Soft-decision equalization techniques for frequency selective MIMO channels

Multi-input multi-output (MIMO) technology is an emerging solution for high data rate wireless communications. We develop soft-decision based equalization techniques for frequency selective MIMO channels in the quest for low-complexity equalizers with BER performance competitive to that of ML sequence detection. We first propose soft decision equalization (SDE), and demonstrate that decision feedback equalization (DFE) based on soft-decisions, expressed via the posterior probabilities associated with feedback symbols, is able to outperform hard-decision DFE, with a low computational cost that is polynomial in the number of symbols to be recovered, and linear in the signal constellation size. Building upon the probabilistic data association (PDA) multiuser detector, we present two new MIMO equalization solutions to handle the distinctive channel memory. With their low complexity, simple implementations, and impressive near-optimum performance offered by iterative soft-decision processing, the proposed SDE methods are attractive candidates to deliver efficient reception solutions to practical high-capacity MIMO systems. Motivated by the need for low-complexity receiver processing, we further present an alternative low-complexity soft-decision equalization approach for frequency selective MIMO communication systems. With the help of iterative processing, two detection and estimation schemes based on second-order statistics are harmoniously put together to yield a two-part receiver structure: local multiuser detection (MUD) using soft-decision Probabilistic Data Association (PDA) detection, and dynamic noise-interference tracking using Kalman filtering. The proposed Kalman-PDA detector performs local MUD within a sub-block of the received data instead of over the entire data set, to reduce the computational load. At the same time, all the inter-ference affecting the local sub-block, including both multiple access and inter-symbol interference, is properly modeled as the state vector of a linear system, and dynamically tracked by Kalman filtering. Two types of Kalman filters are designed, both of which are able to track an finite impulse response (FIR) MIMO channel of any memory length. The overall algorithms enjoy low complexity that is only polynomial in the number of information-bearing bits to be detected, regardless of the data block size. Furthermore, we introduce two optional performance-enhancing techniques: cross- layer automatic repeat request (ARQ) for uncoded systems and code-aided method for coded systems. We take Kalman-PDA as an example, and show via simulations that both techniques can render error performance that is better than Kalman-PDA alone and competitive to sphere decoding. At last, we consider the case that channel state information (CSI) is not perfectly known to the receiver, and present an iterative channel estimation algorithm. Simulations show that the performance of SDE with channel estimation approaches that of SDE with perfect CSI

Adaptive Communications for Next Generation Broadband Wireless Access Systems

Un dels aspectes claus en el disseny i gestió de les xarxes sense fils d'accés de banda ampla és l'ús eficient dels recursos radio. Des del punt de vista de l'operador, l'ample de banda és un bé escàs i preuat que s´ha d'explotar i gestionar de la forma més eficient possible tot garantint la qualitat del servei que es vol proporcionar. Per altra banda, des del punt de vista del usuari, la qualitat del servei ofert ha de ser comparable al de les xarxes fixes, requerint així un baix retard i una baixa pèrdua de paquets per cadascun dels fluxos de dades entre la xarxa i l'usuari. Durant els darrers anys s´han desenvolupat nombroses tècniques i algoritmes amb l'objectiu d'incrementar l'eficiència espectral. Entre aquestes tècniques destaca l'ús de múltiples antenes al transmissor i al receptor amb l'objectiu de transmetre diferents fluxos de dades simultaneament sense necessitat d'augmentar l'ample de banda. Per altra banda, la optimizació conjunta de la capa d'accés al medi i la capa física (fent ús de l'estat del canal per tal de gestionar de manera optima els recursos) també permet incrementar sensiblement l'eficiència espectral del sistema.L'objectiu d'aquesta tesi és l'estudi i desenvolupament de noves tècniques d'adaptació de l'enllaç i gestió dels recursos ràdio aplicades sobre sistemes d'accés ràdio de propera generació (Beyond 3G). Els estudis realitzats parteixen de la premissa que el transmisor coneix (parcialment) l'estat del canal i que la transmissió es realitza fent servir un esquema multiportadora amb múltiples antenes al transmisor i al receptor. En aquesta tesi es presenten dues línies d'investigació, la primera per casos d'una sola antenna a cada banda de l'enllaç, i la segona en cas de múltiples antenes. En el cas d'una sola antena al transmissor i al receptor, un nou esquema d'assignació de recursos ràdio i priorització dels paquets (scheduling) és proposat i analitzat integrant totes dues funcions sobre una mateixa entitat (cross-layer). L'esquema proposat té com a principal característica la seva baixa complexitat i que permet operar amb transmissions multimedia. Alhora, posteriors millores realitzades per l'autor sobre l'esquema proposat han permès també reduir els requeriments de senyalització i combinar de forma óptima usuaris d'alta i baixa mobilitat sobre el mateix accés ràdio, millorant encara més l'eficiència espectral del sistema. En cas d'enllaços amb múltiples antenes es proposa un nou esquema que combina la selecció del conjunt optim d'antenes transmissores amb la selecció de la codificació espai- (frequència-) temps. Finalment es donen una sèrie de recomanacions per tal de combinar totes dues línies d'investigació, així con un estat de l'art de les tècniques proposades per altres autors que combinen en part la gestió dels recursos ràdio i els esquemes de transmissió amb múltiples antenes.Uno de los aspectos claves en el diseño y gestión de las redes inalámbricas de banda ancha es el uso eficiente de los recursos radio. Desde el punto de vista del operador, el ancho de banda es un bien escaso y valioso que se debe explotar y gestionar de la forma más eficiente posible sin afectar a la calidad del servicio ofrecido. Por otro lado, desde el punto de vista del usuario, la calidad del servicio ha de ser comparable al ofrecido por las redes fijas, requiriendo así un bajo retardo y una baja tasa de perdida de paquetes para cada uno de los flujos de datos entre la red y el usuario. Durante los últimos años el número de técnicas y algoritmos que tratan de incrementar la eficiencia espectral en dichas redes es bastante amplio. Entre estas técnicas destaca el uso de múltiples antenas en el transmisor y en el receptor con el objetivo de poder transmitir simultáneamente diferentes flujos de datos sin necesidad de incrementar el ancho de banda. Por otro lado, la optimización conjunta de la capa de acceso al medio y la capa física (utilizando información de estado del canal para gestionar de manera óptima los recursos) también permite incrementar sensiblemente la eficiencia espectral del sistema.El objetivo de esta tesis es el estudio y desarrollo de nuevas técnicas de adaptación del enlace y la gestión de los recursos radio, y su posterior aplicación sobre los sistemas de acceso radio de próxima generación (Beyond 3G). Los estudios realizados parten de la premisa de que el transmisor conoce (parcialmente) el estado del canal a la vez que se considera que la transmisión se realiza sobre un sistema de transmisión multiportadora con múltiple antenas en el transmisor y el receptor. La tesis se centra sobre dos líneas de investigación, la primera para casos de una única antena en cada lado del enlace, y la segunda en caso de múltiples antenas en cada lado. Para el caso de una única antena en el transmisor y en el receptor, se ha desarrollado un nuevo esquema de asignación de los recursos radio así como de priorización de los paquetes de datos (scheduling) integrando ambas funciones sobre una misma entidad (cross-layer). El esquema propuesto tiene como principal característica su bajo coste computacional a la vez que se puede aplicar en caso de transmisiones multimedia. Posteriores mejoras realizadas por el autor sobre el esquema propuesto han permitido también reducir los requisitos de señalización así como combinar de forma óptima usuarios de alta y baja movilidad. Por otro lado, en caso de enlaces con múltiples antenas en transmisión y recepción, se presenta un nuevo esquema de adaptación en el cual se combina la selección de la(s) antena(s) transmisora(s) con la selección del esquema de codificación espacio-(frecuencia-) tiempo. Para finalizar, se dan una serie de recomendaciones con el objetivo de combinar ambas líneas de investigación, así como un estado del arte de las técnicas propuestas por otros autores que combinan en parte la gestión de los recursos radio y los esquemas de transmisión con múltiples antenas.In Broadband Wireless Access systems the efficient use of the resources is crucial from many points of views. From the operator point of view, the bandwidth is a scarce, valuable, and expensive resource which must be exploited in an efficient manner while the Quality of Service (QoS) provided to the users is guaranteed. On the other hand, a tight delay and link quality constraints are imposed on each data flow hence the user experiences the same quality as in fixed networks. During the last few years many techniques have been developed in order to increase the spectral efficiency and the throughput. Among them, the use of multiple antennas at the transmitter and the receiver (exploiting spatial multiplexing) with the joint optimization of the medium access control layer and the physical layer parameters.In this Ph.D. thesis, different adaptive techniques for B3G multicarrier wireless systems are developed and proposed focusing on the SS-MC-MA and the OFDM(A) (IEEE 802.16a/e/m standards) communication schemes. The research lines emphasize into the adaptation of the transmission having (Partial) knowledge of the Channel State Information for both; single antenna and multiple antenna links. For single antenna links, the implementation of a joint resource allocation and scheduling strategy by including adaptive modulation and coding is investigated. A low complexity resource allocation and scheduling algorithm is proposed with the objective to cope with real- and/or non-real- time requirements and constraints. A special attention is also devoted in reducing the required signalling. However, for multiple antenna links, the performance of a proposed adaptive transmit antenna selection scheme jointly with space-time block coding selection is investigated and compared with conventional structures. In this research line, mainly two optimizations criteria are proposed for spatial link adaptation, one based on the minimum error rate for fixed throughput, and the second focused on the maximisation of the rate for fixed error rate. Finally, some indications are given on how to include the spatial adaptation into the investigated and proposed resource allocation and scheduling process developed for single antenna transmission

Intelligent genetic algorithms for next-generation broadband multi-carrier CDMA wireless networks

This thesis was submitted for the degree of Doctor of Philosophy and awarded by Brunel University.This dissertation proposes a novel intelligent system architecture for next-generation broadband multi-carrier CDMA wireless networks. In our system, two novel and similar intelligent genetic algorithms, namely Minimum Distance guided GAs (MDGAs) are invented for both peak-to-average power ratio (PAPR) reduction at the transmitter side and multi-user detection (MUD) at the receiver side. Meanwhile, we derive a theoretical BER performance analysis for the proposed MC-CDMA system in A WGN channel. Our analytical results show that the theoretical BER performance of synchronized MC-CDMA system is the same as that of the synchronized DS-CDMA system which is also used as a theoretical guidance of our novel MUD receiver design. In contrast to traditional GAs, our MDGAs start with a balanced ratio of exploration and exploitation which is maintained throughout the process. In our algorithms, a new replacement strategy is designed which increases significantly the convergence rate and reduces dramatically computational complexity as compared to the conventional GAs. The simulation results demonstrate that, if compared to those schemes using exhaustive search and traditional GAs, (1) our MDGA-based P APR reduction scheme achieves 99.52% and 50+% reductions in computational complexity, respectively; (2) our MDGA-based MUD scheme achieves 99.54% and 50+% reductions in computational complexity, respectively. The use of one core MDGA solution for both issues can ease the hardware design and dramatically reduce the implementation cost in practice