Parallel Interference Cancellation Based Turbo Space-Time Equalization in the SDMA Uplink

A novel Parallel Interference Cancellation (PIC) based turbo Space Time Equalizer (STE) structure designed for multiple antenna assisted uplink receivers is introduced. The proposed receiver structure allows the employment of non-linear type of detectors such as the Bayesian Decision Feedback (DF) assisted turbo STE or the Maximum Aposteriori (MAP) STE, while operating at a moderate computational cost. Receivers based on the proposed structure outperform the linear turbo detector benchmarker based on the Minimum Mean-Squared Error (MMSE) criterion, even if the latter aims for jointly detecting all transmitters’ signals. Additionally the PIC based receiver is capable of equalizing non-linear binary pre-coded channels. The performance difference between the presented algorithms is discussed using Extrinsic Information Transferfunction (EXIT) charts. Index Terms—PIC, EXIT chart, precoding, Bayesian, STE

Scaling up MIMO: Opportunities and Challenges with Very Large Arrays

This paper surveys recent advances in the area of very large MIMO systems. With very large MIMO, we think of systems that use antenna arrays with an order of magnitude more elements than in systems being built today, say a hundred antennas or more. Very large MIMO entails an unprecedented number of antennas simultaneously serving a much smaller number of terminals. The disparity in number emerges as a desirable operating condition and a practical one as well. The number of terminals that can be simultaneously served is limited, not by the number of antennas, but rather by our inability to acquire channel-state information for an unlimited number of terminals. Larger numbers of terminals can always be accommodated by combining very large MIMO technology with conventional time- and frequency-division multiplexing via OFDM. Very large MIMO arrays is a new research field both in communication theory, propagation, and electronics and represents a paradigm shift in the way of thinking both with regards to theory, systems and implementation. The ultimate vision of very large MIMO systems is that the antenna array would consist of small active antenna units, plugged into an (optical) fieldbus.Comment: Accepted for publication in the IEEE Signal Processing Magazine, October 201

Efficient joint maximum-likelihood channel estimation and signal detection

In wireless communication systems, channel state information is often assumed to be available at the receiver. Traditionally, a training sequence is used to obtain the estimate of the channel. Alternatively, the channel can be identified using known properties of the transmitted signal. However, the computational effort required to find the joint ML solution to the symbol detection and channel estimation problem increases exponentially with the dimension of the problem. To significantly reduce this computational effort, we formulate the joint ML estimation and detection as an integer least-squares problem, and show that for a wide range of signal-to-noise ratios (SNR) and problem dimensions it can be solved via sphere decoding with expected complexity comparable to the complexity of heuristic techniques

Full-Rate, Full-Diversity Adaptive Space Time Block Coding for Transmission over Rayleigh Fading Channels

A full-rate, full-diversity Adaptive Space Time Block Coding (ASTBC) scheme based on Singular Value Decomposition (SVD) is proposed for transmission over Rayleigh fading channels. The ASTBC-SVD scheme advocated is capable of providing both full-rate and full-diversity for any number of transmit antennas, Nt, provided that the number of receive antennas, Nr, equals to Nt. Furthermore, the ASTBC-SVD scheme may achieve an additional coding gain due to its higher product distance with the aid of the block code employed. In conjunction with SVD, the “water-filling” approach can be employed for adaptively distributing the transmitted power to the various antennas transmit according to the channel conditions, in order to further enhance the attainable performance. Since a codeword constituted by Nt symbols is transmitted in a single time slot by mapping the Nt symbols to the Nt transmit antennas in the spatial domain, the attainable performance of the ASTBC-SVD scheme does not degrade, when the channel impulse response values vary from one time slot to the next. Hence, the proposed ASTBC-SVD scheme is attractive in the context of both uncorrelated and correlated Rayleigh fading channels. The performance of the proposed scheme was evaluated, when communicating over uncorrelated Rayleigh fading channels. Explicitly, an Eb/N0 gain of 2.5 dB was achieved by the proposed ASTBC-SVD scheme against Alamouti’s scheme [1], when employing Nt = Nr = 2 in conjunction with 8PSK

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

Decision Feedback Aided Bayesian Turbo Space-Time Equalizer for Parallel Interference Cancellation in SDMA Systems

A novel Bayesian Decision-Feedback aided turbo Space-Time Equalizer (DF-STE) combined with a Parallel Interference Cancellation (PIC) scheme and designed for multiple antenna assisted receivers is introduced. The proposed receiver structure allows the employment of a non-linear Bayesian turbo DF-STE operating at a moderate computational cost, which outperforms the linear turbo detector benchmarker based on the Minimum Mean-Squared Error (MMSE) criterion, even if the latter aims for jointly detecting all transmitters’ signals

ROBUST ITERATIVEPRUNED-TREE DETECTION ANDLDPCC DECODING

A novel sub-optimal low-complexity equalization and turbo-iterative decoding scheme based on running the sum-product algorithm on an aggressively pruned tree is proposed in this paper for use in a multiple transmit and receive antenna (MIMO) system operating over severe frequency-selective fading inter-symbol interference (ISI) channels. The receiver deals with the issue of signal processing complexity which with a full-search equalization grows with power-law. The sum-product algorithm is applied to the pruned tree which is constructed by two main operations, a sphere list detection and a threshold-based tree search algorithms. At a particular node of the tree, only a number of most probable branches in the tree of hypothetical symbols are expanded and included in the list of candidates; at a particular tree-section, all but some of most probable candidatesare pruned. This pruned tree takes the soft input and generates the soft output, and is utilized in the turbo-iterative manner with the decoder of the low-density parity check code. We oobtained the approximated error probability using the pair-wise error calculation averaged over the fading ensemble, and use it to boundour simulation results. Our current simulation results are obtained for MIMO systems up to four transmit and four receive antennas, using 4-QAM symbols. They indicate the proposed receiverperforms extremely well. The proposed transceiver system is ideal for a system of higher spectral efficiency with even larger signal constellations. Adopting Hassbi-Vikalo's framework, we provide a method which enables a quick evaluation of the signal processing complexity required in the proposed algorithm at a given set of system parameters