University of Oulu

Space-time constellation and precoder design under channel estimation errors

Saved in:
Author: Yadav, Animesh
Organizations: University of Oulu Graduate School
University of Oulu, Faculty of Technology, Department of Communications Engineering
University of Oulu, Faculty of Technology, Centre for Wireless Communications
University of Oulu, Infotech Oulu
Format: eBook
Online Access: PDF Full Text (PDF, 1.4 MB)
Persistent link: http://urn.fi/urn:isbn:9789526202143
Language: English
Published: Oulu : University of Oulu, 2013
Publish Date: 2013-10-08
Thesis type: Doctoral Dissertation
Defence Note: Academic dissertation to be presented with the assent of the Doctoral Training Committee of Technology and Natural Sciences of the University of Oulu for public defence in Kuusamonsali (Auditorium YB210), Linnanmaa, on 18 October 2013, at 12 noon
Tutor: Professor Markku Juntti
Docent Jorma Lilleberg
Reviewer: Professor Mikael Skoglund
Professor Hamid Jafarkhani
Opponent: Professor Risto Wichman
Description:

Abstract

Multiple-input multiple-output transmitted signal design for the partially coherent Rayleigh fading channels with discrete inputs under a given average transmit power constraint is consider in this thesis. The objective is to design the space-time constellations and linear precoders to adapt to the degradation caused by the imperfect channel estimation at the receiver and the transmit-receive antenna correlation. The system is partially coherent so that the multiple-input multiple-output channel coefficients are estimated at the receiver and its error covariance matrix is fed back to the transmitter.

Two constellation design criteria, one for the single and another for the multiple transmit antennae are proposed. An upper bound on the average bit error probability for the single transmit antenna and cutoff rate, i.e., a lower bound on the mutual information, for multiple transmit antennae are derived. Both criteria are functions of channel estimation error covariance matrix. The designed constellations are called as partially coherent constellation. Additionally, to use the resulting constellations together with forward error control codes requires efficient bit mapping schemes. Because these constellations lack geometrical symmetry in general, the Gray mapping is not always possible in the majority of the constellations obtained.

Moreover, different mapping schemes may lead to highly different bit error rate performances. Thus, an efficient bit mapping algorithm called the modified binary switching algorithm is proposed. It minimizes an upper bound on the average bit error probability. It is shown through computer simulations that the designed partially coherent constellation and their optimized bit mapping algorithm together with turbo codes outperform the conventional constellations.

Linear precoder design was also considered as a simpler, suboptimal alternative. The cutoff rate expression is again used as a criterion to design the linear precoder. A linear precoder is obtained by numerically maximizing the cutoff rate with respect to the precoder matrix with a given average transmit power constraint. Furthermore, the precoder matrix is decomposed using singular-value-decomposition into the input shaping, power loading, and beamforming matrices. The beamforming matrix is found to coincide with the eigenvectors of the transmit correlation matrix. The power loading and input shaping matrices are solved numerically using the difference of convex functions programming algorithm and optimization under the unitary constraint, respectively. Computer simulations show that the performance gains of the designed precoders are significant compared to the cutoff rate optimized partially coherent constellations without precoding.


Tiivistelmä

Väitöskirjassa tarkastellaan lähetyssignaalien suunnittelua osittain koherenteissa Rayleigh-häipyvissä kanavissa toimiviin monitulo-monilähtöjärjestelmiin (MIMO). Lähettimen keskimääräinen lähetysteho oletetaan rajoitetuksi ja lähetyssignaali diskreetiksi. Tavoitteena on suunnitella tila-aikakonstellaatioita ja lineaarisia esikoodereita jotka mukautuvat epätäydellisen kanavaestimoinnin aiheuttamaan suorituskyvyn heikkenemiseen sekä lähetin- ja vastaanotinantennien väliseen korrelaatioon. Tarkasteltavien järjestelmien osittainen koherenttisuus tarkoittaa sitä, että MIMO-kanavan kanavakertoimet estimoidaan vastaanottimessa, josta niiden virhekovarianssimatriisi lähetetään lähettimelle.

Työssä esitetään kaksi konstellaatiosuunnittelukriteeriä, toinen yhdelle lähetinantennille ja toinen moniantennilähettimelle. Molemmat kriteerit ovat kanavan estimaatiovirheen kovarianssimatriisin funktioita. Työssä johdetaan yläraja keskimääräiselle bittivirhetodennäköisyydelle yhden lähetinantennin tapauksessa sekä rajanopeus (cutoff rate), joka on alaraja keskinäisinformaatiolle, usean lähetinantennin tapauksessa. Konstellaatioiden käyttö yhdessä virheenkorjauskoodien kanssa edellyttää tehokaita menetelmiä, joilla bitit kuvataan konstellaatiopisteisiin. Koska tarvittavat konstellaatiot eivät ole tyypillisesti geometrisesti symmetrisiä, Gray-kuvaus ei ole yleensä mahdollinen.Lisäksi erilaiset kuvausmenetelmät voivat johtaa täysin erilaisiin bittivirhesuhteisiin. Tästä johtuen työssä esitetään uusi kuvausalgoritmi (modified bit switching algorithm), joka minimoi keskimääräisen bittivirhetodennäköisyyden ylärajan. Simulointitulokset osoittavat, että työssä kehitetyt konstellaatiot antavat paremman suorituskyvyn turbokoodatuissa järjestelmissä kuin perinteiset konstellaatiot.

Työssä tarkastellaan myös lineaarista esikoodausta yksinkertaisena, alioptimaalisena vaihtoehtona uusille konstellaatioille. Esikoodauksen suunnittelussa käytetään samaa kriteeriä kuin konstellaatioiden kehityksessä eli rajanopeutta. Lineaarinen esikooderi löydetään numeerisesti maksimoimalla rajanopeus kun rajoitusehtona on lähetysteho. Esikoodausmatriisi hajotetaan singulaariarvohajotelmaa käyttäen esisuodatus, tehoallokaatio ja keilanmuodostusmatriiseiksi, jonka havaitaan vastaavan lähetyskorrelaatiomatriisin ominaisvektoreita. Tehoallokaatiomatriisi ratkaistaan numeerisesti käyttäen difference of convex functions -optimointia ja esisuodatusmatriisi optimoinnilla unitaarista rajoitusehtoa käyttäen. Simulaatiotulokset osoittavat uusien esikoodereiden tarjoavan merkittävän suorituskykyedun sellaisiin rajanopeusoptimoituihin osittain koherentteihin konstellaatioihin nähden, jotka eivät käytä esikoodausta.


Series: Acta Universitatis Ouluensis. C, Technica
ISSN: 0355-3213
ISSN-E: 1796-2226
ISSN-L: 0355-3213
ISBN: 978-952-62-0214-3
ISBN Print: 978-952-62-0213-6
Issue: 465
Subjects:
Copyright information: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for your own personal use. Commercial use is prohibited.