Effects of linear preprocessing on receiver complexity-performance trade-off in single-carrier MIMO systems

• Main Author: Karjalainen, M. (Markus)
• Format: Dissertation
• Language: English
• Published: University of Oulu 2013
• Subjects: Information Engineering
• Online Access: http://urn.fi/URN:NBN:fi:oulu-201304051156; http://nbn-resolving.de/urn:nbn:fi:oulu-201304051156

The shift from single-antenna to multiple-antenna transmission contributes to the capacity increase in wireless communications systems, but the high complexity of receivers may hold back advancements. Frequency-selective multi-path-fading channels dominate in the 3GPP Long Term Evolution (LTE) uplink transmissions and cause the need for measures of equalization in the receiver. Fast, low-complexity equalizers can be implemented as linear filters that are applied to the frequency-domain multiple-antenna channel models, but good results can not be expected. Nonlinear, high performance solutions, like sphere detection, are available for multiple-input multiple-output (MIMO) signal detection in flat-fading channels, but their feasibility, in the presence of frequency-selective fading, is limited by high computational complexity of processing the large data input of cyclic prefixed block transmissions. In receiver design, trade-offs need to be made in terms of complexity and performance, and this master’s thesis explores the possibility of using linear signal preprocessing in order to influence MIMO detection. A novel group detection algorithm is studied, formalized and evaluated through computer simulations. The central idea in group detection is to use linear preprocessing in order to divide a MIMO channel matrix into smaller equivalent channels, and detect data symbols in each of the formed groups separately. The group detection method incorporates a channel-based adaptive grouping, and thus, using the channel characteristics, each detection is made in an optimized group. The signal preprocessing is done via minimum mean-square error (MMSE) filtering, and detection is handled by a sphere detector that achieves the same solution as maximum-likelihood detection. The proposed MMSE-based group detection is aimed at use in reception of the single-carrier transmissions in the LTE-Advanced and LTE systems uplink, which is reflected in the parameters of simulation. The performance of detection is measured by numerical bit error rate examples, which are calculated by simulating cyclic prefixed transmission in MIMO and single-antenna channels. The models include channels that exhibit Rayleigh or Ricean fading, or have a long delay spread like the Pedestrian B channel specified by 3GPP. On the basis of the simulation results, the MMSE-based group detection can outperform the other receiver methods. Group detection was tested with several group sizes, since larger groups improve performance. The group size also determines the most of the method’s complexity, but it is a parameter whose value can be selected to give the desired performance. === Muutos yhden antennin lähetyksistä monen antennin lähetyksiin edistää kapasiteetin kasvua langattomissa viestintäjärjestelmissä, mutta vastaanotinten monimutkaisuus voi hillitä kehitystä. Taajuusselektiivisesti monitiehäipyvät kanavat hallitsevat 3GPP Long Term Evolution (LTE) -järjestelmän nousevan siirtotien lähetyksissä, mikä johtaa kanavakorjauksen tarpeeseen vastaanottimessa. Nopeat, monimutkaisuudeltaan edulliset kanavakorjaimet voidaan toteuttaa lineaarisina suodattimina, joita käytetään taajuusalueen moniantennikanavamalleihin, mutta niiltä ei voida odottaa hyviä tuloksia. Epälineaarisia korkean suorituskyvyn ratkaisuja, kuten palloilmaisu, on käytettävissä monitulo-monilähtö (MIMO) -signaalinilmaisuun tasaisesti häipyvissä kanavissa, mutta niiden toteutettavuutta rajoittaa suuri laskennallinen monimutkaisuus käsiteltäessä sitä suurta datamäärää joka lähetetään syklisellä etuliitteellä täydennettyinä lohkoina. Vastaanotinten suunnittelussa on tehtävä kompromisseja monimutkaisuuden ja suorituskyvyn suhteen, ja tässä diplomityössä tarkastellaan mahdollisuutta käyttää signaalin lineaarista esikäsittelyä MIMO-ilmaisuun vaikuttamiseksi. Tutkimuksen kohteena on uudenlainen ryhmäilmaisu, joka formalisoidaan algoritmina ja jota arvioidaan tietokonesimulaatioiden perusteella. Ryhmäilmaisun ydinajatuksena on käyttää lineaarista esikäsittelyä jakamaan MIMO-kanavamatriisi pienemmiksi ekvivalenttikanaviksi ja ilmaista datasymbolit syntyneissä ryhmissä erikseen. Ryhmäilmaisumenetelmä sisältää kanavaperustaisesti mukautuvan ryhmittelyn, joka käyttää kanavan ominaisuuksia siten että jokainen ilmaisu tehdään optimoidussa ryhmässä. Signaalin esikäsittely tehdään pienimmän keskineliövirheen (MMSE) suodatuksella, ja ilmaisuun käytetään palloilmaisinta, joka saavuttaa saman ratkaisun kuin suurimman uskottavuuden menetelmä. Esitellyn MMSE-pohjaisen ryhmäilmaisun käyttökohteena pidetään yhden kantoaallon lähetyksien vastaanottamista LTE-Advanced ja LTE -järjestelmissä nousevassa siirtotiessä, mikä heijastuu simulaatioparametreihin. Ilmaisun suorituskykyä mitataan bittivirhesuhteen numeerisilla esimerkeillä, jotka lasketaan simuloimalla syklisellä etuliitteellä varustettua lähetystä MIMO- sekä yhden antennin kanavissa. Malleissa on kanavia joissa ilmentyy Rayleigh- tai Rice-häipymistä, tai joilla on pitkä viivehaje, kuten 3GPP:n määrittämällä Pedestrian B -kanavalla. Simulaatiotulosten perusteella MMSE-pohjainen ryhmäilmaisu suoriutuu paremmin kuin siihen verratut vastaanotinmenetelmät. Ryhmäilmaisua kokeiltiin usealla ryhmäkoolla, sillä suuremmat ryhmät parantavat suorituskykyä. Ryhmäkoko on parametri joka määrää suurimman osan menetelmän monimutkaisuudesta, mutta se voidaan valita siten että saavutetaan haluttu suorituskyky.