Iterative receivers with channel estimation for MIMO and multi-user OFDM systems

Abstract

The traffic in wireless networks has been showing an exponential growth over the last decade. In order to meet the demand, and support a continuation of this growth, the scarce radio resources need to be efficiently used. The use of multiple antenna (MIMO) systems and iterative (turbo) receivers has significantly improved the realizable system performance. Still, many challenges exist in the development of efficient wireless receivers. In this thesis, which is written in the form of a collection of papers, we have investigated and developed iterative receivers with channel estimation for multi-user systems.

Paper I investigates different iterative receiver algorithms for an uplink multi-user MIMO orthogonal frequency division multiplex (OFDM) system. For the given receiver structure, different combinations of multi-user detectors (MUD) and decision-directed channel estimators are compared. The comparison focuses on the complexity-performance tradeoff for the receiver configurations. The results show that low complexity algorithms, despite requiring more receiver iterations, tend to have the lowest overall complexity for a given bit error rate (BER).

Paper II presents how the convergence behavior of an iterative receiver with channel estimation for an uplink multi-user MIMO-OFDM system can be modeled through multi-dimensional extrinsic information transfer (EXIT) charts. Although single-input single-output EXIT charts have been well studied, the multiple input-output case has generally been overlooked in the literature. Such charts are suitable for studying multi-user systems. The presented EXIT chart predictions show good correspondence with the true convergence behavior of the receiver.

Paper III discusses the use of channel measurement data in system evaluations. We discuss and exemplify a number of issues related to the use of such data, and also provide potential solutions. The issues include problems with measurement noise and measurement antenna directivity.

Paper IV investigates the performance gains that can be harvested through base station cooperation in an uplink multi-user MIMO-OFDM system. An iterative receiver with channel estimation is evaluated using unique mobile dual-link MIMO channel measurement data. The results point at the large performance gains which can be harvested through cooperative processing in a real environment.

Paper V presents and evaluates a number of channel estimation algorithms for an OFDM interleave division multiple access (IDMA) system. We look at different pilot based algorithms as well as decision-directed algorithms being part of the iterative process of the receiver. As for paper I, the comparison focuses on the complexity-performance tradeoff, and the results show that low-complexity algorithms can be competitive alternatives when looking at the overall receiver complexity.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Idag tar de flesta för givet att man när och var som helst kan komma åt sin e-post, ladda upp bilder till Facebook eller söka kunskap på Wikipedia från sin mobiltelefon eller dator. Den trådlösa teknologi som gjort detta möjligt har utvecklats oerhört det senaste årtiondet, men behöver utvecklas ännu mer för att möta det ökande behovet av trådlös kommunikation.

I denna avhandling har vi undersökt hur man på ett effektivare sätt kan utnyttja de begränsade resurser som finns tillgängliga i form av radiospektrum. Mer specifikt så har vi tittat på s.k. iterativa metoder för att i en mottagarenhet, t.ex. en basstation, på ett effektivt sätt separera information skickad samtidigt från flera användare eller flera antenner. Flerantennssystem, eller MIMO-system (från engelskans multiple-input-multiple-output), är en relativt ny teknik som kan ge en avsevärd ökning i överföringskapacitet. För att fullt ut ta del av denna kapacitetsökning behöver man utveckla mottagaralgoritmer som på ett effektivt och tillförlitligt sätt kan separera signalerna från de olika sändarantennerna. De algoritmer som vi har utvecklat och undersökt i denna avhandling kan användas för att i framtiden skapa trådlösa nätverk med större datakapacitet.

De iterativa mottagaralgoritmer som vi utvecklat består av tre komponenter, som alla samarbetar på ett iterativt sätt för att detektera informationen som skickats från de olika användarna eller antennerna. De tre delarna är kanalestimator, fleranvändardetektor och avkodare. Fleranvändardetektorn separerar signalerna från de olika användarna och avkodaren avkodar de olika skickade meddelandena. För att man ska kunna separera användarna behöver man känna till hur kanalen mellan sändare och mottagare ser ut, d.v.s. hur den har påverkat de olika signalerna.

Den trådlösa kanalen består av alla objekt som befinner sig runt och emellan sändare och mottagare. Dessa objekt kommer att ge upphov till ekon av de sända signalerna som sedan adderas ihop hos mottagaren. Kanalestimatorn har till uppgift att räkna ut hur dessa ekon ser ut och sedan meddela detta till fleranvändardetektorn. För att kunna beräkna ekonas utseende skickar man vanligtvis kända referenssignaler, tillsammans med de på förhand okända informationsbärande signalerna. För att få hög tillförlitlighet kan man behöva skicka många referenssignaler, speciellt om man har många användare. Dessa signaler tar då upp plats för de informationsbärande signalerna, vilket leder till en förlust i överföringskapacitet. I denna avhandling har vi tittat närmare på en teknik där vi även använder de skickade informationssignalerna, tillsammans med referenssignalerna, för att beräkna kanalen. Detta innebär att vi kan minska den förlust i datakapacitet som uppstår när referenssignaler skickas. Eftersom informationssignalerna är okända från början måste man beräkna ungefärliga värden på dessa. Detta görs med hjälp av fleranvändardetektorn och avkodaren. De tre komponenterna i mottagaren skickar sedan iterativt signaler fram och tillbaka mellan varandra ett flertal gånger, för att till slut få fram pålitliga värden på den skickade informationen.

I de publikationer som utgör stommen i denna avhandling har vi undersökt olika typer av kanalestimator och fleranvändardetektor. Vi har sett att relativt enkla sådana kan leverera bra prestanda. Det är också tydligt i våra resultat att man genom att använda de informationsbärande signalerna i kanalestimatorn kan få högpresterande system med en begränsad mängd referenssignaler. Framtida trådlösa system kan med denna typ av mottagaralgoritmer göras än mer effektiva, vilket alltså behövs för att möta det ökande behovet av trådlös kommunikation.

• author: Hammarberg, Peter
• supervisor: Ove Edfors; Fredrik Rusek
• opponent: Professor Fleury , Bernard, Dept of Electronic Systems, Aalborg University, Denmark
• organization: Department of Electrical and Information Technology; Radio Systems-lup-obsolete (research group)
• publishing date: 2012
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Electrical Engineering, Electronic Engineering, Information Engineering
• keywords: Iterative receiver, channel estimation, multi-user detection, OFDM, MIMO, IDMA, complexity, EXIT chart, channel measurements.
• in: Series of Licentiate and Doctoral Theses
• pages: 208 pages
• defense location: Lecture hall E:1406, E-building, Ole Römers väg 3, Lund University Faculty of Engineering
• defense date: 2012-02-24 10:15:00
• ISSN: 1654-790X
• ISBN: 978-91-7473-264-1
• project: EIT_HSWC:Coding Coding, modulation, security and their implementation
• project: Radiosystem: NORDITE/WILATI - WIreless LANs with high Throughput in Interference-limited environments (VINNOVA, AM/FT/OE)
• language: English
• LU publication?: yes
• id: b019cfc6-f8c5-4dae-8ae3-0569a55d093b (old id 2302917)
• date added to LUP: 2016-04-01 15:03:33
• date last changed: 2019-05-24 08:46:12