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

5G new radio physical downlink control channel reliability enhancements for multiple transmission-reception-point communications

Non-coherent transmission from multiple transmission-reception-points (TRPs), i.e., base stations, or base station panels to a user equipment (UE) is exploited in 5G New Radio (NR) to improve downlink reliability and cell-edge throughput. Ultra reliable low-latency communications (URLLC) and enhanced Mobile BroadBand (eMBB) are prominent target use-cases for multi-TRP or multi-panel transmissions. In Third-Generation Partnership Project (3GPP) Release 17 specifications, multi-TRP-based transmissions were specified for the physical downlink control channel (PDCCH) specifically to enhance its reliability and robustness. In this work, a comprehensive account of various multi-TRP reliability enhancement schemes applicable for the 5G NR PDCCH, including the ones supported by the 3GPP Release 17 specifications, is provided. The impact of the specifications for each scheme, UE and network complexity and their utility in various use-cases is studied. Their error performances are evaluated via link-level simulations using the evaluation criteria agreed in the 3GPP proceedings. The 3GPP-supported multi-TRP PDCCH repetition schemes, and the additionally proposed PDCCH repetition and diversity schemes are shown to be effective in improving 5G NR PDCCH reliability and combating link blockage in mmWave scenarios. The link-level simulations also provide insights for the implementation of the decoding schemes for the PDCCH enhancements under different channel conditions. Analysis of the performance, complexity and implementation constraints of the proposed PDCCH transmission schemes indicate their suitability to UEs with reduced-capability or stricter memory constraints and flexible network scheduling

Quantum mechanical analysis of the equilateral triangle billiard: periodic orbit theory and wave packet revivals

Using the fact that the energy eigenstates of the equilateral triangle infinite well (or billiard) are available in closed form, we examine the connections between the energy eigenvalue spectrum and the classical closed paths in this geometry, using both periodic orbit theory and the short-term semi-classical behavior of wave packets. We also discuss wave packet revivals and show that there are exact revivals, for all wave packets, at times given by $T_{rev} = 9 \mu a^2/4\hbar \pi$ where $a$ and $\mu$ are the length of one side and the mass of the point particle respectively. We find additional cases of exact revivals with shorter revival times for zero-momentum wave packets initially located at special symmetry points inside the billiard. Finally, we discuss simple variations on the equilateral ($60^{\circ}-60^{\circ}-60^{\circ}$) triangle, such as the half equilateral ($30^{\circ}-60^{\circ}-90^{\circ}$) triangle and other `foldings', which have related energy spectra and revival structures.Comment: 34 pages, 9 embedded .eps figure

Large-scale genome-wide analysis identifies genetic variants associated with cardiac structure and function

BACKGROUND: Understanding the genetic architecture of cardiac structure and function may help to prevent and treat heart disease. This investigation sought to identify common genetic variations associated with inter-individual variability in cardiac structure and function. METHODS: A GWAS meta-analysis of echocardiographic traits was performed, including 46,533 individuals from 30 studies (EchoGen consortium). The analysis included 16 traits of left ventricular (LV) structure, and systolic and diastolic function. RESULTS: The discovery analysis included 21 cohorts for structural and systolic function traits (n = 32,212) and 17 cohorts for diastolic function traits (n = 21,852). Replication was performed in 5 cohorts (n = 14,321) and 6 cohorts (n = 16,308), respectively. Besides 5 previously reported loci, the combined meta-analysis identified 10 additional genome-wide significant SNPs: rs12541595 near MTSS1 and rs10774625 in ATXN2 for LV end-diastolic internal dimension; rs806322 near KCNRG, rs4765663 in CACNA1C, rs6702619 near PALMD, rs7127129 in TMEM16A, rs11207426 near FGGY, rs17608766 in GOSR2, and rs17696696 in CFDP1 for aortic root diameter; and rs12440869 in IQCH for Doppler transmitral A-wave peak velocity. Findings were in part validated in other cohorts and in GWAS of related disease traits. The genetic loci showed associations with putative signaling pathways, and with gene expression in whole blood, monocytes, and myocardial tissue. CONCLUSION: The additional genetic loci identified in this large meta-analysis of cardiac structure and function provide insights into the underlying genetic architecture of cardiac structure and warrant follow-up in future functional studies. FUNDING: For detailed information per study, see Acknowledgments.This work was supported by a grant from the US National Heart, Lung, and Blood Institute (N01-HL-25195; R01HL 093328 to RSV), a MAIFOR grant from the University Medical Center Mainz, Germany (to PSW), the Center for Translational Vascular Biology (CTVB) of the Johannes Gutenberg-University of Mainz, and the Federal Ministry of Research and Education, Germany (BMBF 01EO1003 to PSW). This work was also supported by the research project Greifswald Approach to Individualized Medicine (GANI_MED). GANI_MED was funded by the Federal Ministry of Education and Research and the Ministry of Cultural Affairs of the Federal State of Mecklenburg, West Pomerania (contract 03IS2061A). We thank all study participants, and the colleagues and coworkers from all cohorts and sites who were involved in the generation of data or in the analysis. We especially thank Andrew Johnson (FHS) for generation of the gene annotation database used for analysis. We thank the German Center for Cardiovascular Research (DZHK e.V.) for supporting the analysis and publication of this project. RSV is a member of the Scientific Advisory Board of the DZHK. Data on CAD and MI were contributed by CARDIoGRAMplusC4D investigators. See Supplemental Acknowledgments for consortium details. PSW, JFF, AS, AT, TZ, RSV, and MD had full access to all of the data in the study and take responsibility for the integrity of the data and the accuracy of the data analysis

User equipment localization in a mobile communication network

A receiver (UE), which is located in a spatial region of interest (118) served by a transmitter (eNB 1 -eNB 3 ) of a wireless communication network, receives a radio signal from at least one transmitter (eNB 1 -eNB 3 ) of the wireless communication network, and the radio signal has a plurality of position reference signal (PRS) sequences. Each PRS sequence has associated therewith a different PRS sequence identifier, and each PRS sequence is send using a different beam cone (116) of the transmitter (eNB 1 -eNB 3 ). The beam cones (116) of the transmitter (eNB 1 -eNB 3 ) for sending the plurality of PRS sequences are directed to the spatial region of interest (118). The receiver (UE) processes the radio signal to estimate a time of arrival (TOA) of each PRS sequence and to obtain for each PRS sequence the associated PRS sequence identifier. A position of the receiver (UE) is estimated using the times of arrival and the obtained PRS sequence identifiers

Beam correspondence indication and bitmap for beam reporting for wireless communications

A user equipment, UE, for communicating with a base station, BS, in a wireless communication system is described. The UE comprises one or more antenna arrays, each antenna array having a plurality of antenna elements. The UE signals to a BS, dependent on a property of the one or more antenna arrays, whether the UE supports full beam correspondence, partial beam correspondence or no beam correspondence

Antenna array codebook with beamforming coefficients adapted to an arbitrary antenna response of the antenna array

A transmitter includes an antenna array (202, 304) having a plurality of antennas for a wireless communication with one or more receivers, and a precoder (204) connected to the antenna array (202, 304), the precoder (204) to apply a set of beamforming weights to the antenna array (202, 304), the set of beamforming weights selected from a codebook (212) to form by the antenna array (202, 304) one or more transmit/receive beams or nulls pointing in selected directions. The codebook (212) includes a plurality of sets of beamforming weights for a plurality of directions. The beamforming weights in the codebook (212) are based on a first antenna array response matrix(A( l p, &thgr;),A ( h )(ϕ,&thgr;),A( V )(<p,0)), the first antenna array response matrix(A( l p, 0), A( h )( l p,0),A ( v )(ϕ, &thgr;)) defined by a second antenna array response matrix (D(ϕ,&thgr;))and one or more characteristic matrices(G, G ( h ),G ( v )).The first antenna array response matrix (A(ϕ,&thgr;),A ( h )(ϕ, &thgr;),A ( v )(ϕ, &thgr;))contains, for a plurality of directions, first array response vectors of the antenna array (202, 304), the second antenna array response matrix(D( l p,&THgr;)) contains, for one or more of the plurality of directions, second array response vectors of another antenna array, the other antenna array being different from the antenna array (202, 304), and the one or more characteristic matrices(C, G( h)' G (V) )describing one or more characteristics of the antenna array (202, 304)

Der Hainich aus der Satellitenperspektive

Der Hainich und die angrenzenden Gebiete um Mühlhausen, Bad Langensalza, Schlotheim und Mihla bilden ein vielfältiges Landschaftsmosaik am Westrand des Thüringer Beckens. Wie unter dem Brennglas lässt sich hier die Entwicklung einer Wald- und einer Agrarlandschaft anhand natürlicher und gesellschaftlicher Einflussfaktoren betrachten. Der Band würdigt erstmals umfassend die Genese und den heutigen Zustand der Kulturlandschaft zwischen Werra und Unstrut. Er thematisiert zudem die Besonderheiten des Naturraums, dessen Schutz und ungestörte Entwicklung Aufgabe des vor 20 Jahren gegründeten Nationalparks Hainich ist. Weitere Darstellungen sind der Archäologie, Denkmalpflege, Geschichte und aktuellen Gebietsstruktur gewidmet. Zahlreiche thematische Karten sowie Grafiken und Fotos illustrieren sowohl den landeskundlichen Überblick als auch die detaillierten Beschreibungen der Dörfer, Städte und Naturphänomene