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

Parallel packet transmission based on OFDM

This paper proposes a parallel packet transmission (PPT) scheme based on orthogonal frequency division multiplexing (OFDM). The principle of the PPT scheme is to divide a packet into a number of smaller parallel packets, and transmit each smaller packet over an individual subcarrier of the OFDM symbols instead of spreading the data bits in a packet across a number of different subcarriers. It is proved theoretically that the proposed PPT scheme has higher average throughput than the conventional serial packet transmission without precoding. Furthermore, simulation results show that the OFDM system with PPT outperforms the precoded OFDM system with minimum mean squared error equalization in both uncoded and coded cases in terms of average throughput. The PPT scheme provides an alternative and simpler means to combat frequency-selective fading. © 2009 IEEE

Transmit and receive techniques for MIMO-OFDM systems

Ph.DDOCTOR OF PHILOSOPH

Wireless receiver designs: from information theory to VLSI implementation

Receiver design, especially equalizer design, in communications is a major concern in both academia and industry. It is a problem with both theoretical challenges and severe implementation hurdles. While much research has been focused on reducing complexity for optimal or near-optimal schemes, it is still common practice in industry to use simple techniques (such as linear equalization) that are generally significantly inferior. Although digital signal processing (DSP) technologies have been applied to wireless communications to enhance the throughput, the users' demands for more data and higher rate have revealed new challenges. For example, to collect the diversity and combat fading channels, in addition to the transmitter designs that enable the diversity, we also require the receiver to be able to collect the prepared diversity. Most wireless transmissions can be modeled as a linear block transmission system. Given a linear block transmission model assumption, maximum likelihood equalizers (MLEs) or near-ML decoders have been adopted at the receiver to collect diversity which is an important metric for performance, but these decoders exhibit high complexity. To reduce the decoding complexity, low-complexity equalizers, such as linear equalizers (LEs) and decision feedback equalizers (DFEs) are often adopted. These methods, however, may not utilize the diversity enabled by the transmitter and as a result have degraded performance compared to MLEs. In this dissertation, we will present efficient receiver designs that achieve low bit-error-rate (BER), high mutual information, and low decoding complexity. Our approach is to first investigate the error performance and mutual information of existing low-complexity equalizers to reveal the fundamental condition to achieve full diversity with LEs. We show that the fundamental condition for LEs to collect the same (outage) diversity as MLE is that the channels need to be constrained within a certain distance from orthogonality. The orthogonality deficiency (od) is adopted to quantify the distance of channels to orthogonality while other existing metrics are also introduced and compared. To meet the fundamental condition and achieve full diversity, a hybrid equalizer framework is proposed. The performance-complexity trade-off of hybrid equalizers is quantified by deriving the distribution of od. Another approach is to apply lattice reduction (LR) techniques to improve the ``quality' of channel matrices. We present two widely adopted LR methods in wireless communications, the Lenstra-Lenstra-Lovasz (LLL) algorithm [51] and Seysen's algorithm (SA), by providing detailed descriptions and pseudo codes. The properties of output matrices of the LLL algorithm and SA are also quantified. Furthermore, other LR algorithms are also briefly introduced. After introducing LR algorithms, we show how to adopt them into the wireless communication decoding process by presenting LR-aided hard-output detectors and LR-aided soft-output detectors for coded systems, respectively. We also analyze the performance of proposed efficient receivers from the perspective of diversity, mutual information, and complexity. We prove that LR techniques help to restore the diversity of low-complexity equalizers without increasing the complexity significantly. When it comes to practical systems and simulation tool, e.g., MATLAB, only finite bits are adopted to represent numbers. Therefore, we revisit the diversity analysis for finite-bit represented systems. We illustrate that the diversity of MLE for systems with finite-bit representation is determined by the number of non-vanishing eigenvalues. It is also shown that although theoretically LR-aided detectors collect the same diversity as MLE in the real/complex field, it may show different diversity orders when finite-bit representation exists. Finally, the VLSI implementation of the complex LLL algorithms is provided to verify the practicality of our proposed designs.Ph.D.Committee Chair: Ma, Xiaoli; Committee Member: Anderson, David; Committee Member: Barry, John; Committee Member: Chen, Xu-Yan; Committee Member: Kornegay, Kevi