VLSI Architectures for WIMAX Channel Decoders

This chapter describes the main architectures proposed in the literature to implement the channel decoders required by the WiMax standard, namely convolutional codes, turbo codes (both block and convolutional) and LDPC. Then it shows a complete design of a convolutional turbo code encoder/decoder system for WiMax.Comment: To appear in the book "WIMAX, New Developments", M. Upena, D. Dalal, Y. Kosta (Ed.), ISBN978-953-7619-53-

Optimisation de la transmission de phonie et vidéophonie sur les réseaux à larges bandes PMR

Cet exposé analyse les perspectives large bande des réseaux PMR, à travers l'évaluation du candidat LTE, et la proposition d'une possible évolution du codage canal, la solution brevetée des codes turbo à protection non uniforme. Une première étude dans le chapitre 2 se concentre sur l'analyse multi-couche et l'identification des problèmes clé des communications de voix et de vidéo sur un réseau LTE professionnel. Les capacités voix et vidéo sont estimées pour les liens montant et descendant de la transmission LTE, et l'efficacité spectrale de la voix en lien descendant est comparée à celle de PMR et GSM. Ce chapitre souligne certains points clé de l'évolution de LTE. S'ils étaient pas résolus par la suite, LTE se verrait perdre de sa crédibilité en tant que candidat à l'évolution de la PMR. Une telle caractéristique clé des réseaux PMR est le codage canal à protection non uniforme, qui pourrait être adapté au système LTE pour une évolution aux contraintes de la sécurité publique. Le chapitre 3 introduit cette proposition d'évolution, qui a été brevetée: les turbo codes à protection non uniforme intégrée. Nous proposons une nouvelle approche pour le codage canal à protection non uniforme à travers les codes turbo progressives hiérarchiques. Les configurations parallèles et séries sont analysées. Les mécanismes de protection non uniformes sont intégrés dans la structure de l'encodeur même à travers l'insertion progressif et hiérarchique de nouvelles données de l'utilisateur. Le turbo décodage est modifié pour exploiter de façon optimale l'insertion progressive de données dans le processus d'encodage et estimer hiérarchiquement ces données. Les propriétés des structures parallèles et séries sont analysées à l'aide d'une analogie aux codes pilotes, ainsi qu'en regardant de plus près leurs caractéristiques de poids de codage. Le taux de transmission virtuel et les représentations des graphs factor fournissent une meilleure compréhension de ces propriétés. Les gains de codage sont évalués à l'aide de simulations numériques, en supposant des canaux de transmission radio statiques et dynamiques, et en utilisant des codes de référence. Enfin, dans le chapitre 4, l'idée breveté du code turbo parallal progressif et hiérarchique (PPHTC) est évaluée sur la plateforme LTE. Une description détaillée de l'architecture des bearers de LTE est donnée, et ses conséquences sont discutées. Le nouveau codage canal est inséré et évalué sur cette plateforme, et ses performances sont comparées avec des schémas de transmission typique à LTE. L'analyse de la qualité de la voix aide à conclure sur l'efficacité de la solution proposée dans un système de transmission réel. Pourtant, même si cette dernière donne les meilleurs résultats, d'avantage d'optimisations devraient être envisagées pour obtenir des gains améliorés et mieux exploiter le potentiel du codage proposé. L'exposé se conclut dans le chapitre 5 et une courte discussion présente les futures perspectives de rechercheThis dissertation analyzes the PMR broadband perspectives, through the evaluation of the preferred candidate, LTE, and the proposal of a possible channel coding evolution, the patented solution of unequal error protection embedded turbo codes. A first study in chapter 2 focuses on the multi-layer analysis and the identification of key issues for professional-like LTE for voice and video communications. The voice and video capacities are estimated for both downlink and uplink LTE transmissions, and the downlink LTE voice system efficiency is compared with that of the PMR and Global System for Mobile Communications (GSM). This chapter helps highlighting some of the key points. If not resolved, the latter could lead to the LTE downfall as a candidate for the PMR evolution. One such key characteristic of PMR systems is the unequal error protection channel coding technique, which might be adapted to the LTE technology for its evolution to public safety requirements. Chapter 3 further introduces the proposed evolution patented ideas: the unequal error protection embedded turbo codes. We propose a new approach for the unequal error protection channel coding through the progressive hierarchical turbo codes. Both parallel and serial turbo configurations are closely studied. The unequal error protection mechanisms are embedded in the encoder s structure itself through the progressive and hierarchical insertion of new data. The turbo decoding is modified as to optimally exploit the progressive insertion of information in the encoding process and hierarchically estimate the corresponding data. Both parallel and serial configurations properties are analyzed using an analogy with a pilot code behavior, as well as a zoom on the weight error functions coefficients. The virtual code rate and factor graph interpretations also provide a better insight on the code properties. The code possible gains are highlighted through computer simulations in both static and dynamic transmission environments, by using carefully chosen benchmarks. Finally, in chapter 4, the patented idea of parallel progressive hierarchical turbo codes (PPHTC) is evaluated over the LTE platform. A detailed description is given of the voice transmission bearer architecture over LTE, and its consequences are discussed. The new channel code is inserted and evaluated over this platform and its performances compared with the existent LTE transmission schemes. The voice quality results help concluding on the efficiency of the proposed solution in a real transmission scenario. However, even though the newly presented solution gives the best results, further system optimizations should be envisaged for obtaining better gains and exploit the parallel progressive hierarchical turbo codes potential. The dissertation concludes in chapter 5 and a short discussion is given on future research perspectivesEVRY-INT (912282302) / SudocSudocFranceF

2022, nr 2, JTIT

kwartalni

Energy efficient design of an adaptive switching algorithm for the iterative-MIMO receiver

An efficient design dedicated for iterative-multiple-input multiple-output (MIMO) receiver systems is now imperative in our world since data demands are increasing tremendously in wireless networks. This puts a massive burden on the signal processing power especially in small receiver systems where power sources are often shared or limited. This thesis proposes an attractive solution to both the wireless signal processing and the architectural implementation design sides of the problem. A novel algorithm, dubbed the Adaptive Switching Algorithm, is proven to not only save more than a third of the energy consumption in the algorithmic design, but is also able to achieve an energy reduction of more than 50% in terms of processing power when the design is mapped onto state-of-the-art programmable hardware. Simulations are based in MatlabTM using the Monte Carlo approach, where multiple additive white Gaussian noise (AWGN) and Rayleigh fading channels for both fast and slow fading environments were investigated. The software selects the appropriate detection algorithm depending on the current channel conditions. The design for the hardware is based on the latest field programmable gate arrays (FPGA) hardware from Xilinx R , specifically the Virtex-5 and Virtex-7 chipsets. They were chosen during the experimental phase to verify the results in order to examine trends for energy consumption in the proposed algorithm design. Savings come from dynamic allocation of the hardware resources by implementing power minimization techniques depending on the processing requirements of the system. Having demonstrated the feasibility of the algorithm in controlled environments, realistic channel conditions were simulated using spatially correlated MIMO channels to test the algorithm’s readiness for real-world deployment. The proposed algorithm is placed in both the MIMO detector and the iterative-decoder blocks of the receiver. When the final full receiver design setup is implemented, it shows that the key to energy saving lies in the fact that both software and hardware components of the Adaptive Switching Algorithm adopt adaptivity in the respective designs. The detector saves energy by selecting suitable detection schemes while the decoder provides adaptivity by limiting the number of decoding iterations, both of which are updated in real-time. The overall receiver can achieve more than 70% energy savings in comparison to state-of-the-art iterative-MIMO receivers and thus it can be concluded that this level of ‘intelligence’ is an important direction towards a more efficient iterative-MIMO receiver designs in the future

The Telecommunications and Data Acquisition Report

This quarterly publication provides archival reports on developments in programs managed by JPL's Telecommunications and Mission Operations Directorate (TMOD), which now includes the former Telecommunications and Data Acquisition (TDA) Office. In space communications, radio navigation, radio science, and ground-based radio and radar astronomy, it reports on activities of the Deep Space Network (DSN) in planning, supporting research and technology, implementation, and operations. Also included are standards activity at JPL for space data and information systems and reimbursable DSN work performed for other space agencies through NASA. The preceding work is all performed for NASA's Office of Space Communications (OSC)

Solutions for New Terrestrial Broadcasting Systems Offering Simultaneously Stationary and Mobile Services

221 p.[EN]Since the first broadcasted TV signal was transmitted in the early decades of the past century, the television broadcasting industry has experienced a series of dramatic changes. Most recently, following the evolution from analogue to digital systems, the digital dividend has become one of the main concerns of the broadcasting industry. In fact, there are many international spectrum authorities reclaiming part of the broadcasting spectrum to satisfy the growing demand of other services, such as broadband wireless services, arguing that the TV services are not very spectrum-efficient. Apart from that, it must be taken into account that, even if up to now the mobile broadcasting has not been considered a major requirement, this will probably change in the near future. In fact, it is expected that the global mobile data traffic will increase 11-fold between 2014 and 2018, and what is more, over two thirds of the data traffic will be video stream by the end of that period. Therefore, the capability to receive HD services anywhere with a mobile device is going to be a mandatory requirement for any new generation broadcasting system. The main objective of this work is to present several technical solutions that answer to these challenges. In particular, the main questions to be solved are the spectrum efficiency issue and the increasing user expectations of receiving high quality mobile services. In other words, the main objective is to provide technical solutions for an efficient and flexible usage of the terrestrial broadcasting spectrum for both stationary and mobile services. The first contributions of this scientific work are closely related to the study of the mobile broadcast reception. Firstly, a comprehensive mathematical analysis of the OFDM signal behaviour over time-varying channels is presented. In order to maximize the channel capacity in mobile environments, channel estimation and equalization are studied in depth. First, the most implemented equalization solutions in time-varying scenarios are analyzed, and then, based on these existing techniques, a new equalization algorithm is proposed for enhancing the receivers’ performance. An alternative solution for improving the efficiency under mobile channel conditions is treating the Inter Carrier Interference as another noise source. Specifically, after analyzing the ICI impact and the existing solutions for reducing the ICI penalty, a new approach based on the robustness of FEC codes is presented. This new approach employs one dimensional algorithms at the receiver and entrusts the ICI removing task to the robust forward error correction codes. Finally, another major contribution of this work is the presentation of the Layer Division Multiplexing (LDM) as a spectrum-efficient and flexible solution for offering stationary and mobile services simultaneously. The comprehensive theoretical study developed here verifies the improved spectrum efficiency, whereas the included practical validation confirms the feasibility of the system and presents it as a very promising multiplexing technique, which will surely be a strong candidate for the next generation broadcasting services.[ES]Desde el comienzo de la transmisión de las primeras señales de televisión a principios del siglo pasado, la radiodifusión digital ha evolucionado gracias a una serie de cambios relevantes. Recientemente, como consecuencia directa de la digitalización del servicio, el dividendo digital se ha convertido en uno de los caballos de batalla de la industria de la radiodifusión. De hecho, no son pocos los consorcios internacionales que abogan por asignar parte del espectro de radiodifusión a otros servicios como, por ejemplo, la telefonía móvil, argumentado la poca eficiencia espectral de la tecnología de radiodifusión actual. Asimismo, se debe tener en cuenta que a pesar de que los servicios móviles no se han considerado fundamentales en el pasado, esta tendencia probablemente variará en el futuro cercano. De hecho, se espera que el tráfico derivado de servicios móviles se multiplique por once entre los años 2014 y 2018; y lo que es más importante, se pronostica que dos tercios del tráfico móvil sea video streaming para finales de ese periodo. Por lo tanto, la posibilidad de ofrecer servicios de alta definición en dispositivos móviles es un requisito fundamental para los sistemas de radiodifusión de nueva generación. El principal objetivo de este trabajo es presentar soluciones técnicas que den respuesta a los retos planteados anteriormente. En particular, las principales cuestiones a resolver son la ineficiencia espectral y el incremento de usuarios que demandan mayor calidad en los contenidos para dispositivos móviles. En pocas palabras, el principal objetivo de este trabajo se basa en ofrecer una solución más eficiente y flexible para la transmisión simultánea de servicios fijos y móviles. La primera contribución relevante de este trabajo está relacionada con la recepción de la señal de televisión en movimiento. En primer lugar, se presenta un completo análisis matemático del comportamiento de la señal OFDM en canales variantes con el tiempo. A continuación, con la intención de maximizar la capacidad del canal, se estudian en profundidad los algoritmos de estimación y ecualización. Posteriormente, se analizan los algoritmos de ecualización más implementados, y por último, basándose en estas técnicas, se propone un nuevo algoritmo de ecualización para aumentar el rendimiento de los receptores en tales condiciones. Del mismo modo, se plantea un nuevo enfoque para mejorar la eficiencia de los servicios móviles basado en tratar la interferencia entre portadoras como una fuente de ruido. Concretamente, tras analizar el impacto del ICI en los receptores actuales, se sugiere delegar el trabajo de corrección de dichas distorsiones en códigos FEC muy robustos. Finalmente, la última contribución importante de este trabajo es la presentación de la tecnología LDM como una manera más eficiente y flexible para la transmisión simultánea de servicios fijos y móviles. El análisis teórico presentado confirma el incremento en la eficiencia espectral, mientras que el estudio práctico valida la posible implementación del sistema y presenta la tecnología LDM c

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

Superimposed training for single carrier transmission in future mobile communications

The amount of wireless devices and wireless traffic has been increasing exponentially for the last ten years. It is forecasted that the exponential growth will continue without saturation till 2020 and probably further. So far, network vendors and operators have tackled the problem by introducing new evolutions of cellular macro networks, where each evolution has increased the physical layer spectral efficiency. Unfortunately, the spectral efficiency of the physical layer is achieving the Shannon-Hartley limit and does not provide much room for improvement anymore. However, considering the overhead due to synchronization and channel estimation reference symbols in the context of physical layer spectral efficiency, we believe that there is room for improvement. In this thesis, we will study the potentiality of superimposed training methods, especially data-dependent superimposed training, to boost the spectral efficiency of wideband single carrier communications even further. The main idea is that with superimposed training we can transmit more data symbols in the same time duration as compared to traditional time domain multiplexed training. In theory, more data symbols means more data bits which indicates higher throughput for the end user. In practice, nothing is free. With superimposed training we encounter self-interference between the training signal and the data signal. Therefore, we have to look for iterative receiver structures to separate these two or to estimate both, the desired data signal and the interfering component. In this thesis, we initiate the studies to find out if we truly can improve the existing systems by introducing the superimposed training scheme. We show that in certain scenarios we can achieve higher spectral efficiency, which maps directly to higher user throughput, but with the cost of higher signal processing burden in the receiver. In addition, we provide analytical tools for estimating the symbol or bit error ratio in the receiver with a given parametrization. The discussion leads us to the conclusion that there still remains several open topics for further study when looking for new ways of optimizing the overhead of reference symbols in wireless communications. Superimposed training with data-dependent components may prove to provide extra throughput gain. Furthermore, the superimposed component may be used for, e.g., improved synchronization, low bit-rate signaling or continuous tracking of neighbor cells. We believe that the current systems could be improved by using the superimposed training collectively with time domain multiplexed training

Efficient iterative decoding algorithms for turbo and low-density parity-check (LDPC) codes

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