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

Soft-decision equalization techniques for frequency selective MIMO channels

Multi-input multi-output (MIMO) technology is an emerging solution for high data rate wireless communications. We develop soft-decision based equalization techniques for frequency selective MIMO channels in the quest for low-complexity equalizers with BER performance competitive to that of ML sequence detection. We first propose soft decision equalization (SDE), and demonstrate that decision feedback equalization (DFE) based on soft-decisions, expressed via the posterior probabilities associated with feedback symbols, is able to outperform hard-decision DFE, with a low computational cost that is polynomial in the number of symbols to be recovered, and linear in the signal constellation size. Building upon the probabilistic data association (PDA) multiuser detector, we present two new MIMO equalization solutions to handle the distinctive channel memory. With their low complexity, simple implementations, and impressive near-optimum performance offered by iterative soft-decision processing, the proposed SDE methods are attractive candidates to deliver efficient reception solutions to practical high-capacity MIMO systems. Motivated by the need for low-complexity receiver processing, we further present an alternative low-complexity soft-decision equalization approach for frequency selective MIMO communication systems. With the help of iterative processing, two detection and estimation schemes based on second-order statistics are harmoniously put together to yield a two-part receiver structure: local multiuser detection (MUD) using soft-decision Probabilistic Data Association (PDA) detection, and dynamic noise-interference tracking using Kalman filtering. The proposed Kalman-PDA detector performs local MUD within a sub-block of the received data instead of over the entire data set, to reduce the computational load. At the same time, all the inter-ference affecting the local sub-block, including both multiple access and inter-symbol interference, is properly modeled as the state vector of a linear system, and dynamically tracked by Kalman filtering. Two types of Kalman filters are designed, both of which are able to track an finite impulse response (FIR) MIMO channel of any memory length. The overall algorithms enjoy low complexity that is only polynomial in the number of information-bearing bits to be detected, regardless of the data block size. Furthermore, we introduce two optional performance-enhancing techniques: cross- layer automatic repeat request (ARQ) for uncoded systems and code-aided method for coded systems. We take Kalman-PDA as an example, and show via simulations that both techniques can render error performance that is better than Kalman-PDA alone and competitive to sphere decoding. At last, we consider the case that channel state information (CSI) is not perfectly known to the receiver, and present an iterative channel estimation algorithm. Simulations show that the performance of SDE with channel estimation approaches that of SDE with perfect CSI

Multiuser MIMO-OFDM for Next-Generation Wireless Systems

This overview portrays the 40-year evolution of orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) research. The amelioration of powerful multicarrier OFDM arrangements with multiple-input multiple-output (MIMO) systems has numerous benefits, which are detailed in this treatise. We continue by highlighting the limitations of conventional detection and channel estimation techniques designed for multiuser MIMO OFDM systems in the so-called rank-deficient scenarios, where the number of users supported or the number of transmit antennas employed exceeds the number of receiver antennas. This is often encountered in practice, unless we limit the number of users granted access in the base station’s or radio port’s coverage area. Following a historical perspective on the associated design problems and their state-of-the-art solutions, the second half of this treatise details a range of classic multiuser detectors (MUDs) designed for MIMO-OFDM systems and characterizes their achievable performance. A further section aims for identifying novel cutting-edge genetic algorithm (GA)-aided detector solutions, which have found numerous applications in wireless communications in recent years. In an effort to stimulate the cross pollination of ideas across the machine learning, optimization, signal processing, and wireless communications research communities, we will review the broadly applicable principles of various GA-assisted optimization techniques, which were recently proposed also for employment inmultiuser MIMO OFDM. In order to stimulate new research, we demonstrate that the family of GA-aided MUDs is capable of achieving a near-optimum performance at the cost of a significantly lower computational complexity than that imposed by their optimum maximum-likelihood (ML) MUD aided counterparts. The paper is concluded by outlining a range of future research options that may find their way into next-generation wireless systems

Sparse nonlinear optimization for signal processing and communications

This dissertation proposes three classes of new sparse nonlinear optimization algorithms for network echo cancellation (NEC), 3-D synthetic aperture radar (SAR) image reconstruction, and adaptive turbo equalization in multiple-input multiple-output (MIMO) underwater acoustic (UWA) communications, respectively. For NEC, the proposed two proportionate affine projection sign algorithms (APSAs) utilize the sparse nature of the network impulse response (NIR). Benefiting from the characteristics of l₁-norm optimization, affine projection, and proportionate matrix, the new algorithms are more robust to impulsive interferences and colored input than the conventional adaptive algorithms. For 3-D SAR image reconstruction, the proposed two compressed sensing (CS) approaches exploit the sparse nature of the SAR holographic image. Combining CS with the range migration algorithms (RMAs), these approaches can decrease the load of data acquisition while recovering satisfactory 3-D SAR image through l₁-norm optimization. For MIMO UWA communications, a robust iterative channel estimation based minimum mean-square-error (MMSE) turbo equalizer is proposed for large MIMO detection. The MIMO channel estimation is performed jointly with the MMSE equalizer and the maximum a posteriori probability (MAP) decoder. The proposed MIMO detection scheme has been tested by experimental data and proved to be robust against tough MIMO channels. --Abstract, page iv

Review of Recent Trends

This work was partially supported by the European Regional Development Fund (FEDER), through the Regional Operational Programme of Centre (CENTRO 2020) of the Portugal 2020 framework, through projects SOCA (CENTRO-01-0145-FEDER-000010) and ORCIP (CENTRO-01-0145-FEDER-022141). Fernando P. Guiomar acknowledges a fellowship from “la Caixa” Foundation (ID100010434), code LCF/BQ/PR20/11770015. Houda Harkat acknowledges the financial support of the Programmatic Financing of the CTS R&D Unit (UIDP/00066/2020).MIMO-OFDM is a key technology and a strong candidate for 5G telecommunication systems. In the literature, there is no convenient survey study that rounds up all the necessary points to be investigated concerning such systems. The current deeper review paper inspects and interprets the state of the art and addresses several research axes related to MIMO-OFDM systems. Two topics have received special attention: MIMO waveforms and MIMO-OFDM channel estimation. The existing MIMO hardware and software innovations, in addition to the MIMO-OFDM equalization techniques, are discussed concisely. In the literature, only a few authors have discussed the MIMO channel estimation and modeling problems for a variety of MIMO systems. However, to the best of our knowledge, there has been until now no review paper specifically discussing the recent works concerning channel estimation and the equalization process for MIMO-OFDM systems. Hence, the current work focuses on analyzing the recently used algorithms in the field, which could be a rich reference for researchers. Moreover, some research perspectives are identified.publishersversionpublishe

Link abstraction models based on mutual information for LTE downlink

Postprint (author’s final draft

Advances in Multi-User Scheduling and Turbo Equalization for Wireless MIMO Systems

Nach einer Einleitung behandelt Teil 2 Mehrbenutzer-Scheduling für die Abwärtsstrecke von drahtlosen MIMO Systemen mit einer Sendestation und kanaladaptivem precoding: In jeder Zeit- oder Frequenzressource kann eine andere Nutzergruppe gleichzeitig bedient werden, räumlich getrennt durch unterschiedliche Antennengewichte. Nutzer mit korrelierten Kanälen sollten nicht gleichzeitig bedient werden, da dies die räumliche Trennbarkeit erschwert. Die Summenrate einer Nutzermenge hängt von den Antennengewichten ab, die wiederum von der Nutzerauswahl abhängen. Zur Entkopplung des Problems schlägt diese Arbeit Metriken vor basierend auf einer geschätzten Rate mit ZF precoding. Diese lässt sich mit Hilfe von wiederholten orthogonalen Projektionen abschätzen, wodurch die Berechnung von Antennengewichten beim Scheduling entfällt. Die Ratenschätzung kann basierend auf momentanen Kanalmessungen oder auf gemittelter Kanalkenntnis berechnet werden und es können Datenraten- und Fairness-Kriterien berücksichtig werden. Effiziente Suchalgorithmen werden vorgestellt, die die gesamte Systembandbreite auf einmal bearbeiten können und zur Komplexitätsreduktion die Lösung in Zeit- und Frequenz nachführen können. Teil 3 zeigt wie mehrere Sendestationen koordiniertes Scheduling und kooperative Signalverarbeitung einsetzen können. Mittels orthogonalen Projektionen ist es möglich, Inter-Site Interferenz zu schätzen, ohne Antennengewichte berechnen zu müssen. Durch ein Konzept virtueller Nutzer kann der obige Scheduling-Ansatz auf mehrere Sendestationen und sogar Relays mit SDMA erweitert werden. Auf den benötigten Signalisierungsaufwand wird kurz eingegangen und eine Methode zur Schätzung der Summenrate eines Systems ohne Koordination besprochen. Teil4 entwickelt Optimierungen für Turbo Entzerrer. Diese Nutzen Signalkorrelation als Quelle von Redundanz. Trotzdem kann eine Kombination mit MIMO precoding sinnvoll sein, da bei Annahme realistischer Fehler in der Kanalkenntnis am Sender keine optimale Interferenzunterdrückung möglich ist. Mit Hilfe von EXIT Charts wird eine neuartige Methode zur adaptiven Nutzung von a-priori-Information zwischen Iterationen entwickelt, die die Konvergenz verbessert. Dabei wird gezeigt, wie man semi-blinde Kanalschätzung im EXIT chart berücksichtigen kann. In Computersimulationen werden alle Verfahren basierend auf 4G-Systemparametern überprüft.After an introduction, part 2 of this thesis deals with downlink multi-user scheduling for wireless MIMO systems with one transmitting station performing channel adaptive precoding:Different user subsets can be served in each time or frequency resource by separating them in space with different antenna weight vectors. Users with correlated channel matrices should not be served jointly since correlation impairs the spatial separability.The resulting sum rate for each user subset depends on the precoding weights, which in turn depend on the user subset. This thesis manages to decouple this problem by proposing a scheduling metric based on the rate with ZF precoding such as BD, written with the help of orthogonal projection matrices. It allows estimating rates without computing any antenna weights by using a repeated projection approximation.This rate estimate allows considering user rate requirements and fairness criteria and can work with either instantaneous or long term averaged channel knowledge.Search algorithms are presented to efficiently solve user grouping or selection problems jointly for the entire system bandwidth while being able to track the solution in time and frequency for complexity reduction. Part 3 shows how multiple transmitting stations can benefit from cooperative scheduling or joint signal processing. An orthogonal projection based estimate of the inter-site interference power, again without computing any antenna weights, and a virtual user concept extends the scheduling approach to cooperative base stations and finally included SDMA half-duplex relays in the scheduling.Signalling overhead is discussed and a method to estimate the sum rate without coordination. Part 4 presents optimizations for Turbo Equalizers. There, correlation between user signals can be exploited as a source of redundancy. Nevertheless a combination with transmit precoding which aims at reducing correlation can be beneficial when the channel knowledge at the transmitter contains a realistic error, leading to increased correlation. A novel method for adaptive re-use of a-priori information between is developed to increase convergence by tracking the iterations online with EXIT charts.A method is proposed to model semi-blind channel estimation updates in an EXIT chart. Computer simulations with 4G system parameters illustrate the methods using realistic channel models.Im Buchhandel erhältlich: Advances in Multi-User Scheduling and Turbo Equalization for Wireless MIMO Systems / Fuchs-Lautensack,Martin Ilmenau: ISLE, 2009,116 S. ISBN 978-3-938843-43-

Link level performance evaluation and link abstraction for LTE/LTE-advanced downlink

Els objectius principals d'aquesta tesis són l'avaluació del rendiment a nivell d'enllaç i l'estudi de l'abstracció de l'enllaç pel LTE/LTE-Advanced DL. S’ha desenvolupat un simulador del nivell d'enllaç E-UTRA DL basat en la tecnologia MIMO-OFDM. Es simulen els errors d'estimació de canal amb un model d'error de soroll additiu Gaussià anomenat CEEM. El resultat d'aquest simulador serveix per avaluar el rendiment a nivell d'enllaç del LTE/LTE-Advanced DL en diferents entorns . La idea bàsica dels mètodes d'abstracció de l'enllaç és mapejar el vector de SNRs de les subportadores a un valor escalar, l'anomenada ESNR, la qual és usada per a predir la BLER. Proposem un innovador mètode d'abstracció de l'enllaç que pot predir la BLER amb bona precisió en esvaïments multicamí i que inclouen els efectes de les retransmissions HARQ. El mètode proposat es basa amb l'estimació de la informació mútua entre els bits transmesos i els LLRs rebuts.The main objectives of this dissertation are the evaluation of the link level performance and the study of link abstraction for LTE/LTE-Advanced DL. An E-UTRA DL link level simulator has been developed based on MIMO-OFDM technology. We simulate channel estimation errors by a Gaussian additive noise error model called CEEM. The result of this simulator serves to evaluate the MIMO-OFDM LTE/LTE-Advanced DL link level performance in different environments. The basic idea of link abstraction methods is to map the vector of the subcarrier SNRs to a single scalar, the ESNR, which is then used to predict the BLER. We propose a novel link abstraction method that can predict the BLER with good accuracy in multipath fading and including the effects of HARQ retransmissions. The proposed method is based on estimating the mutual information between the transmitted bits and the received LLRs.Postprint (published version