Title: Low complexity multiuser detectors for randomly spread CDMA systems
Language: English
Authors: Cottatellucci, Laura 
Qualification level: Doctoral
Keywords: Mehrbenutzerdetektion/Zufallsmatrix/CDMA/MIMO/räumliche
multiuser detection/random matrix/CDMA system/multiple input multiple output/spatial diversity/asynchronism/multistage detector/free probability
Advisor: Müller , Ralf 
Assisting Advisor: Hlawatsch, Franz
Referee: Tse, David 
Issue Date: 2006
Number of Pages: 208
Qualification level: Doctoral
Abstract: 
Mehrbenutzerdetektion ermöglicht eine relevante Steigerung der spektralen Effizienz von CDMA-Systemen, die jedoch mit einer stark zunehmenden Komplexität erkauft wird. Diese Arbeit befasst sich mit Entwurf und Analyse von linearen Mehrbenutzerempfängern niedriger Komplexität für CDMA-Systeme mit zufälligen Spreizcodes, grossen Spreizfaktoren und vielen Benutzern, wenn die Komplexität linearer MMSE-Detektoren keine Echtzeitimplementierung zulässt. Die vorgeschlagenen Mehrstufen-Detektoren haben eine modulare Struktur, die auf Matched Filtern aufbaut; sie führen eine Projektion des beobachteten Signals auf einen Unterraum durch und filtern dieses anschliessend. Die Komplexitätsreduktion ergibt sich indem man die optimalen Filterkoeffizienten eines grossen, aber endlichen Systems, durch universelle Gewichte, d.h.\ durch die optimalen Gewichte eines Systems mit unendlicher Benutzerzahl und unendlichem Spreizfaktor approximiert.
Der Entwurf universeller Gewichte geschieht mittels ausgefeilter Methoden der Theorie der Zufallsmatrizen und der freien Wahrscheinlichkeit. Dies ermöglicht lineare Mehrbenutzerdetektion mit einer Komplexität pro Bit die, wie bei einem Einzelbenutzer-Matched-Filter, linear mit der Anzahl der Benutzer wächst. Die vorgeschlagenen Detektoren sind robust gegenüber Kanal-Nichtidealitäten wie frequenzselektivem Fading oder Asynchronizität; sie erreichen annähernd lineares MMSE-Verhalten mit einer Anzahl von Stufen, die sowohl viel kleiner als die Anzahl der Benutzer als auch von dieser unabhängig ist. Der vorgeschlagene Entwurf umfasst auch CDMA-Systeme mit räumlich korrelierter Diversität in Sender und Empfänger. Für asynchrone Systeme wird ein gleitendes Beobachtungsfenster vorgeschlagen, wodurch die Detektorgüte keinen Einbruch durch ein endliches Beobachtungsfenster erleidet und die Komplexität, im Gegensatz zu linearen MMSE-Detektoren, vergleichbar mit einem synchronen System bleibt. Dank diesem Ansatz können sogar lineare MMSE-Detektoren mit endlichem Fenster übertroffen werden. Aufbauend auf Eigenschaften von Zufallsmatrizen, die im Verlauf dieser Arbeit endeckt wurden, wird ein allgemeiner Ansatz zur asysmptotischen Analyse einer breiten Klasse von linearen Mehrbenutzer-Detektoren vorgestellt, inklusive der vorgeschlagenen Mehrstufen-Detektoren. Schliesslich werden die Auswirkungen von Asynchronizität, Chip-Wellenform und räumlicher Korrelation der Kanäle (bei mehreren Antennenelementen in Sender und Empfänger) untersucht.

Multiuser detection can achieve a relevant increase in the spectral efficiency of CDMA Systems at the cost of a considerable increase in complexity. This work is focused on the design and analysis of \emph{low complexity} linear multiuser receivers for CDMA Systems with random spreading codes, large spreading factors and large number of users, when the complexity of linear MMSE detectors is not affordable in real-time implementations. The proposed multistage detectors have a modular structure based on matched filters and perform the projection of the observed Signals onto a subspace and a successive filtering. The reduction in complexity is achieved by approximating the Optimum filter coefficients of a large but finite System by universal weights, i.e. the Optimum weights of a System with infinite users and spreading factor.
The design of universal weights entails the use of sophisticated tools of the random matrix and the free probability theory. Such a design enables a linear multiuser detection with complexity order per bit that scales linearly with the number of users as in a Single user matched filter. The proposed multistage detectors with universal weights efficiently cope with Channel non-ideality as frequency selective fading and asynchronism. They achieve near-linear MMSE Performance with a number of stages much Iower than the number of users and independent of it. For asynchronous Systems the proposed detectors include a sliding observation window, so that they do not suffer from Performance degradation due to a finite observation window. They keep the same complexity as their counterpart for synchronous Systems, in contrast to the linear MMSE detectors. With this approach they can even outperform a finite-window linear MMSE detector. The design of multiuser detectors includes also CDMA Systems with spatial correlated diversity at the transmitting and receiving sites. Benefitting of properties of random matrices discovered in this work, a general framework for the asymptotic analysis of a wide class of linear multiuser detectors, including the proposed multistage detectors, is presented. The effects of asynchronism, chip-pulse waveform, and -- in case of System with multiple antenna elements at the transmitters and the receivers-spatial correlation of the Channels are analyzed.
URI: https://resolver.obvsg.at/urn:nbn:at:at-ubtuw:1-15763
http://hdl.handle.net/20.500.12708/12017
Library ID: AC05032813
Organisation: E389 - Institut für Nachrichtentechnik und Hochfrequenztechnik 
Publication Type: Thesis
Hochschulschrift
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