Search

Multiple-input multiple-output (MIMO) techniques have been adopted since the third generation (3G) wireless communication standard to increase the spectral efficiency, data rate and reliability. The blessings of MIMO technologies for the baseband transceiver comes with the price of added complexity. Therefore, research on VLSI architectures for MIMO signal processing has generated a lot of interest over the past two decades. The advent of massive MIMO as a key technology for the fifth generation (5G) era also increased the interest in VLSI architectures related to MIMO communication research. In this thesis, we explored different VLSI architectures for MIMO detection and precoding algorithms. The detection and precoding are the most complex parts of a MIMO baseband transceiver. We focused on algorithm and architecture optimization and presented several VLSI architectures for MIMO detection and precoding. The thesis proposed an application specific instruction-set processor (ASIP) for a multimode small-scale MIMO detector. In a single design the detector supports minimum mean-square error (MMSE), selective spanning with fast enumeration (SSFE) and list sphere detection (LSD). In addition, a multiprocessor architecture is proposed in this thesis for a lattice reduction (LR) algorithm. A modified Lenstra-Lenstra-Lovasz (LLL) algorithm is proposed for LR to reduce the complexity of the original LLL algorithm. We also propose a massive MIMO detection algorithm based on alternating direction method of multipliers (ADMM). The algorithm is referred to as ADMM based infinity norm (ADMIN) constrained equalization. The ADMIN detection algorithm is implemented as an application-specific integrated circuit (ASIC) and for field programmable gate array (FPGA). A multimode precoder ASIP is also proposed in this thesis. In a single design, the ASIP supports norm-based scheduling, QR-decomposition, MMSE precoding and dirty paper coding (DPC) based precoding. Tiivistelmä Moni-tulo moni-lähtö (MIMO) -tekniikoita on sopeutettu kolmannen sukupolven (3G) langattomasta viestintästandardista alkaen spektritehokkuuden, tiedonsiirtonopeuden ja luotettavuuden parantamiseksi. MIMO-teknologioilla on useita hyviä puolia suhteessa peruskaistan vastaanottimeen, mutta samalla monimutkaisuus on lisääntynyt. VLSI-arkkitehtuurien tutkimus MIMO-signaalinkäsittelyssä on sen vuoksi herättänyt paljon kiinnostusta viimeisen kahden vuosikymmenen aikana. Myös MIMO:n saavuttama asema viidennen sukupolven (5G) viestintästandardin pääteknologiana on lisännyt kiinnostusta VLSI-arkkitehtuureihin MIMO-viestinnän tutkimuksessa. Tässä tutkielmassa on tutkittu erilaisia VLSI-arkkitehtuureja MIMO-signaalien tunnistus- ja esikoodausalgoritmeissa. Signaalien tunnistus ja esikoodaus ovat peruskaistaa käyttävän MIMO-vastaanottimen monimutkaisimmat osa-alueet. Tutkielmassa on keskitytty algoritmien ja arkkitehtuurien optimointiin ja esitetty useita VLSI-arkkitehtuureja MIMO-signaalien tunnistusta ja esikoodausta varten. Tutkielmassa on ehdotettu sovelluskohtaisen prosessorin (Application Specific Instruction-set Processor eli ASIP) käyttä pienen mittakaavan monimuotodetektorissa. Detektorin rakenne tukee samanaikaisesti keskineliöpoikkeaman minimointia (MMSE), SSFE (Selective Spanning with Fast Enumeration) -algoritmia ja LSD (List Sphere Detection) -algoritmia. Lisäksi tässä tutkielmassa ehdotetaan monisuoritinarkkitehtuuria hilan redusointialgoritmille (Lattice Reduction eli LR). LR-algoritmia varten ehdotetaan muokattua Lenstra-Lenstra-Lovasz (LLL) -algoritmia vähentämään alkuperäisen LLL-algoritmin monimutkaisuutta. Lisäksi MIMO-signaalien tunnistusalgoritmin perustaksi ehdotetaan vuorottelevaa kertoimien suuntaustapaa Alternating Direction Method of Multipliers eli ADMM). ADMM-perustaisesta taajuusvasteen rajoitetusta ääretön-normi-korjauksesta (infinity norm constrained equalization) käytetään nimitystä ADMIN-algoritmi. ADMIN-tunnistusalgoritmi toteutetaan sovelluskohtaisena integroituna piirinä (Application-Specific Integrated Circuit eli ASIC) ohjelmoitavaa porttimatriisia (Field Programmable Gate Array eli FPGA) varten. Lisäksi ehdotetaan ASIP-monimuotoesikooderin käyttöä. ASIP-esikooderin rakenne tukee normiperustaista aikataulutusta, QR-hajotelmaa, MMSE-esikoodausta ja likaisen paperin koodaukseen (Dirty Paper Coding eli DPC) perustuvaa esikoodausta.

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. 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.

Future wireless systems will require high data rate with low transmit and processing power consumption. A combination of multiple-input multiple-output (MIMO) transmission with orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) is a promising approach for offering better performance in terms of the capacity and quality of service (QoS). The detector in the wireless receiver is one of the highest power consuming parts. In order to minimize the power consumption, it is desirable for the detector to be able to change the detection algorithm to suit the channel conditions. In this thesis work, we study the suitability of different MIMO detection algorithms for adaptive operation. The selective spanning with fast enumeration (SSFE), K-best list sphere detector (LSD), linear minimum mean square error (LMMSE), and successive interference cancellation (SIC) detectors are compared to each other in terms of communications performance in the 4 × 4 and 8 × 8 MIMO–OFDM systems. The impact of least squares (LS) and minimum mean square error (MMSE) channel estimation methods, mobile speed, and transmit precoding at the base station on detector algorithm selection is also considered. The SIC detector is shown to suffer from error propagation in poor channel conditions. The SSFE detector is unable to outperform the K-best LSD and is occasionally outperformed by the LMMSE detector. The LMMSE detector is able to outperform the K-best LSD on the low signal-to-noise (SNR) regime when the mobile speed is high and the spatial channel correlation is low or moderate; it is also found to be more robust against channel estimation errors. Because a realistic adaptive detector is expected to support only two detection algorithms, the K-best LSD and LMMSE are selected based on the performance results for application specific integrated circuit (ASIC) architecture design and further comparison. The chosen algorithms are evaluated by considering the performance and implementation results. The K-best LSD provides good performance under challenging channel conditions with the cost of high complexity and power consumption. The LMMSE detector is energy efficient but performs poorly in correlated channels. However, exceptions exist, and detailed results on when to use a simple detector and when to use a complex detector are provided. Tiivistelmä Tulevaisuuden langattomat tietoliikennejärjestelmät edellyttävät suurta datanopeutta ja vähäistä tehonkulutusta datan lähetyksessä ja käsittelyssä. Monitulo-monilähtötekniikan (MIMO) ja monikantoaaltomoduloinnin (OFDM) yhdistelmä (MIMO–OFDM) on lupaava lähestymistapa hyvän suorituskyvyn saavuttamiseksi, sekä kapasiteetin että luotettavuuden kannalta. Yksi langattoman vastaanottimen eniten tehoa kuluttavista osista on ilmaisin. Tehonkulutuksen minimoimiseksi tulisi ilmaisimen pystyä vaihtamaan ilmaisinalgoritmia radiokanavan olosuhteisiin sopivaksi. Tässä väitöskirjatyössä tarkastellaan erilaisten MIMO-ilmaisinalgoritmien sopivuutta mukautuvaan ilmaisuun. Listapalloilmaisimen (list sphere detector, LSD), valikoivan laajennuksen listailmaisimen (selective spanning with fast enumeration, SSFE), lineaarisen pienimmän keskineliövirheen ilmaisimen (linear minimum mean square error, LMMSE) ja peräkkäisen häiriönpoistoilmaisimen (successive interference cancellation, SIC) suorituskykyjä verrataan toisiinsa sekä 4 × 4 että 8 × 8 MIMO–OFDM järjestelmissä. Pienimmän neliösumman (LS) ja pienimmän keskineliövirheen (MMSE) kanavaestimointialgoritmien, vastaanottimen nopeuden ja lähetyksen esikoodauksen vaikutus ilmaisinalgoritmin valintaan otetaan huomioon vertailussa. Haastavissa kanavaolosuhteissa SIC-ilmaisin kärsii virheen etenemisestä. SSFE-ilmaisimen suorituskyky on huonompi kuin K-best LSD-ilmaisimen, ja joissakin tilanteissa huonompi kuin LMMSE-ilmaisimen. LMMSE-ilmaisin pystyy parempaan suorituskykyyn kuin K-best LSD-ilmaisin kun signaali-kohinasuhde (SNR) on pieni, vastaanottimen nopeus on suuri ja radiokanavan korrelaatio on matala tai kohtalainen. LMMSE-ilmaisin myös kestää epätarkat kanavaestimaatit paremmin kuin LSD-ilmaisin. Realistisessa vastaanottimessa mukautuva ilmaisin tukee vain kahta ilmaisinalgoritmia, ja sen takia K-best LSD and LMMSE-ilmaisimet valittiin suorituskykytulosten perusteella toteutettaviksi ASIC-teknologialla. Valittuja ilmaisinalgoritmeja arvioidaan sekä suorituskyvyn että toteutustulosten perusteella. K-best LSD-ilmaisimella on hyvä suorituskyky haastavissa kanavaolosuhteissa, mutta toteutus on monimutkainen ja tehonkulutus korkea. LMMSE-ilmaisin on energiatehokas, mutta suorituskyky on huono korreloivissa kanavissa. Poikkeuksia näihin tilanteisiin kuitenkin esiintyy, ja työssä esitetään suositus milloin yksinkertaista ilmaisinta voidaan käyttää tehonkulutuksen minimoimiseksi ja milloin taas monimutkainen ilmaisin on välttämätön luotettavan tiedonsiirron takaamiseksi.

This thesis seeks to develop a robust semi-analytical performance prediction method for an advanced iterative receiver that processes spatially multiplexed signals that have propagated through frequency-selective receive correlated multiple-input multiple-output (MIMO) wireless communication channels. In a change of perspective, the proposed performance prediction methods are applied at the transmitter, which seeks to attain a target frame error rate (FER) either by adaptive power control or by adaptive modulation and coding (AMC). The performance prediction scheme utilises the statistical properties of the channel—namely noise variance, number of separable propagation paths and the eigenvalues of the receive correlation matrix—to predict the signal-to-interference-plus-noise ratio (SINR) at the output of a frequency domain soft interference cancellation minimum mean square error equaliser. The SINR distribution is used to derive the distribution of the variance of the log-likelihood ratios (LLRs) at the output of a soft symbol-to-bit demapper. Mutual information transfer charts establish a bijective relationship between the variance of the LLRs and mutual information. A 3rd Generation Partnership Project compliant turbo code is assumed. Since the decoder operates independently from the channel, its extrinsic information transfer (EXIT) charts can be simulated in advance. By utilising the approximate LLR variance distribution of the demapped equaliser output, it is possible to evaluate the probability of an intersection between an equaliser chart associated with a random channel realisation and a fixed decoder chart. This probability provides the FER. Since the proposed performance prediction method does not require any instantaneous channel state information, it can be applied at the transmitter side as a robust link adaptation scheme. In adaptive transmission power control, the modulation order and code rate are fixed. By iteratively adjusting transmission power, the transmitter attempts to find an equaliser output LLR variance distribution that reaches a specified target FER. In AMC, transmission power is fixed. The equaliser output’s LLR variance distribution is determined by the modulation order, while the decoder chart’s position is determined by the code rate. The transmitter iteratively adjusts the code rate and attempts to find a modulation order and code rate pairing that reaches the target FER. For vertically encoded spatially multiplexed systems, the adaptive transmission power control and AMC schemes are complemented by adaptive repeat redundancy and incremental redundancy hybrid automatic repeat request (HARQ) techniques, respectively. Tiivistelmä Työn tavoitteena on kehittää luotettava semianalyyttinen suorituskyvyn ennustusmenetelmä tehokkaalle iteratiiviselle vastaanottimelle, joka käsittelee taajuusselektiivisen, vastaanotinpäässä tilakorreloituneen moniantennikanavan kautta kulkeneita tilakanavoituja signaaleja. Toisessa vaiheessa esitettyjä ennustusmenetelmiä hyödynnetään mukauttamalla lähetystehoa tai modulaatioastetta ja koodisuhdetta (adaptive modulation and coding [AMC]), samalla säilyttäen tavoitteeksi asetetun kehysvirhesuhteen (frame error rate [FER]). Suorituskyvyn ennustusmenetelmä hyödyntää kanavan tilastollisia ominaisuuksia — kohinan varianssia, eroteltavien etenemispolkujen lukumäärää sekä vastaanottimen korrelaatiomatriisin ominaisarvoja — ennustaakseen signaali–kohina-plus-interferenssisuhteen (signal-to-interference-plus-noise ratio [SINR]) jakauman taajuustasossa toimivan, häiriötä poistavan pienimmän keskineliösumman kanavakorjaimen lähdössä. SINR-jakaumasta johdetaan pehmän symboleista biteiksi -muunnoksen jälkeisten logaritmisten bittitodennäköisyyksien suhdelukujen (log-likelihood ratio [LLR]) jakauma. Keskinäisinformaation siirroskartat perustuvat LLR:ien varianssin sekä keskinäisinformaation väliseen bijektiivisyyteen. Informaatio on kanavakoodattu 3rd Generation Partnership Project -standardin mukaisella turbokoodilla. Turbodekooderin toiminta on kanavasta riippumatonta, joten dekooderin lisäinformaation siirroskartat (extrinsic information transfer [EXIT] charts) voidaan simuloida itsenäisesti. Hyödyntämällä kanavakorjaimen lähdön pehmeiden bittipäätösten LLR:ien varianssin jakaumaa, on mahdollista arvioida millä todennäköisyydellä korjaimen satunnaisen kanavarealisaation siirroskartta leikkaa dekooderin siirroskartan. Tämä todennäköisyys voidaan tulkita kehysvirhesuhteeksi. Koska suorituskyvyn ennustusmenetelmä ei vaadi hetkellistä tietoa kanavan tilasta, sitä voidaan hyödyntää lähetyksen mukautuksessa. Mukautuvassa tehonsäädössä modulaatio ja koodisuhde eivät muutu. Lähetin pyrkii iteratiivisella tehonsäädöllä löytämään korjaimen lähdölle LLR-jakauman, joka tuottaa halutun kehysvirhesuhteen. Mukautuvassa modulaation ja koodisuhteen valinnassa lähetysteho säilyy vakiona. Modulaatioaste vaikuttaa korjaimen lähdön LLR-jakaumaan ja koodisuhde dekooderin siirroskartan muotoon. Iteratiivisesti koodisuhdetta säätämällä lähetin pyrkii löytämään modulaation ja koodisuhteen yhdistelmän, joka saavuttaa tavoitellun kehysvirhesuhteen. Vertikaalisesti tilakanavoiduissa järjestelmissä mukautuvaa tehonsäätöä täydennetään lähetystehoa mukauttavilla uudellenlähetyksillä, kun taas mukautuvaa modulaation ja koodisuhteen valintaa täydennetään puolestaan koodisuhdetta pienentävillä automattisilla uudelleenlähetyspyynnöillä (hybrid automatic repeat request [HARQ]).

This thesis concentrates on the design and evaluation of spatial user multiplexing methods via linear transmit-receive processing for wireless cellular multi-user multiple-input multiple-output (MIMO) communication systems operating in the time-division duplexing (TDD) mode. The main focus is on the acquisition of effective channel state information (CSI) that facilitates decentralized processing so that the network nodes — base stations (BS) and user terminals (UT), each employing an arbitrary number of antenna elements — are able to locally participate in the network adaptation. The proposed methods rely on the uplink-downlink channel reciprocity and spatially precoded over-the-air pilot signaling. Considering (single-cell) multi-user MIMO systems, coordinated zero-forcing transmit-receive processing schemes for the uplink (UL) are proposed. The BS computes the transmission parameters in a centralized manner and employs downlink (DL) pilot signals to convey the information of the beamformers to be used by the UTs. When coexisting with the DL zero-forcing, the precoded DL demodulation pilots can be reused for UL beam allocation, and the precoded UL demodulation pilots are reused in turn for partial channel sounding (CS). As a result, only the precoded pilot symbols are needed in both UL and DL. Moreover, a concept for reducing the number of the required orthogonal UL CS pilot resources is presented. Based on their DL channel knowledge, the multi-antenna UTs form fewer pilot beams by spatial precoding than conventionally needed when transmitting antenna-specific pilots. In the context of DL zero-forcing, when taking into account the CSI estimation error at the BS, the overhead reduction turns out to improve robustness and increase the average system capacity. Considering multi-cell multi-user MIMO systems, decentralized coordinated DL beamforming strategies based on weighted sum rate (WSR) maximization are proposed. An optimization framework where the WSR maximization is carried out via weighted sum mean-squared-error minimization is utilized, and the approach is generalized by employing antenna-specific transmit power constraints. The iterative processing consists of optimization steps that are run locally by the BSs. In one novel strategy, the coordinating cells update their transmit precoders and receivers one cell at a time, which guarantees monotonic convergence of the network-wide problem. The strategy employs separate uplink CS and busy burst pilot signaling to reveal the effective channels of the UTs to the neighboring BSs. In another novel strategy, the monotonic convergence is sacrificed to devise a faster scheme where the BSs are allowed to optimize their variables in parallel based on just the CS responses and additional low-rate backhaul information exchange. The numerical results demonstrate that WSR maximization has the desirable property that spatial user scheduling is carried out implicitly. Finally, methods for UL CS overhead reduction are presented, and the effect of CSI uncertainty is addressed. Tiivistelmä Tämä väitöskirja keskittyy lineaarisella lähetys- ja vastaanottoprosessoinnilla toteutettavien tilajakomonikäyttömenetelmien suunnitteluun ja arviointiin langattomissa moniantennisissa solukkoverkoissa, jotka hyödyntävät aikajakodupleksointia (TDD). Erityisesti tarkastellaan efektiivisen kanavatiedon hankintaa, joka mahdollistaa hajautetun prosessoinnin siten että verkkoelementit — tukiasemat ja terminaalit, jotka kukin hyödyntävät useaa antennielementtiä — voivat osallistua paikallisesti verkon adaptaatioon. Esitetyt menetelmät perustuvat ylä- ja alalinkin kanavien resiprookkisuuteen ja tilatasossa esikoodattuun opetus- eli pilottisignalointiin ilmarajapinnan yli. Yksisoluisille monikäyttäjä- ja moniantennijärjestelmille esitetään ylälinkin koordinoituja nollaanpakottavia lähetys- ja vastaanottomenetelmiä. Tukiasema laskee lähetysparametrit keskitetysti ja käyttää pilottisignaaleja kertomaan millaista lähetyskeilanmuodostusta terminaalien tulee käyttää. Alalinkin nollaanpakotuksen yhteydessä esikoodattuja demodulaatiopilotteja voidaan uudelleenkäyttää ylälinkin lähetyskeilojen allokointiin, ja esikoodattuja ylälinkin demodulaatiopilotteja uudelleenkäytetään puolestaan osittaiseen kanavan luotaukseen (sounding). Näin ollen molempiin suuntiin tarvitaan vain esikoodatut pilotit. Lisäksi työssä esitetään menetelmä ylälinkin luotauspilottiresurssitarpeen vähentämiseksi. Kanavatietoon perustuen moniantenniset terminaalit muodostavat tilatasossa esikoodattuja pilottilähetyskeiloja, joita tarvitaan vähemmän kuin perinteisiä antennikohtaisia pilotteja. Kun otetaan huomioon kanavanestimointivirhe tukiasemassa, resurssiensäästömenetelmä parantaa häiriösietoisuutta ja nostaa järjestelmän keskimääräistä kapasiteettia alalinkin nollaanpakotuksen yhteydessä. Monisoluisille monikäyttäjä- ja moniantennijärjestelmille esitetään hajautettuja koordinoituja alalinkin keilanmuodostusstrategioita, jotka perustuvat painotetun summadatanopeuden (WSR) maksimointiin. Valitussa optimointikehyksessä WSR:n maksimointi toteutetaan painotetun summaneliövirheen minimoinnin kautta, ja työssä menettelytapa yleistetään antennikohtaisten lähetystehorajoitusten tapaukseen. Iteratiivinen prosessointi koostuu optimointiaskelista, jotka tukiasemat paikallisesti suorittavat. Yhdessä esitetyssä strategiassa yhteistoiminnalliset solut päivittävät lähettimensä ja vastaanottimensa yksi solu kerrallaan, mikä takaa verkonlaajuisen ongelmanratkaisun monotonisen konvergenssin. Tämä strategia käyttää erillisiä ylälinkin luotaussignaaleja sekä varattu-signaaleja ilmaistakseen terminaalien efektiiviset kanavat naapuritukiasemille. Toisessa strategiassa monotoninen konvergenssi uhrataan ja kehitetään nopeammin adaptoituva menetelmä, jossa tukiasemat saavat optimoida muuttujansa rinnakkain, perustuen vain luotaussignaaleihin ja tukiasemien väliseen informaationvaihtoon. Numeeriset tulokset osoittavat, että WSR:n maksimointi toteuttaa aktiivisten käyttäjien valinnan tilatasossa implisiittisesti. Lopuksi esitetään menetelmiä luotauspilottiresurssitarpeen vähentämiseksi ja käsitellään kanavatiedon epävarmuuden vaikutusta.

The aim of the thesis is to develop algorithms and architectures to meet the high data rate, low complexity requirements of the future mobile communication systems. Algorithms, architectures and implementations for detection, channel estimation and interference mitigation in the multiple-input multiple-output (MIMO) orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) receivers are presented. The performance-complexity trade-offs in different receiver algorithms are studied and the results can be utilized in receiver design as well as in system design. Implementation of detectors for spatial multiplexing systems is considered first. The linear minimum mean squared error (LMMSE) and the K-best list sphere detector (LSD) are compared to the successive interference cancellation (SIC) detector. The SIC algorithm was found to perform worse than the K-best LSD when the MIMO channels are highly correlated. The performance difference diminishes when the correlation decreases. With feedback to the transmitter, the performance difference is even smaller, but the full rank transmissions still require a more complex detector. A reconfigurable receiver, using a simple or a more complex detector as the channel conditions change, would achieve the best performance while consuming the least amount of power in the receiver. The use of decision directed (DD) channel estimation is also studied. The 3GPP long term evolution (LTE) based pilot structure is used as a benchmark. The performance and complexity of the pilot symbol based least-squares (LS) channel estimator, the minimum mean square error (MMSE) filter and the DD space-alternating generalized expectation-maximization (SAGE) algorithm are studied. DD channel estimation and MMSE filtering improve the performance with high user velocities, where the pilot symbol density is not sufficient. With DD channel estimation, the pilot overhead can be reduced without any performance degradation by transmitting data instead of pilot symbols. Suppression of co-channel interference in the MIMO-OFDM receiver is finally considered. The interference and noise spatial covariance matrix is used in data detection and channel estimation. Interference mitigation is applied for linear and nonlinear detectors. An algorithm to adapt the accuracy of the matrix decomposition and the use of interference suppression is proposed. The adaptive algorithm performs well in all interference scenarios and the power consumption of the receiver can be reduced. Tiivistelmä Tämän väitöskirjatyön tavoitteena on kehittää vastaanotinalgoritmeja ja -arkkitehtuureja, jotka toteuttavat tulevaisuuden langattomien tietoliikennejärjestelmien suuren datanopeuden ja pienen kompleksisuuden tavoitteet. Työssä esitellään algoritmeja, arkkitehtuureja ja toteutuksia ilmaisuun, kanavaestimointiin ja häiriönvaimennukseen monitulo-monilähtötekniikkaa (multiple-input multiple-output, MIMO) ja ortogonaalista taajuusjakokanavointia (orthogonal frequency division multiplexing, OFDM) yhdistäviin vastaanottimiin. Algoritmeista saatavaa suorituskykyhyötyä verrataan vaadittavaan toteutuksen monimutkaisuuteen. Työn tuloksia voidaan hyödyntää sekä vastaanotin- että järjestelmäsuunnittelussa. Lineaarista pienimmän keskineliövirheen (minimum mean square error, MMSE) ilmaisinta ja listapalloilmaisinta (list sphere detector, LSD) verrataan peräkkäiseen häiriönpoistoilmaisimeen (successive interference cancellation, SIC). SIC-ilmaisimella on huonompi suorituskyky kuin LSD-ilmaisimella radiokanavan ollessa korreloitunut. Korrelaation pienentyessä myös ilmaisimien suorituskykyero pienenee. Erot suorituskyvyissä ovat vähäisiä silloinkin, jos järjestelmässä on takaisinkytkentäkanava lähettimelle. Tällöinkin korkean signaali-kohinasuhteen olosuhteissa LSD-ilmaisimet mahdollistavat tilakanavoidun, suuren datanopeuden tiedonsiirron. Radiokanavan muuttuessa uudelleenkonfiguroitava vastaanotin toisi virransäästömahdollisuuden vaihtelemalla kompleksisen ja yksinkertaisen ilmaisimen välillä. Kanavaestimointialgoritmeja ja niiden toteutuksia vertaillaan käyttämällä lähtökohtana nykyisen mobiilin tiedonsiirtostandardin viitesignaalimallia. Tutkittavat algoritmit perustuvat pienimmän neliösumman (least squares, LS) ja pienimmän keskineliövirheen menetelmään, sekä päätöstakaisinkytkettyyn (decision directed, DD) kanavaestimointialgoritmiin. DD-kanavaestimaattori ja MMSE-suodatin parantavat vastaanottimen suorituskykyä korkeissa käyttäjän nopeuksissa, joissa viitesignaaleiden tiheys ei ole riittävä. DD-kanavaestimoinnilla datanopeutta voidaan nostaa viitesignaaleiden määrää laskemalla vaikuttamatta suorituskykyyn. Työssä tarkastellaan myös saman kanavan häiriön vaimennusta. Häiriöstä ja kohinasta koostuvaa kovarianssimatriisia käytetään ilmaisuun ja kanavaestimointiin. Työssä esitetään adaptiivinen algoritmi matriisihajoitelman tarkkuuden ja häiriön vaimennuksen säätämiseen. Algoritmi mahdollistaa hyvän suorituskyvyn kaikissa häiriötilanteissa vähentäen samalla virrankulutusta.

The multiple-input multiple-output (MIMO) technique combined with an orthogonal frequency division multiplexing (MIMO--OFDM) has been introduced as a promising approach for the ever increasing capacity and quality of service (QoS) requirements for wireless communication systems. An efficient radio spectrum utilization expects a flexible transceiver solution, which has been the reason for the development of the software defined radio (SDR) technologies which in their turn are expected to enable the creation of cognitive radios. As a result, any radio solution could be invoked on demand on any platform. In this thesis work, we have studied detector algorithms and programmable processor architectures in order to find practical solutions for the future wireless systems. A programmable receiver can reduce the energy dissipation of the receiver by changing the detection algorithm based on the current channel realizations. To provide a realistic aspect to the implementations in different channel realizations, we present a wide state-of-the-art detector comparison. In addition, we present an extensive number arithmetic and word length study in order to evaluate realistic hardware complexity and energy dissipations of the implementations. The study includes a comprehensive design chain from the algorithm development to the actual processor design and finally programming software for the platforms. We evaluate single and multi-core processor implementations by comparing the achieved results to the Long Term Evolution (LTE) performance requirements. We implement detectors on digital signal processors (DSPs), graphics processing unit (GPU) and transport triggered architecture (TTA). The implementation results are compared in throughput, silicon area and energy efficiency. Finally, we discuss the advantages and disadvantages of the architectures and the implementation effort. Tiivistelmä Usean antennin tekniikka yhdistettynä ortogonaaliseen taajuusvaihtelumodulointiin lähetin-vastaanotimessa on esitetty eräänä lupaavana ratkaisuna jatkuvasti kasvaviin kapasiteetti- ja palvelunlaatuvaatimuksiin langattomissa tietoliikennejärjestelmissä. Tehokas radiospektrin käyttö edellyttää joustavaa lähetin-vastaanotinratkaisua, mikä on ollut syynä ohjelmistoradioteknologioiden kehitykselle. Ohjelmistoradioiden kehityksen on puolestaan odotettu mahdollistavan kognitiiviradioiden syntymisen. Tuloksena, mikä tahansa radiosovellus voitaisiin herättää tarpeen mukaan millä tahansa ohjelmoitavalla sovellusalustalla. Tässä väitöskirjatyössä tutkitaan ilmaisinalgoritmeja sekä ohjelmoitavia prosessoriarkkitehtuureja tarkoituksena löytää käytännöllisiä ratkaisuja tulevaisuuden langattomiin järjestelmiin. Ohjelmoitavalla vastaanottimella voidaan vähentää vastaanottimen energiankulutusta vaihtamalla ilmaisinalgoritmeja vallitsevan kanavatilan mukaan. Työssä esitellään laaja, viimeisintä tutkimusta edustava ilmaisinalgoritmivertailu, joka antaa realistisen näkökannan toteutuksiin erilaisissa kanavatiloissa. Lisäksi työssä esitellään numeroaritmetiikka- ja sananpituustutkimus, jonka tarkoituksena on arvioida toteutusten realistista kovokompleksisuutta sekä energiankulutusta. Tutkimus sisältää kattavan suunnitteluketjun algoritmikehityksestä todelliseen prosessorisuunnitteluun ja lopulta algoritmin ohjelmointiin tietylle sovellusalustalle. Väitöskirjatyössä arvioidaan yksi- ja moniytimisiä prosessoritoteutuksia vertaamalla saavutettuja tuloksia Long Term Evolution -standardin suorituskykyvaatimuksiin. Ilmaisimia toteutetaan digitaalisilla signaaliprosessoreilla, grafiikkaprosessorilla sekä siirtoliipaisuarkkitehtuurilla. Toteutustuloksia vertaillaan laskentatehona, pinta-alana sekä energiatehokkuutena. Lopuksi käsitellään arkkitehtuurien hyviä ja huonoja puolia sekä suunnittelun työläyttä.

This thesis focuses on advanced multi-antenna receiver and transmission techniques to improve the utilization efficiencies of radio resources in broadband single carrier communications. Special focus is devoted to the development of computationally efficient frequency domain (FD) turbo equalization techniques for single and multiuser MIMO frequency selective channels. Another special emphasis is given to transmission power optimization for single user MIMO communications, which takes into account the convergence properties of the iterative equalizer. A new iterative FD soft cancellation (SC) and minimum mean square error (MMSE) filtering based joint-over-antenna (JA) multiuser MIMO signal detection technique for multiuser MIMO uplink transmission in frequency-selective channels is proposed. The proposed FD multiuser MIMO detection technique requires significantly lower computational complexity than its time-domain counterpart. Furthermore, significant performance gains can be achieved with the proposed JA turbo receiver compared to an antenna-by-antenna (AA) turbo receiver when the total number of transmitter antennas and users is larger than the number of receiver antennas, as well as in the presence of spatial correlation. The impact of existing linear precoding techniques, e.g, maximum information rate (MaxRate) and minimum sum mean square error (MinSumMSE), on the performance of frequency domain turbo equalization is investigated by utilizing extrinsic information transfer (EXIT) chart analysis. A novel transmission power minimization framework based on an EXIT analysis of single carrier MIMO transmission with iterative FD SC-MMSE equalization is then proposed. The proposed optimization framework explicitly takes into account the convergence properties of the iterative equalizer. The proposed convergence constrained power allocation (CCPA) technique decouples the spatial interference between streams using singular value decomposition (SVD), and minimizes the transmission power while achieving the mutual information target for each stream after iterations at the receiver side. The transmission power allocation can be formulated as a convex optimization problem. A special case having only two mutual information constraints is considered, for which the Lagrange dual function is derived and its dual problem is solved. Inspired by the Lagrange duality, two CCPA based heuristic schemes are developed. The numerical results demonstrate that the proposed CCPA schemes outperform the existing power allocation schemes. Tiivistelmä Tässä työssä tutkitaan edistyksellisten moniantennivastaanotto- ja lähetysmenetelmien käyttöä radioresurssien tehokkuuden parantamiseen laajakaistaisessa yhden kantoaallon kommunikaatiossa. Työssä keskitytään erityisesti laskennallisesti tehokkaiden taajuustasossa suoritettavien iteratiivisten kanavakorjaintekniikoiden kehittämiseen yhden ja usean käyttäjän multiple-input multiple-output (MIMO) -kommunikaatiossa taajuusselektiivisen radiokanavan yli. Toinen tutkimuksen painopiste on lähetystehon optimointi yhden käyttäjän MIMO-kommunikaatiossa, jossa iteratiivisen kanavakorjaimen konvergenssiominaisuudet otetaan huomioon. Työssä ehdotetaan uudenlaista iteratiivista taajuustasossa suoritettavaa soft-cancellation (SC) ja minimum mean square error (MMSE) -suodatukseen pohjautuvaa joint-over-antenna (JA) monen käyttäjän ilmaisumenetelmää nousevan siirtokanavan tiedonsiirtoon taajuusselektiivisessa radiokanavassa. Ehdotettu tajuustasossa suoritettava usean käyttäjän MIMO-lähetyksen ilmaisumenetelmä vaatii selvästi vähemmän laskentatehoa verrattuna aikatason menetelmään. Tämän lisäksi ehdotetulla menetelmällä voidaan saavuttaa merkittävää suorituskykyhyötyä verrattuna antenna-by-antenna (AA) -pohjaiseen iteratiiviseen vastaanottimeen kun lähetysantennien ja käyttäjien kokonaislukumäärä on suurempi kuin vastaanotinantennien. Suorituskykyhyöty pätee myös tilakorrelaation tapauksessa. Työssä tutkitaan lisäksi olemassa olevien lineaaristen esikoodaustekniikoiden, esim. maximum information rate (MaxRate) and minimum sum mean square error (MinSumMSE), vaikutusta taajuustasossa suoritettavaan iteratiivisen kanavakorjaimen konvergenssiominaisuuksiin xtrinsic information transfer (EXIT) -analyysin avulla. Työssä ehdotetaan uudenlaista EXIT-analyysi-pohjaista lähetystehon minimointimenetelmää yhden kantoaallon MIMO-lähetykseen käyttäen iteratiivista taajuustason SC-MMSE-kanavakorjainta. Menetelmä ottaa huomioon iteratiivisen kanavakorjaimen konvergenssiominaisuudet. Ehdotettu convergence constrained power allocation (CCPA) -menetelmä erottaa tilatason häiriön lähetteiden välillä hyödyntäen singular value decomposition (SVD) -tekniikkaa ja minimoi lähetystehon ja saavuttaa samalla keskinäisinformaatiotavoitteet jokaiselle lähetteelle iteraatioiden jälkeen vastaanottimessa. Lähetystehon minimointiongelma voidaan muotoilla konveksiksi optimointiongelmaksi. Kahden keskinäisinformaatiorajoitteen erityistapaukselle johdetaan Lagrangen duaalifunktio ja ratkaistaan sen duaalifunktio. Työssä kehitetään lisäksi kaksi CCPA-pohjaista heuristista menetelmää. Numeeriset tulokset osoittavat ehdotettujen CCPA-pohjaisten menetelmien suoriutuvan paremmin verrattuna olemassa oleviin menetelmiin.

The development of wireless telecommunication systems has been rapid during the last two decades and the data rates as well as the quality of service (QoS) requirements are continuously growing. Multiple-input multiple-output (MIMO) techniques in combination with orthogonal frequency-division multiplexing (MIMO–OFDM) have been identified as a promising approach for high spectral efficiency wideband systems. The optimal detection method for a coded MIMO–OFDM system with spatial multiplexing (SM) is the maximum a posteriori (MAP) detector, which is often too complex for systems with high order modulation. Suboptimal linear detectors, such as the linear minimum mean square error (LMMSE) criterion based detection, offer low complexity solutions, but have poor performance in correlated fading channels. A list sphere detector (LSD) is a tree search based soft output detector that can be used to approximate the MAP detector with a lower computational complexity. The benefits of the more advanced detectors can be realized especially in a low SNR environment by, e.g., increasing the cell coverage. In this thesis, we consider the linear minimum mean square error (LMMSE) criterion based detectors and more advanced LSDs for detection of SM transmission. The LSD algorithms are not as such feasible for hardware implementation. Therefore, we identify the design choices that relate to the performance and implementation complexity of the LSD algorithms. We give guidelines to the LSD algorithm design and propose the proper trade-off solutions for practical wireless systems. The more stringent requirements call for further research on architectures and implementation. In particular, it is important to address the parallelism and pipelining factors in the architecture design to enable an optimal trade-off between used resources and operating speed. We design pipelined systolic array architecture for LMMSE detector algorithms and efficient architectures with given algorithm properties for the LSD algorithms. We consider the VLSI implementation of the algorithms to study the true performance and complexity. The designed architectures are implemented on a field programmable gate array (FPGA) chip and CMOS application specific integrated circuit (ASIC) technology. Finally, we present some measurement results with a hardware testbed to verify the performance of the considered algorithms. Tiivistelmä Langattoman tietoliikenteen kehitys on ollut nopeaa viimeisien vuosikymmenien aikana ja järjestelmiltä vaaditaan yhä suurempia datanopeuksia ja luotettavuutta. Multiple-input multiple-output (MIMO) tekniikka yhdistettynä monikantoaaltomodulointiin (MIMO-OFDM) on tunnistettu lupaavaksi järjestelmäksi, joka mahdollistaa tehokkaan taajuusalueen hyödyntämisen. Optimaalinen ilmaisumenetelmä tilakanavoituun (SM) ja koodattuun MIMO-OFDM järjestelmään on maximum a posteriori (MAP) ilmaisin, joka on tyypillisesti liian kompleksinen toteuttaa laajakaistajärjestelmissä, joissa käytetään korkean asteen modulointia. Alioptimaaliset lineaariset ilmaisimet, kuten pienimpään keskineliövirheeseen (LMMSE) perustuvat ilmaisimet, ovat suhteellisen yksinkertaisia toteuttaa nykyteknologialla, mutta niiden suorituskyky on varsin heikko korreloivassa radiokanavassa. Listapalloilmaisin (LSD) on puuhakualgoritmiin perustuva pehmeän ulostulon ilmaisin, joka pystyy jäljittelemään MAP ilmaisinta sitä pienemmällä kompleksisuudella. Kehittyneemmät ilmaisimet, kuten LSD, voivat parantaa langattoman verkon suorituskykyä erityisesti ympäristössä, jossa on matala signaalikohinasuhde, esimerkiksi mahdollistamalla suuremman toiminta-alueen. Tässä väitöskirjassa on tutkittu kahta LMMSE ilmaisinta ja kolmea LSD ilmaisinta SM lähetyksen ilmaisuun. Yleisesti LSD algoritmit eivät ole sellaisenaan toteutuskelpoisia kaupallisiin järjestelmiin. Väitöskirjassa on tämän vuoksi tutkittu LSD:n toteutukseen liittyviä haasteita ja toteutusmenetelmiä ja annetaan suosituksia LSD algorithmien suunnitteluun sekä ehdotetaan sopivia toteutuskompromisseja käytännön langattomiin järjestelmiin. Haastavammat suorituskyky- ja latenssivaatimukset edellyttävät lisätutkimuksia toteutusarkkitehtuureihin ja toteutuksiin. Erityisesti rinnakkaisten resurssien käyttö ja liukuhihnatekniikka toteutusarkkitehtuureissa mahdollistavat optimaalisen kompromissin löytämisen toteutuksessa käytettyjen resurssien ja laskentanopeuden väliltä. Väitöskirjassa suunnitellaan tehokkaat arkkitehtuurit tutkituille LMMSE ja LSD algoritmeille ottaen huomioon niiden ominaisuudet. Väitöskirjassa tutkitaan algoritmien toteutusta VLSI tekniikalla ja pyritään saamaan realistinen arvio algoritmien kompleksisuudesta ja suorituskyvystä. Algoritmeille suunnitellut arkkitehtuurit on toteutettu sekä FPGA piirille että erillisenä toteutuksena ASIC teknologialla. Väitöskirjassa esitetään myös testilaitteistolla tehtyjä mittaustuloksia ja varmistetaan toteutettujen algoritmien suorituskyky.