Broadband single carrier multi-antenna communications with frequency domain turbo equalization

Abstract

<div lang="en" class="abs"><p class="abs_header">Abstract</p><p>This thesis focuses on advanced multi-antenna receiver and transmission techniques to improve the utilization efficiencies of radio resources in broadband single carrier communications. Special focus is devoted to the development of computationally efficient frequency domain (FD) turbo equalization techniques for single and multiuser MIMO frequency selective channels. Another special emphasis is given to transmission power optimization for single user MIMO communications, which takes into account the convergence properties of the iterative equalizer. </p><p>A new iterative FD soft cancellation (SC) and minimum mean square error (MMSE) filtering based joint-over-antenna (JA) multiuser MIMO signal detection technique for multiuser MIMO uplink transmission in frequency-selective channels is proposed. The proposed FD multiuser MIMO detection technique requires significantly lower computational complexity than its time-domain counterpart. Furthermore, significant performance gains can be achieved with the proposed JA turbo receiver compared to an antenna-by-antenna (AA) turbo receiver when the total number of transmitter antennas and users is larger than the number of receiver antennas, as well as in the presence of spatial correlation. </p><p>The impact of existing linear precoding techniques, e.g, maximum information rate (MaxRate) and minimum sum mean square error (MinSumMSE), on the performance of frequency domain turbo equalization is investigated by utilizing extrinsic information transfer (EXIT) chart analysis. </p><p>A novel transmission power minimization framework based on an EXIT analysis of single carrier MIMO transmission with iterative FD SC-MMSE equalization is then proposed. The proposed optimization framework explicitly takes into account the convergence properties of the iterative equalizer. The proposed convergence constrained power allocation (CCPA) technique decouples the spatial interference between streams using singular value decomposition (SVD), and minimizes the transmission power while achieving the mutual information target for each stream after iterations at the receiver side. The transmission power allocation can be formulated as a convex optimization problem. A special case having only two mutual information constraints is considered, for which the Lagrange dual function is derived and its dual problem is solved. Inspired by the Lagrange duality, two CCPA based heuristic schemes are developed. The numerical results demonstrate that the proposed CCPA schemes outperform the existing power allocation schemes. </p></div>

<div lang="fi" class="abs"><p class="abs_header">Tiivistelmä</p><p>Tässä työssä tutkitaan edistyksellisten moniantennivastaanotto- ja lähetysmenetelmien käyttöä radioresurssien tehokkuuden parantamiseen laajakaistaisessa yhden kantoaallon kommunikaatiossa. Työssä keskitytään erityisesti laskennallisesti tehokkaiden taajuustasossa suoritettavien iteratiivisten kanavakorjaintekniikoiden kehittämiseen yhden ja usean käyttäjän <em>multiple-input multiple-output</em> (MIMO) -kommunikaatiossa taajuusselektiivisen radiokanavan yli. Toinen tutkimuksen painopiste on lähetystehon optimointi yhden käyttäjän MIMO-kommunikaatiossa, jossa iteratiivisen kanavakorjaimen konvergenssiominaisuudet otetaan huomioon.</p><p>Työssä ehdotetaan uudenlaista iteratiivista taajuustasossa suoritettavaa <em>soft-cancellation</em> (SC) ja <em>minimum mean square error</em> (MMSE) -suodatukseen pohjautuvaa <em>joint-over-antenna</em> (JA) monen käyttäjän ilmaisumenetelmää nousevan siirtokanavan tiedonsiirtoon taajuusselektiivisessa radiokanavassa. Ehdotettu tajuustasossa suoritettava usean käyttäjän MIMO-lähetyksen ilmaisumenetelmä vaatii selvästi vähemmän laskentatehoa verrattuna aikatason menetelmään. Tämän lisäksi ehdotetulla menetelmällä voidaan saavuttaa merkittävää suorituskykyhyötyä verrattuna <em>antenna-by-antenna</em> (AA) -pohjaiseen iteratiiviseen vastaanottimeen kun lähetysantennien ja käyttäjien kokonaislukumäärä on suurempi kuin vastaanotinantennien. Suorituskykyhyöty pätee myös tilakorrelaation tapauksessa.</p><p>Työssä tutkitaan lisäksi olemassa olevien lineaaristen esikoodaustekniikoiden, esim. <em>maximum information rate</em> (MaxRate) and <em>minimum sum mean square error</em> (MinSumMSE), vaikutusta taajuustasossa suoritettavaan iteratiivisen kanavakorjaimen konvergenssiominaisuuksiin <em>xtrinsic information transfer</em> (EXIT) -analyysin avulla.</p><p> Työssä ehdotetaan uudenlaista EXIT-analyysi-pohjaista lähetystehon minimointimenetelmää yhden kantoaallon MIMO-lähetykseen käyttäen iteratiivista taajuustason SC-MMSE-kanavakorjainta. Menetelmä ottaa huomioon iteratiivisen kanavakorjaimen konvergenssiominaisuudet. Ehdotettu <em>convergence constrained power allocation</em> (CCPA) -menetelmä erottaa tilatason häiriön lähetteiden välillä hyödyntäen <em>singular value decomposition</em> (SVD) -tekniikkaa ja minimoi lähetystehon ja saavuttaa samalla keskinäisinformaatiotavoitteet jokaiselle lähetteelle iteraatioiden jälkeen vastaanottimessa. Lähetystehon minimointiongelma voidaan muotoilla konveksiksi optimointiongelmaksi. Kahden keskinäisinformaatiorajoitteen erityistapaukselle johdetaan Lagrangen duaalifunktio ja ratkaistaan sen duaalifunktio. Työssä kehitetään lisäksi kaksi CCPA-pohjaista heuristista menetelmää. Numeeriset tulokset osoittavat ehdotettujen CCPA-pohjaisten menetelmien suoriutuvan paremmin verrattuna olemassa oleviin menetelmiin.</p></div>