Thèse présentée devant l’INSA de Rennes en vue de l’obtention du doctorat d’Électronique

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29/10/22 France Telecom Division Recherche et Développement Thèse présentée devant l’INSA de Rennes en vue de l’obtention du doctorat d’Électronique Iterative receivers for multi- antenna systems Pierre-Jean BOUVET Le 13 décembre 2005

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Iterative receivers for multi-antenna systems. Pierre-Jean BOUVET Le 13 décembre 2005. Thèse présentée devant l’INSA de Rennes en vue de l’obtention du doctorat d’Électronique. Foreword. Foreword. R&D Unit Broadband Wireless Acces / Innovative Radio Interface (RESA/BWA/IRI) Supervisor - PowerPoint PPT Presentation

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20/04/23France Telecom Division Recherche et Développement

Thèse présentée devant l’INSA de Rennes en vue de l’obtention du doctorat d’Électronique

Iterative receivers for multi-antenna systems

Pierre-Jean BOUVET

Le 13 décembre 2005

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2

Foreword

s R&D Unit

QBroadband Wireless Acces / Innovative Radio Interface

(RESA/BWA/IRI)

s Supervisor

QMaryline HELARD, R&D engineer HDR at France Telecom R&D

division

s ContextQInternal project: SYCOMORE (research on digital communications)

QEuropean project: IST 4-MORE (4G demonstrator based on MIMO and MC-CDMA techniques)

Foreword

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3

Outline

I. Introduction

II. Multi-antenna techniques

III. Generic iterative receiver

IV. Optimal space-time coding

V. Application to MC-CDMA

VI. Conclusion

Outline

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4

Part I: Introduction

Context MIMO transmission

Objectives

Introduction

MIMO techniques

Generic iterative receiver

Optimal space-time coding

Application to MC-CDMA

Conclusion

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5

Context

s Digital wireless communicationsQHigh spectral efficiency

QRobustness

s Radio-mobile applicationQMulti-path propagation

QMobility

QMulti-user access

Introduction

MIMO techniques

Generic iterative receiver

Optimal space-time coding

Application to MC-CDMA

Conclusion

Time and frequency selective channel

Context MIMO transmission

Objectives

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6

Multi-antenna (MIMO) transmissions

s PrincipleQMulti-antenna at transmitter and receiver

s MIMO capacity [Telatar 95]

Introduction

MIMO techniques

Generic iterative receiver

Optimal space-time coding

Application to MC-CDMA

Conclusion

: covariance of

: rank of

: singular values

of SISO capacity

Context MIMO transmission

Objectives

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Multi-antenna (MIMO) transmissions

s MotivationsQSpectral efficiency gain

QPerformance gain–Spatial diversity gains–Antenna array gains

s LimitsQInterference terms

–Co Antenna Interference (CAI)

QSpatial correlation–Antennas must be sufficiently spaced–Rich scattering environment required

QOptimal MIMO capacity exploitation–Complex algorithm not well suited for practical implementation–Lack of generic schemes

Introduction

MIMO techniques

Generic iterative receiver

Optimal space-time coding

Application to MC-CDMA

Conclusion

Context MIMO transmission

Objectives

Capacity gain linear in min(Nt, Nr)

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8

Objectives

s Multi-antenna transmissionQSpectral efficiency gain

QArbitrary antenna configuration

s Near-optimal receptionQMIMO capacity exploitation

QIterative (turbo) principle

QLow complexity algorithm

QMulti-user access

Introduction

MIMO techniques

Generic iterative receiver

Optimal space-time coding

Application to MC-CDMA

Conclusion

Context MIMO transmission

Objectives

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9

Part II: MIMO techniques

Introduction

MIMO techniques

Generic iterative receiver

Optimal space-time coding

Application to MC-CDMA

Conclusion

Classification LD code Equivalent representation CAITransmitter

MIMO Channel

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10

Transmitter

BICM scheme [Caire et al. 98]

Information bits Coded bits

Modulation symbols

Convolutional code

Introduction

MIMO techniques

Generic iterative receiver

Optimal space-time coding

Application to MC-CDMA

Conclusion

Classification LD code Equivalent representation CAITransmitter

MIMO Channel

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11

MIMO channel

s Multi carrier approach (OFDM)

Equivalent flat fading MIMO channels

Reduced complexity MIMO equalization (no ISI treatment)

Introduction

MIMO techniques

Generic iterative receiver

Optimal space-time coding

Application to MC-CDMA

Conclusion

Classification LD code Equivalent representation CAITransmitter

MIMO Channel

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12

Q By assuming ideal symbol interleaving:

Q T-block Rayleigh fading model

Q Represents the optimal performance of a MIMO-OFDM system over a radio-mobile channel

MIMO channel

s Equivalent flat fading MIMO channel

Introduction

MIMO techniques

Generic iterative receiver

Optimal space-time coding

Application to MC-CDMA

Conclusion

Classification LD code Equivalent representation CAITransmitter

MIMO Channel

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13

Classification of MIMO techniques

s CSI required at Tx and RxQEigen beam forming

QWater-filling

QPre-equalization

s CSI required only at RxQTreillis based

QBlock based

s No CSI requiredQDifferential STC

QUSTM

Channel State Information (CSI)

Introduction

MIMO techniques

Generic iterative receiver

Optimal space-time coding

Application to MC-CDMA

Conclusion

Classification LD code Equivalent representation CAITransmitter

MIMO Channel

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14

Classification of MIMO techniques

s CSI required at Tx and RxQEigen beam forming

QWater-filling

QPre-equalization

s CSI required only at RxQTreillis based

QBlock based

s No CSI requiredQDifferential STC

QUSTM

Channel State Information (CSI)

Introduction

MIMO techniques

Generic iterative receiver

Optimal space-time coding

Application to MC-CDMA

Conclusion

Classification LD code Equivalent representation CAITransmitter

MIMO Channel

Page 15: Thèse présentée devant l’INSA de Rennes en vue de l’obtention du doctorat d’Électronique

15

Classification of MIMO techniques

s CSI required at Tx and RxQEigen beam forming

QWater-filling

QPre-equalization

s CSI required only at RxQTreillis based

QBlock based

s No CSI requiredQDifferential STC

QUSTM

Linear Precoded STBC [Da Silva et al. 98]

Spatial Data Multiplexing (SDM) [Foschini et al. 96, Wolniansky et al. 98]

Space Time Block Coding (STBC) [Alamouti 98, Tarokh et al. 99]

Algebraical STBC [Damen et al. 03, El Gamal et al. 03]

Linear Dispersion (LD) Code [Hassibi et al. 02]

Introduction

MIMO techniques

Generic iterative receiver

Optimal space-time coding

Application to MC-CDMA

Conclusion

Classification LD code Equivalent representation CAITransmitter

MIMO Channel

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16

LD Code

STC latency:

Input block length:

STC rate:

Introduction

MIMO techniques

Generic iterative receiver

Optimal space-time coding

Application to MC-CDMA

Conclusion

Classification LD code Equivalent representation CAITransmitter

MIMO Channel

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17

Equivalent representation

Joint space-time coding and channel representation

Introduction

MIMO techniques

Generic iterative receiver

Optimal space-time coding

Application to MC-CDMA

Conclusion

Classification LD code Equivalent representation CAITransmitter

MIMO Channel

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18

Special LD Code

Examples

Introduction

MIMO techniques

Generic iterative receiver

Optimal space-time coding

Application to MC-CDMA

Conclusion

Classification LD code Equivalent representation CAITransmitter

MIMO Channel

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19

Solution

s Transmission matrices

s Reception matrices

s Equivalent channel matrix

Introduction

MIMO techniques

Generic iterative receiver

Optimal space-time coding

Application to MC-CDMA

Conclusion

Classification LD code Equivalent representation CAITransmitter

MIMO Channel

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20

Example: Alamouti Code over channel

s Transmission matrices

s Equivalent model

Introduction

MIMO techniques

Generic iterative receiver

Optimal space-time coding

Application to MC-CDMA

Conclusion

Classification LD code Equivalent representation CAITransmitter

MIMO Channel

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21

Co-antenna interference

Desired signal CAI terms Nois

e

CAI terms can be treated like ISI terms (which were due to the frequency selectivity in SISO transmission)

Multi-antenna transmission provides CAI terms

Introduction

MIMO techniques

Generic iterative receiver

Optimal space-time coding

Application to MC-CDMA

Conclusion

Classification LD code Equivalent representation CAITransmitter

MIMO Channel

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22

Part III: Generic iterative receiver

Reception strategies

Principle

MIMO equalizer

Asymptotical analysis

Complexity analysis

Performance results

Introduction

MIMO techniques

Generic iterative receiver

Optimal space-time coding

Application to MC-CDMA

Conclusion

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23

s Optimal solution: joint detectionQ ML detection based on a “super trellis”

s Sub-optimal solution1. Disjoint decoding: MIMO detection channel decoding

a.MAP MIMO detection

b.SIC, OSIC, PIC detection

c.MRC, MMSE, ZF equalization

2. Iterative decoding: MIMO detection channel decoding [Berrou et al. 93]

a.MAP MIMO detection

•[Tonello 00, Boutros et al. 00, Vikalo et al. 02]

b.Filtered based MIMO equalization

•[Sellathurai et al. 00, Gueguen 03, Witzke et al. 03]

Reception state of the art

Relative low complexity

Sub-optimal performance for non-orthogonal STC

High complexity

Near optimal performance

reduced complexity

Near optimal performance

Very high complexity

Optimal performance

Reception strategies

Principle

MIMO equalizer

Asymptotical analysis

Complexity analysis

Performance results

Introduction

MIMO techniques

Generic iterative receiver

Optimal space-time coding

Application to MC-CDMA

Conclusion

Optimal performance for orthogonal STC (Alamouti)

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s Optimal solution: joint detectionQ ML detection based on a “super trellis”

s Sub-optimal solution1. Disjoint decoding: MIMO detection channel decoding

a.MAP MIMO detection

b.SIC, OSIC, PIC detection

c.MRC, MMSE, ZF equalization

2. Iterative decoding: MIMO detection channel decoding [Berrou et al. 93]

a.MAP MIMO detection

•[Tonello 00, Boutros et al. 00, Vikalo et al. 02]

b.Filtered based MIMO equalization

•[Sellathurai et al. 00, Gueguen 03, Witzke et al. 03]

Reception state of the art

Reception strategies

Principle

MIMO equalizer

Asymptotical analysis

Complexity analysis

Performance results

Introduction

MIMO techniques

Generic iterative receiver

Optimal space-time coding

Application to MC-CDMA

Conclusion

reduced complexity

Near optimal performance

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Principle

s Application of the turbo-equalization concept to MIMO

Channel decoding stageMIMO equalization stage

Reception strategies

Principle

MIMO equalizer

Asymptotical analysis

Complexity analysis

Performance results

Introduction

MIMO techniques

Generic iterative receiver

Optimal space-time coding

Application to MC-CDMA

Conclusion

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MIMO equalizer (1)

s MMSE based soft interference cancellation (MMSE-IC)Q [Glavieux et al. 97, Wang et al. 99, Reynolds et al. 01, Tüchler et al. 02,

Laot et al. 05]

s MMSE optimization of both filters

Reception strategies

Principle

MIMO equalizer

Asymptotical analysis

Complexity analysis

Performance results

Introduction

MIMO techniques

Generic iterative receiver

Optimal space-time coding

Application to MC-CDMA

Conclusion

Page 27: Thèse présentée devant l’INSA de Rennes en vue de l’obtention du doctorat d’Électronique

27

MIMO equalizer (2)

s Optimal solution: MMSE-IC

s Time invariant approximation: MMSE-IC(1)

Reception strategies

Principle

MIMO equalizer

Asymptotical analysis

Complexity analysis

Performance results

TNr x TNr matrix inversion

Introduction

MIMO techniques

Generic iterative receiver

Optimal space-time coding

Application to MC-CDMA

Conclusion

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28

MIMO equalizer (3)

s Matched filter approximation: MMSE-IC(2)

s Zero-Forcing solution: ZF-IC

Iteration 1 Iteration p

Iteration 1 Iteration p

Reception strategies

Principle

MIMO equalizer

Asymptotical analysis

Complexity analysis

Performance results

Introduction

MIMO techniques

Generic iterative receiver

Optimal space-time coding

Application to MC-CDMA

Conclusion

Page 29: Thèse présentée devant l’INSA de Rennes en vue de l’obtention du doctorat d’Électronique

29

Complexity analysis (MIMO equalizer)

Proposed iterative receivers provide complexity gain

Reception strategies

Principle

MIMO equalizer

Asymptotical analysis

Complexity analysis

Performance results

Introduction

MIMO techniques

Generic iterative receiver

Optimal space-time coding

Application to MC-CDMA

Conclusion

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Asymptotical analysis

s Asymptotical performances = Genie aided receiver

s Asymptotical equivalent channel

Reception strategies

Principle

MIMO equalizer

Asymptotical analysis

Complexity analysis

Performance results

Introduction

MIMO techniques

Generic iterative receiver

Optimal space-time coding

Application to MC-CDMA

Conclusion

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s Pair-wise error probability

s Chi-square approximation and Chernoff bound

Asymptotical diversity

Reception strategies

Principle

MIMO equalizer

Asymptotical analysis

Complexity analysis

Performance results

Introduction

MIMO techniques

Generic iterative receiver

Optimal space-time coding

Application to MC-CDMA

Conclusion

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Asymptotical diversity

s Proposed definition of the space-time diversity

s Total diversity exploited by both channel and space-time

codingQModified Singleton Bound [Gresset et al. 04]

Full channel diversity can only be achieved by using jointly channel coding and space-time coding

Reception strategies

Principle

MIMO equalizer

Asymptotical analysis

Complexity analysis

Performance results

Introduction

MIMO techniques

Generic iterative receiver

Optimal space-time coding

Application to MC-CDMA

Conclusion

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Performance results: simulation conditions

s Theoretical independent T-Block Rayleigh flat fading MIMO channel

s Non recursive non systematic convolutional code (133,171)o, K=7

s SOVA algorithm for channel decoding

s No spatial correlation

s Normalized BER

s Asymptotical curve: Matched filter Bound (MFB)

s Optimal curve: AWGN decoupled

Receive array gain not taken into account

Genie aided receiver

Min(Nt,Nr) parallel AWGN channels

Reception strategies

Principle

MIMO equalizer

Asymptotical analysis

Complexity analysis

Performance results

Introduction

MIMO techniques

Generic iterative receiver

Optimal space-time coding

Application to MC-CDMA

Conclusion

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Performance results: Jafarkhani code

MFB is reached whichever iterative algorithm is used

0.8 dB gain at 10-4 versus disjoint MAP receiver (state of the art)

Reception strategies

Principle

MIMO equalizer

Asymptotical analysis

Complexity analysis

Performance results

Disjoint decodin

g

Iterative decodin

g

Introduction

MIMO techniques

Generic iterative receiver

Optimal space-time coding

Application to MC-CDMA

Conclusion

5 iterations are sufficient

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Performance results: SDM

MFB is reached only with the MMSE-IC(1) receiver

7 dB gain at 10-4 versus disjoint MMSE receiver

Reception strategies

Principle

MIMO equalizer

Asymptotical analysis

Complexity analysis

Performance results

Disjoint decodin

g

Iterative decodin

g

Introduction

MIMO techniques

Generic iterative receiver

Optimal space-time coding

Application to MC-CDMA

Conclusion

Page 36: Thèse présentée devant l’INSA de Rennes en vue de l’obtention du doctorat d’Électronique

36

Performance results: SDM overloaded

MFB is reached only with the MMSE-IC(1) receiver

The Iterative receiver still converges although the rank of is degenerated

Reception strategies

Principle

MIMO equalizer

Asymptotical analysis

Complexity analysis

Performance results

Disjoint decodin

g

Iterative decodin

g

Introduction

MIMO techniques

Generic iterative receiver

Optimal space-time coding

Application to MC-CDMA

Conclusion

Page 37: Thèse présentée devant l’INSA de Rennes en vue de l’obtention du doctorat d’Électronique

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Synthesis

s Derivation of a MMSE iterative receiver for generic MIMO

transmissionQReduced complexity versus MAP based iterative algorithm

s Asymptotical analysisQProposition of an estimation of the space-time coding diversity

s Simulation resultsQMMSE-IC(1) tends towards the MFB curve whichever space-time coding scheme is used

QMMSE-IC(1) still works in case of rank degenerated channel matrix

QMMSE-IC(2) and ZF-IC converge when CAI terms are quite low and/or for small order modulation

Introduction

MIMO techniques

Generic iterative receiver

Optimal space-time coding

Application to MC-CDMA

Conclusion

Page 38: Thèse présentée devant l’INSA de Rennes en vue de l’obtention du doctorat d’Électronique

38

Part IV: Optimal space-time coding

Optimality conditions DTST coding Performance results

Introduction

MIMO techniques

Generic iterative receiver

Optimal space-time coding

Application to MC-CDMA

Conclusion

Page 39: Thèse présentée devant l’INSA de Rennes en vue de l’obtention du doctorat d’Électronique

39

Optimality conditions

1. Maximizing data rate

2. Maximizing space-time coding diversity

3. Minimizing and

4. Minimizing the non orthogonal terms of

Optimality conditions DTST coding Performance results

Introduction

MIMO techniques

Generic iterative receiver

Optimal space-time coding

Application to MC-CDMA

Conclusion

Page 40: Thèse présentée devant l’INSA de Rennes en vue de l’obtention du doctorat d’Électronique

40

Optimality conditions

1. Maximizing data rate

2. Maximizing space-time coding diversity

3. Minimizing and

4. Minimizing the non orthogonal terms of

Optimality conditions DTST coding Performance results

Introduction

MIMO techniques

Generic iterative receiver

Optimal space-time coding

Application to MC-CDMA

Conclusion

Page 41: Thèse présentée devant l’INSA de Rennes en vue de l’obtention du doctorat d’Électronique

41

Maximizing data rate

s Ergodic Capacity

s High SNR approximation (Foschini et al. 96)

Optimality conditions DTST coding Performance results

Introduction

MIMO techniques

Generic iterative receiver

Optimal space-time coding

Application to MC-CDMA

Conclusion

Page 42: Thèse présentée devant l’INSA de Rennes en vue de l’obtention du doctorat d’Électronique

42

Maximizing the diversity

s Assuming ML detectionQPairwise error probability analysis

QDiversity gain maximization

QTAST [El Gamal et al. 03], FDFR [Ma et al. 03]

s Assuming MMSE-IC receptionQAsymptotical analysis

QSpace-time coding diversity maximization

QSufficient condition: “Along a space-time coded block, each data symbol must be transmitted uniquely by each antenna”

Optimality conditions DTST coding Performance results

Introduction

MIMO techniques

Generic iterative receiver

Optimal space-time coding

Application to MC-CDMA

Conclusion

Page 43: Thèse présentée devant l’INSA de Rennes en vue de l’obtention du doctorat d’Électronique

43

Summary

s Conditions:

s STC construction rule:Q “During Nt symbol durations, min(Nt,Nr) data symbols have to be uniquely transmitted by the Nt antennas”

1

2

3

Optimality conditions DTST coding Performance results

Introduction

MIMO techniques

Generic iterative receiver

Optimal space-time coding

Application to MC-CDMA

Conclusion

Page 44: Thèse présentée devant l’INSA de Rennes en vue de l’obtention du doctorat d’Électronique

44

Diagonal Threaded Space Time (DTST) coding

Optimality conditions DTST coding Performance results

Introduction

MIMO techniques

Generic iterative receiver

Optimal space-time coding

Application to MC-CDMA

Conclusion

Page 45: Thèse présentée devant l’INSA de Rennes en vue de l’obtention du doctorat d’Électronique

45

Example over a channel

Optimal with iterative decoding

Optimality conditions DTST coding Performance results

Introduction

MIMO techniques

Generic iterative receiver

Optimal space-time coding

Application to MC-CDMA

Conclusion

Page 46: Thèse présentée devant l’INSA de Rennes en vue de l’obtention du doctorat d’Électronique

46

Performance results

s 4 transmit antennas and 2 receive antennas

s Channel model: T-block Rayleigh flat fading

s No spatial correlation

s ReceptionQIf S is orthogonal: MRC

QIf S is non orthogonal: MMSE-IC with 5 iterations

s Optimal performance: AWGN decoupledQCorresponds to virtual parallel AWGN channels

Optimality conditions DTST coding Performance results

Introduction

MIMO techniques

Generic iterative receiver

Optimal space-time coding

Application to MC-CDMA

Conclusion

Page 47: Thèse présentée devant l’INSA de Rennes en vue de l’obtention du doctorat d’Électronique

47

System Parameters

Alamouti AS Double Alamouti (DA) Jafarkhani

DTST

Optimality conditions DTST coding Performance results

Introduction

MIMO techniques

Generic iterative receiver

Optimal space-time coding

Application to MC-CDMA

Conclusion

Page 48: Thèse présentée devant l’INSA de Rennes en vue de l’obtention du doctorat d’Électronique

48

Ergodic capacity

Near optimal exploitation for DA and DTST schemes

Optimality conditions DTST coding Performance results

Introduction

MIMO techniques

Generic iterative receiver

Optimal space-time coding

Application to MC-CDMA

Conclusion

Page 49: Thèse présentée devant l’INSA de Rennes en vue de l’obtention du doctorat d’Électronique

49

BER Performance

Best performance achieved with DTST (and DA)

Optimality conditions DTST coding Performance results

2 bps/Hz

Introduction

MIMO techniques

Generic iterative receiver

Optimal space-time coding

Application to MC-CDMA

Conclusion

Page 50: Thèse présentée devant l’INSA de Rennes en vue de l’obtention du doctorat d’Électronique

50

Capacity at BER=10-4

When increasing the spectral efficiency, only the iterative system is able to exploit the MIMO capacity

Optimality conditions DTST coding Performance results

Introduction

MIMO techniques

Generic iterative receiver

Optimal space-time coding

Application to MC-CDMA

Conclusion

Page 51: Thèse présentée devant l’INSA de Rennes en vue de l’obtention du doctorat d’Électronique

51

Synthesis

s Construction criteria of optimal LD code

s DTST codeQ Check the optimality criteria

Q Subset of special linear dispersion code family

Q Generic construction scheme

s Simulation resultsQ DTST codes lead to near optimal exploitation of MIMO capacity

and spatial diversity

Introduction

MIMO techniques

Generic iterative receiver

Optimal space-time coding

Application to MC-CDMA

Conclusion

Page 52: Thèse présentée devant l’INSA de Rennes en vue de l’obtention du doctorat d’Électronique

52

Part V: Application to MC-CDMA

Introduction

MIMO techniques

Generic iterative receiver

Optimal space-time coding

Application to MC-CDMA

Conclusion

MC-CDMA Transmitter Equivalent model

Iterative receiver

Performance results

Page 53: Thèse présentée devant l’INSA de Rennes en vue de l’obtention du doctorat d’Électronique

53

MC-CDMA

s Introduced in 93 [Yee et al. 93, Fazel et al.

93]

s Aim

Qto spread multi-user information in the

frequency domain

s Principle

QCombination of CDMA and OFDM techniques

s Benefits

QRobustness against multi-path channels

QMulti-user flexibility

QLow multi-access interference (MAI) in

downlink scenario

Time

Fre

quen

cy

User 1User 2

MC-CDMA

Introduction

MIMO techniques

Generic iterative receiver

Optimal space-time coding

Application to MC-CDMA

Conclusion

MC-CDMA Transmitter Equivalent model

Iterative receiver

Performance results

Page 54: Thèse présentée devant l’INSA de Rennes en vue de l’obtention du doctorat d’Électronique

54

MIMO MC-CDMA Transmitter

Introduction

MIMO techniques

Generic iterative receiver

Optimal space-time coding

Application to MC-CDMA

Conclusion

MC-CDMA Transmitter Equivalent model

Iterative receiver

Performance results

Page 55: Thèse présentée devant l’INSA de Rennes en vue de l’obtention du doctorat d’Électronique

55

s Equivalent channel matrix

s Receive signal

s Receiver algorithmQ Since S’ is a special LD code, proposed MMSE-IC receiver

can be used

Equivalent model

Desired signal MAI + CAI

termsnoise

Introduction

MIMO techniques

Generic iterative receiver

Optimal space-time coding

Application to MC-CDMA

Conclusion

MC-CDMA Transmitter Equivalent model

Iterative receiver

Performance results

Page 56: Thèse présentée devant l’INSA de Rennes en vue de l’obtention du doctorat d’Électronique

56

s MMSE-IC (1) solution

s Full load approximation

Multi-user iterative receiver

Nu x Nu matrix inversion

TNr x TNr matrix inversions

Introduction

MIMO techniques

Generic iterative receiver

Optimal space-time coding

Application to MC-CDMA

Conclusion

MC-CDMA Transmitter Equivalent model

Iterative receiver

Performance results

Complexity of the equalization stage equivalent to the OFDM case

multi-user complexity: each user must be channel decoded

Page 57: Thèse présentée devant l’INSA de Rennes en vue de l’obtention du doctorat d’Électronique

57

Performance results: 4x2 Bran E channel

s Bran E models Transmission parameters specified by the IST 4 MORE project for DL

transmission

Bit Interleaving depth 512/user for QPSK

1024/user for 16-QAM

FFT size 1024

Nc 695

CP size 256 samples

W 41.7 MHz

Fo 5 GHz

Velocity 16.6 m/s

Number of taps 12

Fs 50 MHz

No spatial correlation

Introduction

MIMO techniques

Generic iterative receiver

Optimal space-time coding

Application to MC-CDMA

Conclusion

MC-CDMA Transmitter Equivalent model

Iterative receiver

Performance results

Page 58: Thèse présentée devant l’INSA de Rennes en vue de l’obtention du doctorat d’Électronique

58

s DA code s Alamouti AS

CAI + MAI terms MAI terms

Multi user MMSE-IC receiver Single user MMSE

receiver

Introduction

MIMO techniques

Generic iterative receiver

Optimal space-time coding

Application to MC-CDMA

Conclusion

MC-CDMA Transmitter Equivalent model

Iterative receiver

Performance results

Performance results: 4x2 Bran E channel

Page 59: Thèse présentée devant l’INSA de Rennes en vue de l’obtention du doctorat d’Électronique

59

DA + iterative receiver

Alamouti AS + SU MMSE receiver

Rayleigh

Bran E

Rayleigh

Bran E

Small degradation compared to Rayleigh i.i.d. channel

DA code outperforms Alamouti code

Perfect channel estimation

Introduction

MIMO techniques

Generic iterative receiver

Optimal space-time coding

Application to MC-CDMA

Conclusion

MC-CDMA Transmitter Equivalent model

Iterative receiver

Performance results

Performance results: 4x2 Bran E channel

Page 60: Thèse présentée devant l’INSA de Rennes en vue de l’obtention du doctorat d’Électronique

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~ same impact whichever receiver is used

DA code still outperforms Alamouti AS code

Imperfect channel estimation:

Basic pilots aided algorithm with 1D interpolation (16% of pilots)

2.1 dB 1.9 dB

Introduction

MIMO techniques

Generic iterative receiver

Optimal space-time coding

Application to MC-CDMA

Conclusion

MC-CDMA Transmitter Equivalent model

Iterative receiver

Performance results

Performance results: 4x2 Bran E channel

Page 61: Thèse présentée devant l’INSA de Rennes en vue de l’obtention du doctorat d’Électronique

61

Synthesis

s MIMO MC-CDMA systems with iterative decodingQ Exploitation of MC-CDMA advantages and MIMO capacity

Q Multi-user algorithm complexity (each user must be individually decoded)

Q Equalization stage based on linear filters

Q Near-optimal performance no matter what the load

s Application to realistic channelsQ Small degradation compared to theoretical channel

Q Impact of channel estimation is satisfactory

Introduction

MIMO techniques

Generic iterative receiver

Optimal space-time coding

Application to MC-CDMA

Conclusion

Page 62: Thèse présentée devant l’INSA de Rennes en vue de l’obtention du doctorat d’Électronique

62

Part VII: Conclusion

Introduction

MIMO techniques

Generic iterative receiver

Optimal space-time coding

Application to MC-CDMA

Conclusion

Major contributions Future prospectsGeneral conclusion Publications and patents

Page 63: Thèse présentée devant l’INSA de Rennes en vue de l’obtention du doctorat d’Électronique

63

General conclusion

s MIMO capacity can be efficiently exploited by iterative

processing

s MMSE-IC based solutions lead to low complexity

algorithm (especially comparing to MAP based

solution)QHigh order modulations are suitable

QHigh number of antennas can be considered

s MMSE-IC receiver can be derived for MC-CDMA

transmission

s The behavior of MMSE-IC receiver over realistic

channel including channel estimation is satisfactory

Introduction

MIMO techniques

Generic iterative receiver

Optimal space-time coding

Application to MC-CDMA

Conclusion

Major contributions Future prospectsGeneral conclusion Publications and patents

Page 64: Thèse présentée devant l’INSA de Rennes en vue de l’obtention du doctorat d’Électronique

64

Major contributions

s Proposition and analysis of a MIMO iterative receiver QGeneric structure

QReduced complexity algorithms

QTheoretical analysis (complexity and asymptotical behavior)

s Proposition of new optimal LD codesQDTST

s Application of iterative reception QMC-CDMA

QLinear precoding

s Performance results QTheoretical channels

QRealistic channels (channel estimation and spatial correlation)

Introduction

MIMO techniques

Generic iterative receiver

Optimal space-time coding

Application to MC-CDMA

Conclusion

Major contributions Future prospectsGeneral conclusion Publications and patents

Page 65: Thèse présentée devant l’INSA de Rennes en vue de l’obtention du doctorat d’Électronique

65

Future prospects

s Iterative channel estimationQJoint channel estimation and decoding

s Turbo-codes instead of convolutional codes as channel

codingQMulti-loop iterative scheme

s Real channelsQRealistic spatial correlation model

s Application to OFDMA

s Implementation issues

Introduction

MIMO techniques

Generic iterative receiver

Optimal space-time coding

Application to MC-CDMA

Conclusion

Major contributions Future prospectsGeneral conclusion Publications and patents

Page 66: Thèse présentée devant l’INSA de Rennes en vue de l’obtention du doctorat d’Électronique

66

Publications and patents

s International ConferenceQP-J. Bouvet and M. Hélard, «Near optimal performance for high data rate MIMO MC-CDMA scheme», MC-SS 05

QB. Le Saux, M. Hélard and P-J. Bouvet, « Comparison of coherent and non-coherent space time schemes for frequency selective fast-varying channels », IEEE ISWCS 05

QP-J. Bouvet, M. Hélard and V. Le Nir, «Low complexity iterative receiver for linear precoded OFDM», IEEE WiMob 05

QP-J. Bouvet and M. Hélard, «Efficient iterative receiver for spatial multiplexed OFDM system over time and frequency selective channels», WWC 05

QP-J. Bouvet, M. Hélard and V. Le Nir, «Low complexity iterative receiver for non-orthogonal space-time block code with channel coding», IEEE VTC Fall 04

QP-J. Bouvet, V. Le Nir, M. Hélard and R. Le Gouable, «Spatial multiplexed coded MC-CDMA with iterative receiver» IEEE PIMRC 04

Introduction

MIMO techniques

Generic iterative receiver

Optimal space-time coding

Application to MC-CDMA

Conclusion

Major contributions Future prospectsGeneral conclusion Publications and patents

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Publications and patents

s International Conference (cont’d)QP-J. Bouvet, M. Hélard and V. Le Nir, «Low complexity iterative receiver for linear precoded MIMO systems», IEEE ISSSTA 04

QM. Hélard, P-J. Bouvet, C. Langlais, Y. M. Morgan and I. Siaud, «On the performance of a Turbo Equalizer including Blind Equalizer over Time and Frequency Selective Channel. Comparison with an OFDM system», Symposium Turbo 03

QC. Langlais, P-J. Bouvet, M. Hélard and C. Laot, «Which Interleaver for turbo-equalization system on frequency and time selective channels for high order modulations ? », IEEE SPAWC 03

s National conferenceQB. Le Saux, M. Hélard and P.-J Bouvet, «Comparaison de technique MIMO cohérents et non-cohérentes sur canal rapide sélectif en fréquence», MajeSTIC 05

Introduction

MIMO techniques

Generic iterative receiver

Optimal space-time coding

Application to MC-CDMA

Conclusion

Major contributions Future prospectsGeneral conclusion Publications and patents

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Publications and patents

s PatentsQP-J Bouvet and M. Hélard, « Procédé d’émission d’un signal ayant subi un précodage linéaire, procédé de réception, signal, dispositifs et programmes d’ordinateur correspondant », Nov. 05

QJ-P. Javaudin and P-J. Bouvet, «Procédé de codage d'un signal multiporteuse de type OFDM/OQAM utilisant des symboles à valeurs complexes, signal, dispositifs et programmes d'ordinateur correspondants», May 05

QJ-P. Javaudin and P-J. Bouvet, «Procédé de décodage itératif d'un signal OFDM/OQAM utilisant des symboles à valeurs complexes, dispositif et programme d'ordinateur correspondants», May 05

QP-J. Bouvet and M. Hélard, «Procédé de réception itératif d'un signal multiporteuse à annulation d'interférence, récepteur et programme d'ordinateur correspondants», March 05

Introduction

MIMO techniques

Generic iterative receiver

Optimal space-time coding

Application to MC-CDMA

Conclusion

Major contributions Future prospectsGeneral conclusion Publications and patents

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Publications and patents

s Patents (cont’d)QP-J. Bouvet, M. Hélard and V. Le Nir, « Procédé de réception itératif pour système de type MIMO, récepteur et programme d'ordinateur correspondants », Nov. 04

QP-J. Bouvet, V. Le Nir and M. Hélard, « Procédé de réception d'un signal ayant subi un précodage linéaire et un codage de canal, dispositif de réception et produit programme d'ordinateur correspondants », Jun. 04

QM. Hélard, P-J. Bouvet, V. Le Nir and R. Le Gouable, « Procédé de décodage d'un signal codé à l'aide d'une matrice espace-temps, récepteur et procédé de codage et décodage correspondant », Sept. 03

Introduction

MIMO techniques

Generic iterative receiver

Optimal space-time coding

Application to MC-CDMA

Conclusion

Major contributions Future prospectsGeneral conclusion Publications and patents

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Questions

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