Decoding by Embedding: Correct Decoding Radius and DMT Optimality

The closest vector problem (CVP) and shortest (nonzero) vector problem (SVP) are the core algorithmic problems on Euclidean lattices. They are central to the applications of lattices in many problems of communications and cryptography. Kannan's \emph{embedding technique} is a powerful technique for solving the approximate CVP, yet its remarkable practical performance is not well understood. In this paper, the embedding technique is analyzed from a \emph{bounded distance decoding} (BDD) viewpoint. We present two complementary analyses of the embedding technique: We establish a reduction from BDD to Hermite SVP (via unique SVP), which can be used along with any Hermite SVP solver (including, among others, the Lenstra, Lenstra and Lov\'asz (LLL) algorithm), and show that, in the special case of LLL, it performs at least as well as Babai's nearest plane algorithm (LLL-aided SIC). The former analysis helps to explain the folklore practical observation that unique SVP is easier than standard approximate SVP. It is proven that when the LLL algorithm is employed, the embedding technique can solve the CVP provided that the noise norm is smaller than a decoding radius $\lambda_1/(2\gamma)$, where $\lambda_1$ is the minimum distance of the lattice, and $\gamma \approx O(2^{n/4})$. This substantially improves the previously best known correct decoding bound $\gamma \approx {O}(2^{n})$. Focusing on the applications of BDD to decoding of multiple-input multiple-output (MIMO) systems, we also prove that BDD of the regularized lattice is optimal in terms of the diversity-multiplexing gain tradeoff (DMT), and propose practical variants of embedding decoding which require no knowledge of the minimum distance of the lattice and/or further improve the error performance.Comment: To appear in IEEE Transactions on Information Theor

Design and Implementation of Efficient Algorithms for Wireless MIMO Communication Systems

En la última década, uno de los avances tecnológicos más importantes que han hecho culminar la nueva generación de banda ancha inalámbrica es la comunicación mediante sistemas de múltiples entradas y múltiples salidas (MIMO). Las tecnologías MIMO han sido adoptadas por muchos estándares inalámbricos tales como LTE, WiMAS y WLAN. Esto se debe principalmente a su capacidad de aumentar la máxima velocidad de transmisión , junto con la fiabilidad alcanzada y la cobertura de las comunicaciones inalámbricas actuales sin la necesidad de ancho de banda extra ni de potencia de transmisión adicional. Sin embargo, las ventajas proporcionadas por los sistemas MIMO se producen a expensas de un aumento sustancial del coste de implementación de múltiples antenas y de la complejidad del receptor, la cual tiene un gran impacto sobre el consumo de energía. Por esta razón, el diseño de receptores de baja complejidad es un tema importante que se abordará a lo largo de esta tesis. En primer lugar, se investiga el uso de técnicas de preprocesado de la matriz de canal MIMO bien para disminuir el coste computacional de decodificadores óptimos o bien para mejorar las prestaciones de detectores subóptimos lineales, SIC o de búsqueda en árbol. Se presenta una descripción detallada de dos técnicas de preprocesado ampliamente utilizadas: el método de Lenstra, Lenstra, Lovasz (LLL) para lattice reduction (LR) y el algorimo VBLAST ZF-DFE. Tanto la complejidad como las prestaciones de ambos métodos se han evaluado y comparado entre sí. Además, se propone una implementación de bajo coste del algoritmo VBLAST ZF-DFE, la cual se incluye en la evaluación. En segundo lugar, se ha desarrollado un detector MIMO basado en búsqueda en árbol de baja complejidad, denominado detector K-Best de amplitud variable (VB K-Best). La idea principal de este método es aprovechar el impacto del número de condición de la matriz de canal sobre la detección de datos con el fin de disminuir la complejidad de los sistemasRoger Varea, S. (2012). Design and Implementation of Efficient Algorithms for Wireless MIMO Communication Systems [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/16562Palanci