Reduced-complexity maximum-likelihood decoding for 3D MIMO code

The 3D MIMO code is a robust and efficient space-time coding scheme for the distributed MIMO broadcasting. However, it suffers from the high computational complexity if the optimal maximum-likelihood (ML) decoding is used. In this paper we first investigate the unique properties of the 3D MIMO code and consequently propose a simplified decoding algorithm without sacrificing the ML optimality. Analysis shows that the decoding complexity is reduced from O(M^8) to O(M^{4.5}) in quasi-static channels when M-ary square QAM constellation is used. Moreover, we propose an efficient implementation of the simplified ML decoder which achieves a much lower decoding time delay compared to the classical sphere decoder with Schnorr-Euchner enumeration.Comment: IEEE Wireless Communications and Networking Conference (WCNC 2013), Shanghai : China (2013

Performance Comparison of Terrestrial DVB Detection using LDPC and Turbo Codes

Last-generation and future wireless communication standards, such as DVB-T2 or DVB-NGH, are including multi-antenna transmission and reception in order to increase bandwidth efficiency and receiver robustness. The main goal is to combine diversity and spatial multiplexing in order to fully exploit the multiple-input multiple output (MIMO) channel capacity. Full-rate full-diversity (FRFD) space-time codes (STC) such as the Golden code are studied for that purpose. However, despite their larger achievable capacity, most of them present high complexity for soft detection, which hinders their combination with soft-input decoders in bit-interleaved coded modulation (BICM) schemes. This article presents a low complexity soft detection algorithm for the reception of FRFD space-frequency block codes in BICM orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) systems and gives the performance comparision using Ldpc and Turbo codes. The proposed detector maintains a reduced and fixed complexity, avoiding the variable nature of the list sphere decoder (LSD) due to its dependence on the noise and channel conditions. Complexity and simulation based performance results are provided which show that the proposed detector performs close to the optimal log-maximum a posteriori (MAP) detection in a variety of DVB-T2 broadcasting scenarios

Achieving Low-Complexity Maximum-Likelihood Detection for the 3D MIMO Code

The 3D MIMO code is a robust and efficient space-time block code (STBC) for the distributed MIMO broadcasting but suffers from high maximum-likelihood (ML) decoding complexity. In this paper, we first analyze some properties of the 3D MIMO code to show that the 3D MIMO code is fast-decodable. It is proved that the ML decoding performance can be achieved with a complexity of O(M^{4.5}) instead of O(M^8) in quasi static channel with M-ary square QAM modulations. Consequently, we propose a simplified ML decoder exploiting the unique properties of 3D MIMO code. Simulation results show that the proposed simplified ML decoder can achieve much lower processing time latency compared to the classical sphere decoder with Schnorr-Euchner enumeration

MIMO for ATSC 3.0

"(c) 2016 IEEE. Personal use of this material is permitted. Permission from IEEE must be obtained for all other users, including reprinting/ republishing this material for advertising or promotional purposes, creating new collective works for resale or redistribution to servers or lists, or reuse of any copyrighted components of this work in other works.")This paper provides an overview of the optional MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) antenna scheme adopted in ATSC 3.0 to improve robustness or increase capacity via additional spatial diversity and multiplexing by sending two data streams in a single radio frequency channel. Although it is not directly specified, it is expected in practice to use cross-polarized 2x2 MIMO (i.e., horizontal and vertical polarization) to retain multiplexing capabilities in line-of-sight conditions. MIMO allows overcoming the channel capacity limit of single antenna wireless communications in a given channel bandwidth without any increase in the total transmission power. But in the U.S. MIMO can actually provide a larger comparative gain because it would be allowed to increase the total transmit power, by transmitting the nominal transmit power in each polarization. Hence, in addition to the MIMO gains (array, diversity and spatial multiplexing), MIMO could exploit an additional 3 dB power gain. The MIMO scheme adopted in ATSC 3.0 re-uses the SISO (Single-Input Single-Output) antenna baseline constellations, and hence it introduces the use of MIMO with non-uniform constellations.Gómez Barquero, D.; Vargas, D.; Fuentes Muela, M.; Klenner, P.; Moon, S.; Choi, J.; Schneider, D.... (2016). MIMO for ATSC 3.0. IEEE Transactions on Broadcasting. 62(1):298-305. doi:10.1109/TBC.2015.2505399S29830562

Advanced constellation and demapper schemes for next generation digital terrestrial television broadcasting systems

206 p.Esta tesis presenta un nuevo tipo de constelaciones llamadas no uniformes. Estos esquemas presentan una eficacia de hasta 1,8 dB superior a las utilizadas en los últimos sistemas de comunicaciones de televisión digital terrestre y son extrapolables a cualquier otro sistema de comunicaciones (satélite, móvil, cable¿). Además, este trabajo contribuye al diseño de constelaciones con una nueva metodología que reduce el tiempo de optimización de días/horas (metodologías actuales) a horas/minutos con la misma eficiencia. Todas las constelaciones diseñadas se testean bajo una plataforma creada en esta tesis que simula el estándar de radiodifusión terrestre más avanzado hasta la fecha (ATSC 3.0) bajo condiciones reales de funcionamiento.Por otro lado, para disminuir la latencia de decodificación de estas constelaciones esta tesis propone dos técnicas de detección/demapeo. Una es para constelaciones no uniformes de dos dimensiones la cual disminuye hasta en un 99,7% la complejidad del demapeo sin empeorar el funcionamiento del sistema. La segunda técnica de detección se centra en las constelaciones no uniformes de una dimensión y presenta hasta un 87,5% de reducción de la complejidad del receptor sin pérdidas en el rendimiento.Por último, este trabajo expone un completo estado del arte sobre tipos de constelaciones, modelos de sistema, y diseño/demapeo de constelaciones. Este estudio es el primero realizado en este campo

Técnicas de diversidad para sistemas de DVB de última generación.

Hoy en día los sistemas de comunicaciones tienen un rendimiento cercano a los límites teóricos expuestos por Claude Shannon. Esto se debe principalmente al estado de madurez de las tecnologías que emplean. Como claros ejemplos se podrían tomar estándares de la familia 802.11 (a,b,g,n), 802.16 (WiMax) o los de telefonía móvil (UMTS). Aumentar la tasa de datos en este tipo de sistemas (limitados en banda y complejidad) se convierte en un gran desafío. Pero este aumento es una necesidad real, dado que cada vez los hábitos de consumo de los usuarios se hacen más exigentes. Lejos queda el tiempo en el que las redes móviles tenían que lidiar únicamente con llamadas de voz y SMS, con la llegada de los smartphones y otros dispositivos cambiaron por completo el escenario y la demanda de capacidad por parte del usuario no hace más que aumentar. Esto también es aplicable a los sistemas tradicionales de difusión; televisión digital de alta definición (HDTV), servicios interactivos… requieren una capacidad mucho más alta que la que podía ofrecer la primera generación de televisión digital. El desarrollo de la segunda generación de televisión digital terrestre (DVB-T2) y la disponibilidad de frecuencias libres en la banda USHF tras el apagón analógico en Europa propiciaron a los operadores de televisión poder ofrecer nuevos servicios con la planificación de red del momento como pudieran ser televisión de alta definición y servicios de datos (navegación por la red, banking, etc.). Por este motivo DVB-T2 se concibió para tener una capacidad mayor que la de su predecesor DVB-T, consiguiendo un incremento de hasta un 70%. También DVB-NGH se desarrolló para dar servicio a sistemas portables y móviles superando con creces en capacidad y robustez a su predecesor DVB-H. En los dos estándares citados una de las características claves para conseguir este aumento de prestaciones es la diversidad; tiempo, frecuencia y espacio proporcionan los grados de libertad necesarios para poder aprovechar los recursos que los canales inalámbricos pueden ofrecer. En esta tesis doctoral el estudio del uso de la diversidad será la piedra angular, sus bondades e inconvenientes y cómo reducir estos últimos. Los principales puntos de interés que se desarrollan en la tesis son los siguientes: Estudio de los antecedentes de diversidad en estándares de la familia DVB: Constelaciones Rotadas. Principales beneficios e inconvenientes, implementación en DVB-T2 y contribuciones para la reducción de la complejidad inherente a su adopción. Estudio de técnicas MIMO propuestas para DVB-NGH: Principales ventajas e inconvenientes. Contribuciones para la reducción de complejidad asociada a esquemas de codificación MIMO. La tesis se divide en los siguientes capítulos: En el primero se realizará una introducción a la problemática abordada así como se expondrán la motivación y metodología adoptada. En el capítulo 2 se lleva a cabo un estudio del estado del arte de los principales estándares de la familia del Proyecto DVB. El capítulo 3 presenta un estudio en profundidad del precedente de diversidad más cercano, Constelaciones Rotadas de DVB-T2. Se presentarán los principios teóricos, su implementación y se estudiará la mejora en rendimiento que puede ofrecer para el sistema. Por último se proponen diversas técnicas para reducir la complejidad hardware que acarrea el uso de esta técnica. El capítulo 4 se centra en el estudio teórico de los sistemas MIMO, como justificación de su incorporación a DVB-NGH. En el capítulo 5 se estudian las técnicas de codificación MIMO propuestas para DVB-NGH, comparando la capacidad que cada una de ellas es capaz de proporcionar, concluyendo que eSM es la técnica más idónea debido a su rendimiento y relativa baja complejidad a la hora de llevar a cabo el proceso de detección. Finalmente se propone un método de reducción de la complejidad introducida por el uso de eSM y se propone un nuevo esquema basado en éste para sistemas SISO (eTFM). El capítulo 6 contiene las principales conclusiones que se pueden extraer de todo el trabajo expuesto anteriormente así como las posibles líneas futuras de investigación

Dual polarized modulation and reception for next generation mobile satellite communications

This paper presents the novel application of polarized modulation (PMod) for increasing the throughput in mobile satellite transmissions. One of the major drawbacks in mobile satellite communications is the fact that the power budget is often restrictive, making it unaffordable to improve the spectral efficiency without an increment of transmitted power. By using dual polarized antennas in the transmitter and receiver, the PMod technique achieves an improvement in throughput of up to 100% with respect to existing deployments, with an increase of less than 1 dB at low Eb/N0 regime. Additionally, the proposed scheme implies minimum hardware modifications with respect to the existing dual polarized systems and does not require additional channel state information at the transmitter; thus it can be used in current deployments. Demodulation (i.e., detection and decoding) alternatives, with different processing complexity and performance, are studied. The results are validated in a typical mobile interactive scenario, the newest version of TS 102 744 standard [Broadband Global Area Network (BGAN)], which aims to provide interactive mobile satellite communications.Peer ReviewedPostprint (author's final draft

Capacity-Achieving MIMO-NOMA: Iterative LMMSE Detection

This paper considers a low-complexity iterative Linear Minimum Mean Square Error (LMMSE) multi-user detector for the Multiple-Input and Multiple-Output system with Non-Orthogonal Multiple Access (MIMO-NOMA), where multiple single-antenna users simultaneously communicate with a multiple-antenna base station (BS). While LMMSE being a linear detector has a low complexity, it has suboptimal performance in multi-user detection scenario due to the mismatch between LMMSE detection and multi-user decoding. Therefore, in this paper, we provide the matching conditions between the detector and decoders for MIMO-NOMA, which are then used to derive the achievable rate of the iterative detection. We prove that a matched iterative LMMSE detector can achieve (i) the optimal capacity of symmetric MIMO-NOMA with any number of users, (ii) the optimal sum capacity of asymmetric MIMO-NOMA with any number of users, (iii) all the maximal extreme points in the capacity region of asymmetric MIMO-NOMA with any number of users, (iv) all points in the capacity region of two-user and three-user asymmetric MIMO-NOMA systems. In addition, a kind of practical low-complexity error-correcting multiuser code, called irregular repeat-accumulate code, is designed to match the LMMSE detector. Numerical results shows that the bit error rate performance of the proposed iterative LMMSE detection outperforms the state-of-art methods and is within 0.8dB from the associated capacity limit.Comment: Accepted by IEEE TSP, 16 pages, 9 figures. This is the first work that proves the low-complexity iterative receiver (Parallel Interference Cancellation) can achieve the capacity of multi-user MIMO systems. arXiv admin note: text overlap with arXiv:1604.0831