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

Achievable rates of iterative MIMO receivers over interference channels

In this thesis, we study the achievable rates of some interference communication schemes when iterative interference-cancellation (IC) is applied. We assume multiple-input multiple-output (MIMO) communication employing iterative receivers with linear front-ends which involves two modules concatenated serially and cooperating iteratively; a linear combiner based on minimum-mean-square-error (MMSE) detection or maximal-ratio-combining (MRC) and a SISO decoder. We investigate the achievable rates of this receiver when the transmitted signal is Gaussian-distributed with hypothetical erasure-type feedback from the decoder to the combiner and a more practical case with large-size QAM constellations with log-likelihood-ratios (LLRs) being exchanged between the receiver's modules. The achievable rate is approximated by the area below the EXIT curve of the linear FE receiver. Some properties have been observed and mathematically been proved about the iterative MIMO receivers with linear front-end

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-concatenated code design and its application in power-efficient cooperative communications

In this tutorial, we have focused on the design of binary self-concatenated coding schemes with the help of EXtrinsic Information Transfer (EXIT) charts and Union bound analysis. The design methodology of future iteratively decoded self-concatenated aided cooperative communication schemes is presented. In doing so, we will identify the most important milestones in the area of channel coding, concatenated coding schemes and cooperative communication systems till date and suggest future research directions

Advanced receivers for distributed cooperation in mobile ad hoc networks

Mobile ad hoc networks (MANETs) are rapidly deployable wireless communications systems, operating with minimal coordination in order to avoid spectral efficiency losses caused by overhead. Cooperative transmission schemes are attractive for MANETs, but the distributed nature of such protocols comes with an increased level of interference, whose impact is further amplified by the need to push the limits of energy and spectral efficiency. Hence, the impact of interference has to be mitigated through with the use PHY layer signal processing algorithms with reasonable computational complexity. Recent advances in iterative digital receiver design techniques exploit approximate Bayesian inference and derivative message passing techniques to improve the capabilities of well-established turbo detectors. In particular, expectation propagation (EP) is a flexible technique which offers attractive complexity-performance trade-offs in situations where conventional belief propagation is limited by computational complexity. Moreover, thanks to emerging techniques in deep learning, such iterative structures are cast into deep detection networks, where learning the algorithmic hyper-parameters further improves receiver performance. In this thesis, EP-based finite-impulse response decision feedback equalizers are designed, and they achieve significant improvements, especially in high spectral efficiency applications, over more conventional turbo-equalization techniques, while having the advantage of being asymptotically predictable. A framework for designing frequency-domain EP-based receivers is proposed, in order to obtain detection architectures with low computational complexity. This framework is theoretically and numerically analysed with a focus on channel equalization, and then it is also extended to handle detection for time-varying channels and multiple-antenna systems. The design of multiple-user detectors and the impact of channel estimation are also explored to understand the capabilities and limits of this framework. Finally, a finite-length performance prediction method is presented for carrying out link abstraction for the EP-based frequency domain equalizer. The impact of accurate physical layer modelling is evaluated in the context of cooperative broadcasting in tactical MANETs, thanks to a flexible MAC-level simulato

Capacity -based parameter optimization of bandwidth constrained CPM

Continuous phase modulation (CPM) is an attractive modulation choice for bandwidth limited systems due to its small side lobes, fast spectral decay and the ability to be noncoherently detected. Furthermore, the constant envelope property of CPM permits highly power efficient amplification. The design of bit-interleaved coded continuous phase modulation is characterized by the code rate, modulation order, modulation index, and pulse shape. This dissertation outlines a methodology for determining the optimal values of these parameters under bandwidth and receiver complexity constraints. The cost function used to drive the optimization is the information-theoretic minimum ratio of energy-per-bit to noise-spectral density found by evaluating the constrained channel capacity. The capacity can be reliably estimated using Monte Carlo integration. A search for optimal parameters is conducted over a range of coded CPM parameters, bandwidth efficiencies, and channels. Results are presented for a system employing a trellis-based coherent detector. To constrain complexity and allow any modulation index to be considered, a soft output differential phase detector has also been developed.;Building upon the capacity results, extrinsic information transfer (EXIT) charts are used to analyze a system that iterates between demodulation and decoding. Convergence thresholds are determined for the iterative system for different outer convolutional codes, alphabet sizes, modulation indices and constellation mappings. These are used to identify the code and modulation parameters with the best energy efficiency at different spectral efficiencies for the AWGN channel. Finally, bit error rate curves are presented to corroborate the capacity and EXIT chart designs