results obtained with relevant state-of-the-art techniques suggests significant improvements in the SINR figures and system capacity. Furthermore, iterative detection and decoding (IDD) are proposed to mitigate the residual self-interference (SI) remaining after applying passive suppression along with two stages of SI cancellation (SIC) filters in the analogue and digital domains for coded FD bi-directional transceiver based multiple antennas. IDD comprises an adaptive MMSE filter with log-likelihood ratio demapping, while the soft-in soft-out decoder utilizes the maximum a posteriori (MAP) algorithm. The proposed system’s performance is evaluated in the presence of AWGN over non-selective (flat) Rayleigh fading single-input multiple-output (SIMO) and MIMO channels. However, the results of the analyses can be applied to multi-path channels if orthogonal frequency division multiplexing is utilised with a proper length of cyclic prefix in order to tackle the channels’ frequency-selectivity and delay spread. Simulation results are presented to demonstrate the bit-error rate (BER) performance as a function of the SNR, revealing a close match to the SI-free case for the proposed system. Furthermore, the results are validated by deriving a tight upper bound on the performance of rate-1=2 convolutional codes for FD-SIMO and FD-MIMO systems for different modulation schemes under the same conditions, which asymptotically exhibits close agreement with the simulated BER performance.Ministry of Higher Education and Scientific Research (MoHESR), and the University of Mosul and to the Iraqi Cultural Attache in London for providing financial support for my PhD scholarship

Low-complexity iterative receiver algorithms for multiple-input multiple-output underwater wireless communications

This dissertation proposes three low-complexity iterative receiver algorithms for multiple-input multiple-output (MIMO) underwater acoustic (UWA) communications. First is a bidirectional soft-decision feedback Turbo equalizer (Bi-SDFE) which harvests the time-reverse diversity in severe multipath MIMO channels. The Bi-SDFE outperforms the original soft-decision feedback Turbo equalizer (SDFE) while keeping its total computational complexity similar to that of the SDFE. Second, this dissertation proposes an efficient direct adaptation Turbo equalizer for MIMO UWA communications. Benefiting from the usage of soft-decision reference symbols for parameter adaptation as well as the iterative processing inside the adaptive equalizer, the proposed algorithm is efficient in four aspects: robust performance in tough channels, high spectral efficiency with short training overhead, time efficient with fast convergence and low complexity in hardware implementation. Third, a frequency-domain soft-decision block iterative equalizer combined with iterative channel estimation is proposed for the uncoded single carrier MIMO systems with high data efficiency. All the three new algorithms are evaluated by data recorded in real world ocean experiment or pool experiment. Finally, this dissertation also compares several Turbo equalizers in single-input single-output (SISO) UWA channels. Experimental results show that the channel estimation based Turbo equalizers are robust in SISO underwater transmission under harsh channel conditions --Abstract, page iv

Single-Frequency Network Terrestrial Broadcasting with 5GNR Numerology

L'abstract è presente nell'allegato / the abstract is in the attachmen