University of Oulu

Detection algorithms and FPGA implementations for SC-FDMA uplink receivers

Saved in:
Author: Hänninen, Tuomo1,2,3
Organizations: 1University of Oulu Graduate School
2University of Oulu, Faculty of Information Technology and Electrical Engineering
3Centre for Wireless Communications
Format: ebook
Version: published version
Persistent link: http://urn.fi/urn:isbn:9789526219691
Language: English
Published: Oulu : University of Oulu, 2018
Publish Date: 2018-06-30
Thesis type: Doctoral Dissertation
Defence Note: Academic dissertation to be presented with the assent of the Doctoral Training Committee of Information Technology and Electrical Engineering of the University of Oulu for public defence in the OP auditorium (L10), Linnanmaa, on 10 July 2018, at 12 noon
Tutor: Professor Markku Juntti
Reviewer: Professor Kapil Dandekar
Doctor John McAllister
Opponent: Professor Jarmo Takala
Description:

Abstract

The demand in mobile broadband communications is increasing dramatically. It is expected that 1000 times more mobile-network capacity will be needed within 10 years. Multiple-input, multiple-output (MIMO) antenna configuration and spatial multiplexing are among the essential techniques for reaching the targets. This creates motivation for study of advanced receivers for combating inter-antenna interference (IAI) and inter-symbol interference (ISI). While various receiver structures have been extensively considered for MIMO receivers, the emphasis has been on those operating in downlink orthogonal frequency-division multiple access (OFDM) systems, wherein ISI is not a problem.

Advanced receiver structures for single-carrier frequency-division multiple access (SC-FDMA) uplink systems were studied and analysed. Various receivers were compared via MATLAB simulations, with the objective being to gain solid understanding of how they perform in different channel environments. An efficient combination of IAI and ISI equalisation for SC-FDMA receivers is proposed. The proposed receiver architecture is shown to be a considerable improvement over the conventional linear minimum mean-square error (LMMSE) receiver. Several MIMO detector algorithms and their performance–complexity characteristics are presented. The K-best algorithm with a list size of 8 is shown to be the best option for practical MIMO detector implementation of this receiver in the 4x4 MIMO 64-level quadrature amplitude modulation (QAM) scenario.

The second objective involved examining the implementation aspects of the 8-best receiver to achieve good understanding of the complexity of various implementation architectures. It emerged that avoiding the sorting operation in the 8-best list sphere detector (LSD) tree-search algorithm implementation is not recommendable in the 4x4 MIMO 64-QAM scenario. Several field-programmable gate array (FPGA) implementations were carried out, with a range of high-level synthesis (HLS) tools. It is shown that HLS tools have improved significantly and are especially favourable for prototyping of large designs. Additionally, the importance of FPGA technology selection is addressed. Smaller silicon technology should be exploited if base-station baseband processing power consumption is to be minimised. The potential performance or complexity-related gain with the latest FPGAs should be taken into account in comparison of the performance–complexity characteristics of the algorithms. Differences of a few tens of per cent in estimated complexity or performance between two algorithms are often below the threshold of what can be gained or lost in the practical implementation process.

see all

Tiivistelmä

Tiheään asuttujen kaupunkien uudet langattomat palvelut tarvitsevat tietoliikenneverkkoja, jotka mahdollistavat suuremman tiedonsiirtonopeuden ja kapasiteetin kuin sen, jonka nykyiset mobiiliverkot voivat tarjota. On arveltu, että mobiiliverkkojen kapasiteetin tarve tuhatkertaistuu seuraavan kymmenen vuoden aikana. Tuhatkertainen kapasiteetti on arvioitu saavutettavan kasvattamalla kolmea eri osa-aluetta kymmenkertaiseksi: taajuusspektrin määrä, spektrin käytön tehokkuus sekä tukiasematiheys. Tämä väitöskirja keskittyy spektrin käytön tehokkuuden kasvattamiseen. Moniantennitoteutus (multiple-input multiple-output, MIMO) on siinä välttämätön. MIMO-tekniikkaa hyödyntävien solukkojärjestelmien tukiasemavastaanottimissa tarvitaan melko monimutkainen kanavakorjain sekä ilmaisin, joiden algoritmien optimointi ja toteutus ymmärretään vielä sangen puutteellisesti.

Väitöskirjatutkimuksen päätavoitteena on tutkia edistyksellisiä vastaanotinrakenteita, joilla saavutetaan LTE-A-standardin tavoitetiedonsiirtonopeus kohtuullisella kompleksisuudella. Työssä keskitytään ns. nousevaan siirtosuuntaan (uplink) eli päätelaitteesta tukiasemaan tapahtuvaan tiedonsiirtoon, jossa käytetään yhden kantoaallon taajuusjakomonikäyttötekniikkaa (single-carrier frequency-division multiple-access, SC-FDMA) ortognaalisen taajuusjakomonikäytön (orthogonal frequency division multiple access, OFDMA) sijaan. Eri vastaanotinrakenteita ja näiden ilmaisinalgoritmeja vertaillaan tietokonesimuloinnein MATLAB-ympäristössä. Väitöskirjassa ehdotetaan kaksiosaista vastaanotinrakennetta, jossa antennien välinen keskinäishäiriö (inter antenna interference, IAI) ja symbolien välinen keskinäisvaikutus (intersymbol interference, ISI) poistetaan kahdessa eri vaiheessa. Tietokoneimulaatiot osoittavat ko. rakenteen parantavan suorituskykyä huomattavasti perinteiseen lineaariseen keskineliövirheen minimoivaan (linear minimum mean square error, LMMSE) vastaanottimeen verrattuna. Nk. K parasta polkua valitsevan MIMO-ilmaisinalgoritmin listan koolla kahdeksan todetaan tarjoavan 4x4 MIMO 64-tasoisen kvadratuuriamplitudimodulaation (quadrature amplitude modulation, QAM) ympäristössä parhaan kompromissin suorituskyvyn ja kompleksisuuden suhteen.

Käytännön toteutettavuuden kannalta keskitytään ohjelmoitavaan digitaalipiiritoteutukseen (field-programmable gate array, FGPA) ja ns. korkean tason synteesi (high-level synthesis, HLS) -työkalujen käyttöön vastaanottimen suunnittelussa. K parasta polkua valitsevan MIMO-ilmaisinalgoritmin arkkitehtuurivertailut osoittavat, että sinänsä vaativaa lajittelualgoritmia ei aina kannata yrittää välttää kirjallisuudessa aikaisemmin ehdotetulla ratkaisulla. Useita eri HLS työkaluja käytetään FPGA toteutuksissa ja todetaan että työkalut ovat kehittyneet huomattavasti viimeisen kahdeksan vuoden aikana. Lisäksi todetaan, että 16 nm viivanleveyden piireillä voidaan saavuttaa noin 15 % suurempi ilmaisunopeus ja 60 % pienempi tehonkulutus verrattuna 28 nm viivanleveyttä käyttäviin piireihin. Erityisesti potentiaali tehonkulutuksen minimoiseksi kannattaa hyödyntää, mikäli signaalinkäsittely näyttelee merkittävää roolia vastaanottimen kokonaistehonkulutuksessa. Kokonaisuutena todetaan, että toteutukseen liittyvät valinnat sekä vaikutus lopputulokseen, tulisi ottaa huomioon jo algoritmien valinnassa. Pieni ero kahden eri algoritmin suorituskyvyn välillä häviää helposti toteutusvaiheen ratkaisujen vaikutusten alle.

see all

Series: Acta Universitatis Ouluensis. C, Technica
ISSN: 0355-3213
ISSN-E: 1796-2226
ISSN-L: 0355-3213
ISBN: 978-952-62-1969-1
ISBN Print: 978-952-62-1968-4
Issue: 667
Subjects:
HLS
LTE