Low-complexity detector for very large and massive MIMO transmission

International audienceMaximum-Likelihood (ML) joint detection has been proposed as an optimal strategy that detects simultaneously the transmitted signals. In very large multiple-input-multiple output (MIMO) systems, the ML detector becomes intractable due the computational cost that increases exponentially with the antenna dimensions. In this paper, we propose a relaxed ML detector based on an iterative decoding strategy that reduces the computational cost. We exploit the fact that the transmit constellation is discrete, and remodel the channel as a MIMO channel with sparse input belonging to the binary set {0, 1}. The sparsity property allows us to relax the ML problem as a quadratic minimization under linear and l1-norm constraint. We then prove the equivalence of the relaxed problem to a convex optimization problem solvable in polynomial time. Simulation results illustrate the efficiency of the low-complexity proposed detector compared to other existing ones in very large and massive MIMO context

Application of integer quadratic programming in detection of high-dimensional wireless systems

High-dimensional wireless systems have recently generated a great deal of interest due to their ability to accommodate increasing demands for high transmission data rates with high communication reliability. Examples of such large-scale systems include single-input, single-output symbol spread OFDM system, large-scale single-user multi-input multi-output (MIMO) OFDM systems, and large-scale multiuser MIMO systems. In these systems, the number of symbols required to be jointly detected at the receiver is relatively large. The challenge with the practical realization of these systems is to design a detection scheme that provides high communication reliability with reasonable computational complexity, even as the number of simultaneously transmitted independent communication signals becomes very large.^ Most of the optimal or near-optimal detection techniques that have been proposed in the literature of relatively low-dimensional wireless systems, such as MIMO systems in which number of antennas is less than 10, become problematic for high-dimensional detection problems. That is, their performance degrades or the computational complexity becomes prohibitive, especially when higher-order QAM constellations are employed.^ In the first part of this thesis, we propose a near-optimal detection technique which offers a flexible trade-off between complexity and performance. The proposed technique formulates the detection problem in terms of Integer Quadratic Programming (IQP), which is then solved through a controlled Branch and Bound (BB) search tree algorithm. In addition to providing good performance, an important feature of this approach is that its computational complexity remains roughly the same even as we increase the constellation order from 4-QAM to 256-QAM. The performance of the proposed algorithm is investigated for both symbol spread OFDM systems and large-scale MIMO systems with both frequency selective and at fading channels.^ The second part of this work focuses on a reduced complexity version of IQP referred to as relaxed quadratic programming (QP). In particular, QP is used to reformulate two widely used detection schemes for MIMO OFDM: (1) Successive Interference Cancellation (SIC) and (2) Iterative Detecting and Decoding (IDD). First, SIC-based algorithms are derived via a QP formulation in contrast to using a linear MMSE detector at each stage. The resulting QP-SIC algorithms offer lower computational complexity than the SIC schemes that employ linear MMSE at each stage, especially when the dimension of the received signal vector is high. Three versions of QP-SIC are proposed based on various trade-offs between complexity and receiver performance; each of the three QP-SIC algorithms outperforms existing SIC techniques. Second, IDD-based algorithms are developed using a QP detector. We show how the soft information, in terms of the Log Likelihood Ratio (LLR), can be extracted from the QP detector. Further, the procedure for incorporating the a-priori information that is passed from the channel decoder to the QP detector is developed. Simulation results are presented demonstrating that the use of QP in IDD offers improved performance at the cost of a reasonable increase in complexity compared to linear detectors

Reduced Complexity by Combining Norm based Ordering MMSE-BSIDE Detection in MIMO Systems

The breadth first signal decoder (BSIDE) is well known for its optimal maximum likelihood (ML) performance with lesser complexity. In this paper, we analyze a multiple-input multiple-output (MIMO) detection scheme that combines; column norm based ordering minimum mean square error (MMSE) and BSIDE detection methods. The investigation is carried out with a breadth first tree traversal technique, where the computational complexity encountered at the lower layers of the tree is high. This can be eliminated by carrying detection in the lower half of the tree structure using MMSE and upper half using BSIDE, after rearranging the column of the channel using norm calculation. The simulation results show that this approach achieves 22% of complexity reduction for 2x2 and 50% for 4x4 MIMO systems without any degradation in the performance

Reduced complexity detection for massive MIMO-OFDM wireless communication systems

PhD ThesisThe aim of this thesis is to analyze the uplink massive multiple-input multipleoutput with orthogonal frequency-division multiplexing (MIMO-OFDM) communication systems and to design a receiver that has improved performance with reduced complexity. First, a novel receiver is proposed for coded massive MIMO-OFDM systems utilizing log-likelihood ratios (LLRs) derived from complex ratio distributions to model the approximate effective noise (AEN) probability density function (PDF) at the output of a zero-forcing equalizer (ZFE). These LLRs are subsequently used to improve the performance of the decoding of low-density parity-check (LDPC) codes and turbo codes. The Neumann large matrix approximation is employed to simplify the matrix inversion in deriving the PDF. To verify the PDF of the AEN, Monte-Carlo simulations are used to demonstrate the close-match fitting between the derived PDF and the experimentally obtained histogram of the noise in addition to the statistical tests and the independence verification. In addition, complexity analysis of the LLR obtained using the newly derived noise PDF is considered. The derived LLR can be time consuming when the number of receive antennas is very large in massive MIMO-OFDM systems. Thus, a reduced complexity approximation is introduced to this LLR using Newton’s interpolation with different orders and the results are compared to exact simulations. Further simulation results over time-flat frequency selective multipath fading channels demonstrated improved performance over equivalent systems using the Gaussian approximation for the PDF of the noise. By utilizing the PDF of the AEN, the PDF of the signal-to-noise ratio (SNR) is obtained. Then, the outage probability, the closed-form capacity and three approximate expressions for the channel capacity are derived based on that PDF. The system performance is further investigated by exploiting the PDF of the AEN to derive the bit error rate (BER) for the massive MIMO-OFDM system with different M-ary modulations. Then, the pairwise error probability (PEP) is derived to obtain the upper-bounds for the convolutionally coded and turbo coded massive MIMO-OFDM systems for different code generators and receive antennas. Furthermore, the effect of the fixed point data representation on the performance of the massive MIMO-OFDM systems is investigated using reduced detection implementations for MIMO detectors. The motivation for the fixed point analysis is the need for a reduced complexity detector to be implemented as an optimum massive MIMO detector with low precision. Different decomposition schemes are used to build the linear detector based on the IEEE 754 standard in addition to a user-defined precision for selected detectors. Simulations are used to demonstrate the behaviour of several matrix inversion schemes under reduced bit resolution. The numerical results demonstrate improved performance when using QR-factorization and pivoted LDLT decomposition schemes at reduced precision.Iraqi Government and the Iraqi Ministry of Higher Education and Scientific researc

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