Sub-optimal Deep Pipelined Implementation of MIMO Sphere Detector on FPGA

Sphere detector (SD) is an effective signal detection approach for the wireless multiple-input multiple-output (MIMO) system since it can achieve near-optimal performance while reducing significant computational complexity. In this work, we proposed a novel SD architecture that is suitable for implementation on the hardware accelerator. We first perform a statistical analysis to examine the distribution of valid paths in the SD search tree. Using the analysis result, we then proposed an enhanced hybrid SD (EHSD) architecture that achieves quasi-ML performance and high throughput with a reasonable cost in hardware. The fine-grained pipeline designs of 4 × 4 and 8 × 8 MIMO system with 16-QAM modulation delivers throughput of 7.04 Gbps and 14.08 Gbps on the Xilinx Virtex Ultrascale+ FPGA, respectively

Effi cient algorithms for iterative detection and decoding in Multiple-Input and Multiple-Output Communication Systems

This thesis fits into the Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) communication systems. Nowadays, these schemes are the most promising technology in the field of wireless communications. The use of this technology allows to increase the rate and the quality of the transmission through the use of multiple antennas at the transmitter and receiver sides. Furthermore, the MIMO technology can also be used in a multiuser scenario, where a Base Station (BS) equipped with several antennas serves several users that share the spatial dimension causing interference. However, employing precoding algorithms the signal of the multiuser interference can be mitigated. For these reasons, the MIMO technology has become an essential key in many new generation communications standards. On the other hand, Massive MIMO technology or Large MIMO, where the BS is equipped with very large number of antennas (hundreds or thousands) serves many users in the same time-frequency resource. Nevertheless, the advantages provided by the MIMO technology entail a substantial increase in the computational cost. Therefore the design of low-complexity receivers is an important issue which is tackled throughout this thesis. To this end, one of the main contributions of this dissertation is the implementation of efficient soft-output detectors and precoding schemes. First, the problem of efficient soft detection with no iteration at the receiver has been addressed. A detailed overview of the most employed soft detectors is provided. Furthermore, the complexity and performance of these methods are evaluated and compared. Additionally, two low-complexity algorithms have been proposed. The first algorithm is based on the efficient Box Optimization Hard Detector (BOHD) algorithm and provides a low-complexity implementation achieving a suitable performance. The second algorithm tries to reduce the computational cost of the Subspace Marginalization with Interference Suppression (SUMIS) algorithm. Second, soft-input soft-output (SISO) detectors, which are included in an iterative receiver structure, have been investigated. An iterative receiver improves the performance with respect to no iteration, achieving a performance close to the channel capacity. In contrast, its computational cost becomes prohibitive. In this context, three algorithms are presented. Two of them achieve max-log performance reducing the complexity of standard SISO detectors. The last one achieves near max-log performance with low complexity. The precoding problem has been addressed in the third part of this thesis. An analysis of some of the most employed precoding techniques has been carried out. The algorithms have been compared in terms of performance and complexity. In this context, the impact of the channel matrix condition number on the performance of the precoders has been analyzed. This impact has been exploited to propose an hybrid precoding scheme that reduces the complexity of the previously proposed precoders. In addition, in Large MIMO systems, an alternative precoder scheme is proposed. In the last part of the thesis, parallel implementations of the SUMIS algorithm are presented. Several strategies for the parallelization of the algorithm are proposed and evaluated on two different platforms: multicore central processing unit (CPU) and graphics processing unit (GPU). The parallel implementations achieve a significant speedup compared to the CPU version. Therefore, these implementations allow to simulate a scalable quasi optimal soft detector in a Large MIMO system much faster than by conventional simuLa presente tesis se enmarca dentro de los sistemas de comunicaciones de múltiples antenas o sistemas MIMO. Hoy en día, estos sistemas presentan una de las tecnologías más prometedoras dentro de los sistemas comunicaciones inalámbricas. A través del uso de múltiples antenas en ambos lados, transmisor y receptor, la tasa de transmisión y la calidad de la misma es aumentada. Por otro lado, la tecnología MIMO puede ser utilizada en un escenario multiusuario, donde una estación base (BS) la cual está equipada con varias antenas, sirve a varios usuarios al mismo tiempo, estos usuarios comparten dimensión espacial causando interferencias multiusuario. Por todas estas razones, la tecnología MIMO ha sido adoptada en muchos de los estándares de comunicaciones de nueva generación. Por otro lado, la tecnología MIMO Masivo, en la cual la estación base está equipada con un gran número de antenas (cientos o miles) que sirve a muchos usuarios en el mismo recurso de tiempo-frecuencia. Sin embargo, las ventajas proporcionadas por los sistemas MIMO implican un aumento en el coste computacional requerido. Por ello, el diseño de receptores de baja complejidad es una cuestión importante en estos sistemas. Para conseguir esta finalidad, las principales contribuciones de la tesis se basan en la implementación de algoritmos de detección soft y esquemas de precodificación eficientes. En primer lugar, el problema de la detección soft eficiente en un sistema receptor sin iteración es abordado. Una descripción detallada sobre los detectores soft más empleados es presentada. Por otro lado, han sido propuestos dos algoritmos de bajo coste. El primer algoritmo está basado en el algoritmo Box Optimization Hard Detector (BOHD) y proporciona una baja complejidad de implementación logrando un buen rendimiento. El segundo de los algoritmos propuestos intenta reducir el coste computacional del conocido algoritmo Subspace Marginalization with Interference Suppression (SUMIS). En segundo lugar, han sido investidados detectores de entrada y salida soft (SISO, soft-input soft-output) los cuales son ejecutados en estructuras de recepción iterativa. El empleo de un receptor iterativo mejora el rendimiento del sistema con respecto a no realizar realimentación, pudiendo lograr la capacidad óptima. Por el contrario, el coste computacional se vuelve prohibitivo. En este contexto, tres algoritmos han sido presentados. Dos de ellos logran un rendimiento óptimo, reduciendo la complejidad de los detectores SISO óptimos que normalmente son empleados. Por el contrario, el otro algoritmo logra un rendimiento casi óptimo a baja complejidad. En la tercera parte, se ha abordado el problema de la precodificación. Se ha llevado a cabo un análisis de algunas de las técnicas de precodificación más usadas. En este contexto, se ha evaluado el impacto que el número de condición de la matriz de canal tiene en el rendimiento de los precodificadores. Además, se ha aprovechado este impacto para proponer un precodificador hibrido. Por otro lado, en MIMO Masivo, se ha propuesto un esquema precodificador. En la última parte de la tesis, la implementación paralela del algoritmo SUMIS es presentada. Varias estrategias sobre la paralelización del algoritmo han sido propuestas y evaluadas en dos plataformas diferentes: Unidad Central de Procesamiento multicore (multicore CPU) y Unidad de Procesamiento Gráfico (GPU). Las implementaciones paralelas consiguen una mejora de speedup. Estas implementaciones permiten simular para MIMO Masivo y de forma más rápida que por simulación convencional, un algoLa present tesi s'emmarca dins dels sistemes de comunicacions de múltiples antenes o sistemes MIMO. Avui dia, aquestos sistemes presenten una de les tecnologies més prometedora dins dels sistemes de comunicacions inalàmbriques. A través de l'ús de múltiples antenes en tots dos costats, transmissor y receptor, es pot augmentar la taxa de transmissió i la qualitat de la mateixa. D'altra banda, la tecnologia MIMO es pot utilitzar en un escenari multiusuari, on una estació base (BS) la qual està equipada amb diverses antenes serveix a diversos usuaris al mateix temps, aquests usuaris comparteixen dimensió espacial causant interferències multiusuari. Per totes aquestes raons, la tecnologia MIMO ha sigut adoptada en molts dels estàndars de comunicacions de nova generació. D'altra banda, la tecnologia MIMO Massiu, en la qual l'estació base està equipada amb un gran nombre d'antenes (centenars o milers) que serveix a molts usuaris en el mateix recurs de temps-freqüència. No obstant això, els avantatges proporcionats pels sistemes MIMO impliquen un augment en el cost computacional requerit. Per això, el disseny de receptors de baixa complexitat és una qüestió important en aquests sistemes. Per tal d'aconseguir esta finalitat, les principals contribucions de la tesi es basen en la implementació d'algoritmes de detecció soft i esquemes de precodificació eficients. En primer lloc, és abordat el problema de la detecció soft eficient en un sistema receptor sense interacció. Una descripció detallada dels detectors soft més emprats és presentada. D'altra banda, han sigut proposats dos algorismes de baix cost. El primer algorisme està basat en l'algorisme Box Optimization Hard Decoder (BOHD) i proporciona una baixa complexitat d'implementació aconseguint un bon resultat. El segon dels algorismes proposats intenta reduir el cost computacional del conegut algoritme Subspace Marginalization with Interference Suppression (SUMIS). En segon lloc, detectors d'entrada i eixidia soft (SISO, soft-input soft-output) els cuals són executats en estructures de recepció iterativa han sigut investigats. L'ocupació d'un receptor iteratiu millora el rendiment del sistema pel que fa a no realitzar realimentació, podent aconseguir la capacitat òptima. Per contra, el cost computacional es torna prohibitiu. En aquest context, tres algorismes han sigut presentats. Dos d'ells aconsegueixen un rendiment òptim, reduint la complexitat dels detectors SISO òptims que normalment són emprats. Per contra, l'altre algorisme aconsegueix un rendiment quasi òptim a baixa complexitat. En la tercera part, s'ha abordat el problema de la precodificació. S'ha dut a terme una anàlisi d'algunes de les tècniques de precodificació més usades, prestant especial atenció al seu rendiment i a la seua complexitat. Dins d'aquest context, l'impacte que el nombre de condició de la matriu de canal té en el rendiment dels precodificadors ha sigut avaluat. A més, aquest impacte ha sigut aprofitat per a proposar un precodificador híbrid , amb la finalitat de reduir la complexitat d'algorismes prèviament proposats. D'altra banda, en MIMO Massiu, un esquema precodificador ha sigut proposat. En l'última part, la implementació paral·lela de l'algorisme SUMIS és presentada. Diverses estratègies sobre la paral·lelizació de l'algorisme han sigut proposades i avaluades en dues plataformes diferents: multicore CPU i GPU. Les implementacions paral·leles aconsegueixen una millora de speedup quan el nombre d'àntenes o l'ordre de la constel·lació incrementen. D'aquesta manera, aquestes implementacions permeten simular per a MIMO Massiu, i de forma més ràpida que la simulació convencional.Simarro Haro, MDLA. (2017). Effi cient algorithms for iterative detection and decoding in Multiple-Input and Multiple-Output Communication Systems [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/86186TESI

Low complexity MIMO detection algorithms and implementations

University of Minnesota Ph.D. dissertation. December 2014. Major: Electrical Engineering. Advisor: Gerald E. Sobelman. 1 computer file (PDF); ix, 111 pages.MIMO techniques use multiple antennas at both the transmitter and receiver sides to achieve diversity gain, multiplexing gain, or both. One of the key challenges in exploiting the potential of MIMO systems is to design high-throughput, low-complexity detection algorithms while achieving near-optimal performance. In this thesis, we design and optimize algorithms for MIMO detection and investigate the associated performance and FPGA implementation aspects.First, we study and optimize a detection algorithm developed by Shabany and Gulak for a K-Best based high throughput and low energy hard output MIMO detection and expand it to the complex domain. The new method uses simple lookup tables, and it is fully scalable for a wide range of K-values and constellation sizes. This technique reduces the computational complexity, without sacrificing performance and the complexity scales only sub-linearly with the constellation size. Second, we apply the bidirectional technique to trellis search and propose a high performance soft output bidirectional path preserving trellis search (PPTS) detector for MIMO systems. The comparative error analysis between single direction and bidirectional PPTS detectors is given. We demonstrate that the bidirectional PPTS detector can minimize the detection error. Next, we design a novel bidirectional processing algorithm for soft-output MIMO systems. It combines features from several types of fixed complexity tree search procedures. The proposed approach achieves a higher performance than previously proposed algorithms and has a comparable computational cost. Moreover, its parallel nature and fixed throughput characteristics make it attractive for very large scale integration (VLSI) implementation.Following that, we present a novel low-complexity hard output MIMO detection algorithm for LTE and WiFi applications. We provide a well-defined tradeoff between computational complexity and performance. The proposed algorithm uses a much smaller number of Euclidean distance (ED) calculations while attaining only a 0.5dB loss compared to maximum likelihood detection (MLD). A 3x3 MIMO system with a 16QAM detector architecture is designed, and the latency and hardware costs are estimated.Finally, we present a stochastic computing implementation of trigonometric and hyperbolic functions which can be used for QR decomposition and other wireless communications and signal processing applications

Design and Implementation of Efficient Algorithms for Wireless MIMO Communication Systems

En la última década, uno de los avances tecnológicos más importantes que han hecho culminar la nueva generación de banda ancha inalámbrica es la comunicación mediante sistemas de múltiples entradas y múltiples salidas (MIMO). Las tecnologías MIMO han sido adoptadas por muchos estándares inalámbricos tales como LTE, WiMAS y WLAN. Esto se debe principalmente a su capacidad de aumentar la máxima velocidad de transmisión , junto con la fiabilidad alcanzada y la cobertura de las comunicaciones inalámbricas actuales sin la necesidad de ancho de banda extra ni de potencia de transmisión adicional. Sin embargo, las ventajas proporcionadas por los sistemas MIMO se producen a expensas de un aumento sustancial del coste de implementación de múltiples antenas y de la complejidad del receptor, la cual tiene un gran impacto sobre el consumo de energía. Por esta razón, el diseño de receptores de baja complejidad es un tema importante que se abordará a lo largo de esta tesis. En primer lugar, se investiga el uso de técnicas de preprocesado de la matriz de canal MIMO bien para disminuir el coste computacional de decodificadores óptimos o bien para mejorar las prestaciones de detectores subóptimos lineales, SIC o de búsqueda en árbol. Se presenta una descripción detallada de dos técnicas de preprocesado ampliamente utilizadas: el método de Lenstra, Lenstra, Lovasz (LLL) para lattice reduction (LR) y el algorimo VBLAST ZF-DFE. Tanto la complejidad como las prestaciones de ambos métodos se han evaluado y comparado entre sí. Además, se propone una implementación de bajo coste del algoritmo VBLAST ZF-DFE, la cual se incluye en la evaluación. En segundo lugar, se ha desarrollado un detector MIMO basado en búsqueda en árbol de baja complejidad, denominado detector K-Best de amplitud variable (VB K-Best). La idea principal de este método es aprovechar el impacto del número de condición de la matriz de canal sobre la detección de datos con el fin de disminuir la complejidad de los sistemasRoger Varea, S. (2012). Design and Implementation of Efficient Algorithms for Wireless MIMO Communication Systems [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/16562Palanci

Expectation Propagation Detection for High-Order High-Dimensional MIMO Systems

Modern communications systems use multiple-input multiple-output (MIMO) and high-order QAM constellations for maximizing spectral efficiency. However, as the number of antennas and the order of the constellation grow, the design of efficient and low-complexity MIMO receivers possesses big technical challenges. For example, symbol detection can no longer rely on maximum likelihood detection or sphere-decoding methods, as their complexity increases exponentially with the number of transmitters/receivers. In this paper, we propose a low-complexity high-accuracy MIMO symbol detector based on the Expectation Propagation (EP) algorithm. EP allows approximating iteratively at polynomial-time the posterior distribution of the transmitted symbols. We also show that our EP MIMO detector outperforms classic and state-of-The-Art solutions reducing the symbol error rate at a reduced computational complexity.This work has been partly funded by the Spanish Ministry of Science and Innovation with the projects GRE3NSYST (TEC2011- 29006-C03-03) and ALCIT (TEC2012-38800-C03-01) and by the program CONSOLIDER-INGENIO 2010 under the project COMONSENS (CSD 2008- 00010).Publicad