Titelaufnahme

Titel
Design of multiuser and multi-antenna communications systems based on graphical models and soft information / von Clemens Novak
VerfasserNovak, Clemens
Begutachter / BegutachterinMatz, Gerald ; Li, Ping
Erschienen2010
Umfang114 Bl. : graph. Darst.
HochschulschriftWien, Techn. Univ., Diss., 2010
Anmerkung
Zsfassung in dt. Sprache
SpracheEnglisch
Bibl. ReferenzOeBB
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (DE)Mobilkommunikation / Multiuser Systeme / Factor Graphs / BICM / LLR Quantisierung
Schlagwörter (EN)Mobile Communications / Multiuser Systems / Factor Graphs / BICM / LLR Quantization
Schlagwörter (GND)Mobile Telekommunikation / MIMO / IDMA / Graph / Algorithmus / Iteration / Nachricht / Quantisierung <Nachrichtentechnik>
URNurn:nbn:at:at-ubtuw:1-44983 Persistent Identifier (URN)
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Design of multiuser and multi-antenna communications systems based on graphical models and soft information [0.98 mb]
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Zusammenfassung (Deutsch)

Neue Produkte und Anwendungen in der drahtlosen Datenübertragung benötigen höhere Datenraten, Zuverlässigkeit und Robustheit gegenüber Interferenz von anderen Teilnehmern. Die Verwendung von multiple-input multiple-output (MIMO) Übertragung führte zur Steigerung der Datenrate und verbesserter Zuverlässigkeit, und neue Mehrbenutzer Übertragungsverfahren wie interleave-division multiple access (IDMA) wurden vorgeschlagen. Bei IDMA erfolgt die Separierung der Teilnehmer duch die Verwendung von user-spezifischen Interleavern zusammen mit Kanalkodierung niederer Rate. Diese neuen Technologien und Übertragungsverfahren benötigen anspruchsvolle und leistungsfähige Empfängerstrukturen, welche iterative Algorithmen verwenden.

Im ersten Teil dieser Dissertation verwenden wir Faktorgraphen, um iterative Empfangsalgorithmen für ein IDMA Mehrbenutzersystem zu entwerfen, welches auf MIMO orthogonal frequency-division multiplexing(OFDM) basiert. Wir leiten den Faktorgraph des IDMA Systems her, und verwenden den sum-product Algorithmus, um einen iterativen IDMA Mehrbenutzerempfänger zu entwerfen, der gleichzeitig Detektion und Kanalschätzung durchführt. Simulationsergebnisse zeigen eine grosse Leistungsverbesserung gegenüber einem Empfänger, der zuerst den Kanal schätzt und dann die Daten detektiert. Eine Implementierung, deren Komplexität linear mit der Anzahl der Teilnehmer steigt, erhält man durch entsprechende Approximationen der Nachrichten, die im sum-product Algorithmus ausgetauscht werden. Eine weitere Reduktion der Komplexität wird durch Berechnen lediglich einer Teilmenge aller Nachrichten in jeder Iteration erreicht. Eine informationstheoretische Analyse des IDMA Systems zeigt, dass das System nahe des informationstheoretischen Limits arbeitet.

Der zweite Teil dieser Dissertation behandelt die Quantisierung von Nachrichten im Faktorgraphen. Wir betrachten ein BICM System und untersuchen das Problem der Quantisierung von log-likelihood ratios (LLRs) am Ausgang des Demodulators. Bisher wurde der optimale Quantisierer lediglich für den Spezialfall von BPSK Modulation über einen AWGN Kanal untersucht. Da eine Erweiterung dieser Lösung auf andere Kanälen und Modulationsformaten sehr kompliziert ist, schlagen wir eine alternative Quantisierungmethode vor. Diese lässt sich viel einfacher implementieren und liefert lediglich etwas schlechtere Ergebnisse. Wir vergleichen unsere Quantisierungsmethode mit dem optimalen Quantisierer bezüglich Transinformation und Bitfehlerrate.

Weiters stellen wir eine Methode vor, mit der sich die Quanisierer während der Datenübertragung entwerfen lassen. Dadurch werden keine Tabellen zum Speichern der Parameter des Quantisierers benötigt. Die Verwendung von Demodulatoren, die direkt quantisierte LLRs berechnen und ausgeben, ermöglicht eine Verringerung der Komplexität des Demodulators.

Wir demonstrieren diesen Effekt an einem soft-MMSE Demodulator, der direkt quantisierte LLRs berechnet.

In praktisch realisierten BICM Systemen wird der Kanal zwischen Sender und Empfänger mittels Übertragung von Pilotsymbolen geschätzt. Da die Sendeenergie begrenzt ist, treten Schätzfehler auf. In der Literatur wurden verbesserte Demodulatoren vorgestellt, die den Kanalschätzfehler berücksichtigen, und dadurch leistungsfähiger sind. Im dritten Teil dieser Dissertation vergleichen wir verschiedene Demodulatoren im Hinblick auf ihre maximal erreichbare Rate. Im Fall von iterativ demodulierter BICM Übertragung verwenden wir EXIT charts, um das Konvergenzverhalten des MIMO-BICM-ID Empfängers zu charakterisieren und entwerfen LDPC codes, die an den EXIT chart des entsprechenden Demodulators angepasst sind. Wir präsentieren einen Vergleich der Bitfehlerraten der verschiedenen Demodulatoren. Weiters untersuchen wir auch die Auswirkung der Leistungsaufteilung zwischen Pilot- und Datensymbolen auf die maximal erreichbare Rate und demonstrieren die Wichtigkeit der korrekten Aufteilung.

Zusammenfassung (Englisch)

New products and services in the wireless market require higher data rates, improved link reliability, and the ability to cope with user interference. The use of multiple-input multiple-output (MIMO) communications has led to increased data rates and improved link reliability, and new multiuser transmission schemes such as interleave-division multiple access (IDMA) have been proposed. With IDMA, user separation is obtained via user-specific interleavers combined with low-rate channel coding. These new technologies and transmission schemes, however, require sophisticated and powerful receiver structures, which employ iterative algorithms. In the first part of this thesis we use the factor graph framework to design iterative receiver algorithms for an IDMA multiuser uplink system employing MIMO orthogonal frequency-division multiplexing (OFDM). We derive the factor graph corresponding to the IDMA system, and use the sum-product algorithm to develop an iterative multiuser IDMA receiver that performs joint detection and channel estimation. Simulation results demonstrate large performance gains compared to classical receivers performing separate channel estimation and data detection. Suitable approximations to the messages passed by the sum-product algorithm yield a low complexity implementation that scales linearly with the number of users; further significant complexity reductions can be achieved by only updating a subset of messages in every iteration. We also perform an information theoretic performance analysis of IDMA and show that the performance of IDMA comes close to the information theoretic limit.

In the second part of the thesis we deal with quantization of messages in the factor graph. To this end we consider a bit-interleaved coded modulation (BICM) system and investigate the problem of how to quantize the log-likelihood ratios (LLRs) at the output of the demodulator. The optimal quantizer has previously been derived only for the special case of BPSK modulation over an AWGN channel. Extending this approach to other channels and modulations is difficult to implement in a practical system, and therefore we consider a different quantizer design which allows for simple implementation while only slightly degrading performance. We compare our quantizer design with the optimal quantizer in terms of maximum achievable rate and by means of BER simulations. We also propose a method for designing the different LLR quantizers during data transmission "on the fly", i.e. without the need for lookup tables to store quantizer parameters. By designing demodulators, which directly calculate quantized LLRs, complexity reductions are possible. We demonstrate this effect by deriving a low-complexity soft-MMSE demodulator which outputs quantized LLRs.

In practical BICM systems, the channel between transmitter and receiver has to be estimated by means of pilot symbols. Because the pilot power is constrained, estimation errors occur. Recently, improved demodulators have been proposed, which take the channel uncertainty into account, thereby offering better performance. In the third part of this thesis, we provide a performance comparison of various demodulators for BICM with imperfect CSI in terms of the maximum achievable rate with a specific demodulator. In case of iterative decoded BICM (BICM-ID), we use EXIT charts to characterize the convergence behaviour of the MIMO-BICM-ID receivers. We also design LDPC codes that are matched to a specific demodulator in terms of their EXIT functions and provide BER comparisons. Finally, we investigate the impact of power allocation for pilots and data symbols on the maximum achievable rate and demonstrate the importance of correct power allocation.