Communication performance prediction and link adaptation based on a statistical radio channel model

• Main Author: Huusko, J. (Jarkko)
• Other Authors: Juntti, M. (Markku)
• Format: Doctoral Thesis
• Language: English
• Published: Oulun yliopisto 2016
• Subjects: EXIT charts; link adaptation; performance prediction; EXIT-kartat; lähetyksen mukauttaminen; suorituskyvyn ennustaminen; HARQ; MIMO
• Online Access: http://urn.fi/urn:isbn:9789526211473; http://nbn-resolving.de/urn:isbn:9789526211473

Abstract This thesis seeks to develop a robust semi-analytical performance prediction method for an advanced iterative receiver that processes spatially multiplexed signals that have propagated through frequency-selective receive correlated multiple-input multiple-output (MIMO) wireless communication channels. In a change of perspective, the proposed performance prediction methods are applied at the transmitter, which seeks to attain a target frame error rate (FER) either by adaptive power control or by adaptive modulation and coding (AMC). The performance prediction scheme utilises the statistical properties of the channel—namely noise variance, number of separable propagation paths and the eigenvalues of the receive correlation matrix—to predict the signal-to-interference-plus-noise ratio (SINR) at the output of a frequency domain soft interference cancellation minimum mean square error equaliser. The SINR distribution is used to derive the distribution of the variance of the log-likelihood ratios (LLRs) at the output of a soft symbol-to-bit demapper. Mutual information transfer charts establish a bijective relationship between the variance of the LLRs and mutual information. A 3rd Generation Partnership Project compliant turbo code is assumed. Since the decoder operates independently from the channel, its extrinsic information transfer (EXIT) charts can be simulated in advance. By utilising the approximate LLR variance distribution of the demapped equaliser output, it is possible to evaluate the probability of an intersection between an equaliser chart associated with a random channel realisation and a fixed decoder chart. This probability provides the FER. Since the proposed performance prediction method does not require any instantaneous channel state information, it can be applied at the transmitter side as a robust link adaptation scheme. In adaptive transmission power control, the modulation order and code rate are fixed. By iteratively adjusting transmission power, the transmitter attempts to find an equaliser output LLR variance distribution that reaches a specified target FER. In AMC, transmission power is fixed. The equaliser output's LLR variance distribution is determined by the modulation order, while the decoder chart's position is determined by the code rate. The transmitter iteratively adjusts the code rate and attempts to find a modulation order and code rate pairing that reaches the target FER. For vertically encoded spatially multiplexed systems, the adaptive transmission power control and AMC schemes are complemented by adaptive repeat redundancy and incremental redundancy hybrid automatic repeat request (HARQ) techniques, respectively. === Tiivistelmä Työn tavoitteena on kehittää luotettava semianalyyttinen suorituskyvyn ennustusmenetelmä tehokkaalle iteratiiviselle vastaanottimelle, joka käsittelee taajuusselektiivisen, vastaanotinpäässä tilakorreloituneen moniantennikanavan kautta kulkeneita tilakanavoituja signaaleja. Toisessa vaiheessa esitettyjä ennustusmenetelmiä hyödynnetään mukauttamalla lähetystehoa tai modulaatioastetta ja koodisuhdetta (adaptive modulation and coding [AMC]), samalla säilyttäen tavoitteeksi asetetun kehysvirhesuhteen (frame error rate [FER]). Suorituskyvyn ennustusmenetelmä hyödyntää kanavan tilastollisia ominaisuuksia – kohinan varianssia, eroteltavien etenemispolkujen lukumäärää sekä vastaanottimen korrelaatiomatriisin ominaisarvoja – ennustaakseen signaali–kohina-plus-interferenssisuhteen (signal-to-interference-plus-noise ratio [SINR]) jakauman taajuustasossa toimivan, häiriötä poistavan pienimmän keskineliösumman kanavakorjaimen lähdössä. SINR-jakaumasta johdetaan pehmän symboleista biteiksi -muunnoksen jälkeisten logaritmisten bittitodennäköisyyksien suhdelukujen (log-likelihood ratio [LLR]) jakauma. Keskinäisinformaation siirroskartat perustuvat LLR:ien varianssin sekä keskinäisinformaation väliseen bijektiivisyyteen. Informaatio on kanavakoodattu 3rd Generation Partnership Project -standardin mukaisella turbokoodilla. Turbodekooderin toiminta on kanavasta riippumatonta, joten dekooderin lisäinformaation siirroskartat (extrinsic information transfer [EXIT] charts) voidaan simuloida itsenäisesti. Hyödyntämällä kanavakorjaimen lähdön pehmeiden bittipäätösten LLR:ien varianssin jakaumaa, on mahdollista arvioida millä todennäköisyydellä korjaimen satunnaisen kanavarealisaation siirroskartta leikkaa dekooderin siirroskartan. Tämä todennäköisyys voidaan tulkita kehysvirhesuhteeksi. Koska suorituskyvyn ennustusmenetelmä ei vaadi hetkellistä tietoa kanavan tilasta, sitä voidaan hyödyntää lähetyksen mukautuksessa. Mukautuvassa tehonsäädössä modulaatio ja koodisuhde eivät muutu. Lähetin pyrkii iteratiivisella tehonsäädöllä löytämään korjaimen lähdölle LLR-jakauman, joka tuottaa halutun kehysvirhesuhteen. Mukautuvassa modulaation ja koodisuhteen valinnassa lähetysteho säilyy vakiona. Modulaatioaste vaikuttaa korjaimen lähdön LLR-jakaumaan ja koodisuhde dekooderin siirroskartan muotoon. Iteratiivisesti koodisuhdetta säätämällä lähetin pyrkii löytämään modulaation ja koodisuhteen yhdistelmän, joka saavuttaa tavoitellun kehysvirhesuhteen. Vertikaalisesti tilakanavoiduissa järjestelmissä mukautuvaa tehonsäätöä täydennetään lähetystehoa mukauttavilla uudellenlähetyksillä, kun taas mukautuvaa modulaation ja koodisuhteen valintaa täydennetään puolestaan koodisuhdetta pienentävillä automattisilla uudelleenlähetyspyynnöillä (hybrid automatic repeat request [HARQ]).