Single-RF spatial modulation requires single-carrier transmission: frequency-domain turbo equalization for dispersive channels

In this paper, we propose a broadband single-carrier (SC) spatial-modulation (SM) based multiple-input multipleoutput (MIMO) architecture relying on a soft-decision (SoD) frequency-domain equalization (FDE) receiver. We demonstrate that conventional orthogonal frequency-division multiplexing (OFDM)-based broadband transmissions are not readily suitable for the single–radio frequency (RF) assisted SM-MIMO schemes, since this scheme does not exhibit any substantial performance advantage over single-antenna transmissions. To circumvent this limitation, a low-complexity soft-decision (SoD) FDE algorithm based on the minimum mean-square error (MMSE) criterion is invoked for our broadband SC-based SM-MIMO scheme, which is capable of operating in a strongly dispersive channel having a long channel impulse response (CIR) at a moderate decoding complexity. Furthermore, our SoD FDE attains a near-capacity performance with the aid of a three-stage concatenated SC-based SM architecture

Turbo EP-based Equalization: a Filter-Type Implementation

This manuscript has been submitted to Transactions on Communications on September 7, 2017; revised on January 10, 2018 and March 27, 2018; and accepted on April 25, 2018 We propose a novel filter-type equalizer to improve the solution of the linear minimum-mean squared-error (LMMSE) turbo equalizer, with computational complexity constrained to be quadratic in the filter length. When high-order modulations and/or large memory channels are used the optimal BCJR equalizer is unavailable, due to its computational complexity. In this scenario, the filter-type LMMSE turbo equalization exhibits a good performance compared to other approximations. In this paper, we show that this solution can be significantly improved by using expectation propagation (EP) in the estimation of the a posteriori probabilities. First, it yields a more accurate estimation of the extrinsic distribution to be sent to the channel decoder. Second, compared to other solutions based on EP the computational complexity of the proposed solution is constrained to be quadratic in the length of the finite impulse response (FIR). In addition, we review previous EP-based turbo equalization implementations. Instead of considering default uniform priors we exploit the outputs of the decoder. Some simulation results are included to show that this new EP-based filter remarkably outperforms the turbo approach of previous versions of the EP algorithm and also improves the LMMSE solution, with and without turbo equalization

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

Estimation and detection techniques for doubly-selective channels in wireless communications

A fundamental problem in communications is the estimation of the channel. The signal transmitted through a communications channel undergoes distortions so that it is often received in an unrecognizable form at the receiver. The receiver must expend significant signal processing effort in order to be able to decode the transmit signal from this received signal. This signal processing requires knowledge of how the channel distorts the transmit signal, i.e. channel knowledge. To maintain a reliable link, the channel must be estimated and tracked by the receiver. The estimation of the channel at the receiver often proceeds by transmission of a signal called the 'pilot' which is known a priori to the receiver. The receiver forms its estimate of the transmitted signal based on how this known signal is distorted by the channel, i.e. it estimates the channel from the received signal and the pilot. This design of the pilot is a function of the modulation, the type of training and the channel. [Continues.

Polynomial matrix decomposition techniques for frequency selective MIMO channels

For a narrowband, instantaneous mixing multi-input, multi-output (MIMO) communications system, the channel is represented as a scalar matrix. In this scenario, singular value decomposition (SVD) provides a number of independent spatial subchannels which can be used to enhance data rates or to increase diversity. Alternatively, a QR decomposition can be used to reduce the MIMO channel equalization problem to a set of single channel equalization problems. In the case of a frequency selective MIMO system, the multipath channel is represented as a polynomial matrix. Thus conventional matrix decomposition techniques can no longer be applied. The traditional solution to this broadband problem is to reduce it to narrowband form by using a discrete Fourier transform (DFT) to split the broadband channel into N narrow uniformly spaced frequency bands and applying scalar decomposition techniques within each band. This describes an orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) based system. However, a novel algorithm has been developed for calculating the eigenvalue decomposition of a para-Hermitian polynomial matrix, known as the sequential best rotation (SBR2) algorithm. SBR2 and its QR based derivatives allow a true polynomial singular value and QR decomposition to be formulated. The application of these algorithms within frequency selective MIMO systems results in a fundamentally new approach to exploiting spatial diversity. Polynomial matrix decomposition and OFDM based solutions are compared for a wide variety of broadband MIMO communication systems. SVD is used to create a robust, high gain communications channel for ultra low signal-to-noise ratio (SNR) environments. Due to the frequency selective nature of the channels produced by polynomial matrix decomposition, additional processing is required at the receiver resulting in two distinct equalization techniques based around turbo and Viterbi equalization. The proposed approach is found to provide identical performance to that of an existing OFDM scheme while supporting a wider range of access schemes. This work is then extended to QR decomposition based communications systems, where the proposed polynomial approach is found to not only provide superior bit-error-rate (BER) performance but significantly reduce the complexity of transmitter design. Finally both techniques are combined to create a nulti-user MIMO system that provides superior BER performance over an OFDM based scheme. Throughout the work the robustness of the proposed scheme to channel state information (CSI) error is considered, resulting in a rigorous demonstration of the capabilities of the polynomial approach

Near-Instantaneously Adaptive HSDPA-Style OFDM Versus MC-CDMA Transceivers for WIFI, WIMAX, and Next-Generation Cellular Systems

Burts-by-burst (BbB) adaptive high-speed downlink packet access (HSDPA) style multicarrier systems are reviewed, identifying their most critical design aspects. These systems exhibit numerous attractive features, rendering them eminently eligible for employment in next-generation wireless systems. It is argued that BbB-adaptive or symbol-by-symbol adaptive orthogonal frequency division multiplex (OFDM) modems counteract the near instantaneous channel quality variations and hence attain an increased throughput or robustness in comparison to their fixed-mode counterparts. Although they act quite differently, various diversity techniques, such as Rake receivers and space-time block coding (STBC) are also capable of mitigating the channel quality variations in their effort to reduce the bit error ratio (BER), provided that the individual antenna elements experience independent fading. By contrast, in the presence of correlated fading imposed by shadowing or time-variant multiuser interference, the benefits of space-time coding erode and it is unrealistic to expect that a fixed-mode space-time coded system remains capable of maintaining a near-constant BER