Iterative multi-user receivers for CDMA systems

Abstract

Mobile Kommunikationsnetze der dritten als auch der zukünftigen Generationen sind dafür ausgelegt, den Benutzern hochratige Datendienste für Anwendungen wie Videotelefonie und Datentransfer zur Verf¨ugung zu stellen. Mit der derzeit üblichen Rake-Empfängerstruktur wird über kurz oder lang ein Kapazitätsengpass entstehen, der nicht auf eine Begrenztheit des vorhandenen Spektrums zurückzuführen ist, sondern vielmehr auf ineffizienten Empfangsarchitekturen beruht.<br />Komplexe Empfangsalgorithmen können die spektrale Effizienz durch Mehrbenutzerdetektionsverfahren erheblich steigern. Die vorliegende Arbeit untersucht iterative Empfänger für kodierte CDMA Übertragung in der Aufwärtsstrecke. Der iterative Empfänger ist ein suboptimaler, aber von der Komplexität beherrschbarer Detektionsalgorithmus. Er besteht aus einem interferenzbeseitigenden Mehrbenutzerdetektor, einer Dekoderbank sowie einem Kanalschätzer. Anstatt die Entscheidungen über die tatsächlich gesendeten Symbole direkt nach der ersten Dekodierung zu fällen, werden die vorläufigen Entscheidungen rückgekoppelt, um damit die Interferenz auf dem Kanal zu schätzen und diese vor der Detektion in der nächsten Iteration zu eliminieren. Gleichsam werden die Rückkopplungssymbole zur Unterstützung der Kanalschätzung verwendet.<br />Diese Arbeit untersucht, welche Möglichkeiten und Grenzen iterative Mehrbenutzerempfänger in realistischen Mobilfunkkanälen mit Mehrwegeausbreitung aufweisen.<br />Wir gehen auf die Frage ein, unter welcher Voraussetzung Schwundkanäle für die Dauer einer Blockübertragung als konstant angesehen werden können.<br />Es stellt sich heraus, dass der Mobilfunkkanal für die Dauer eines UMTS-Slots konstant ist, wenn die Geschwindigkeit des mobilen Endgeräts 30km/h nicht überschreitet. Weiters untersuchen wir den Einfluss der Intersymbolinterferenz auf die Bitfehlerrate. Im Falle von UMTS kann die Intersymbolinterferenz erst für Spreizfaktoren größer als 32 vernachlässigt werden. Für kürzere Spreizfaktoren kann die Bitfehlerrate nur dann minimiert werden, wenn die Intersymbolinterferenz im Detektor eliminiert wird. In Folge wird die Frage erörtert, ob extrinsische oder a-posteriori Dekoderinformation zur Interferenzbeseitigung herangezogen werden soll. In diesem Zusammenhang wird Last als das Verhältnis von Anzahl von Benutzern zu Spreizfaktor definiert. Prinzipiell zeigt die Verwendung von entscheidungsrückgekoppelten Symbolen, welche aus a-posteriori Information abgeleitet werden, über einen großen Lastbereich schnellere Konvergenz. Die maximale Last wird aber nur durch extrinsische Rückkopplungssymbole erreicht. Wir entwickeln ein lineares MMSE Filter zur Interferenzunterdrückung, welches eine erheblich höhere Last als ein signalangepasstes Einbenutzerfilter erlaubt. Parallele Interferenzbeseitigung wird mit sukzessiver Interferenzbeseitigung verglichen. Beide Strukturen ermöglichen praktisch gleich grosse Lasten, wobei sukzessive Beseitigung weniger Iterationen benötigt. Wir erweitern die Verarbeitungsstruktur auf Mehrantennenempfang und zeigen, dass die dadurch erzielte Stabilisierung der mittleren Empfangsleistung die Last erheblich steigern kann.<br />Im Speziellen erweitern wir den iterativen Mehrbenutzerdetekor mit einer Kanalschätzeinheit. Für die Kanalschätzung werden neben der bekannten Pilotsymbolfolge auch die Dekoderausgangswerte benutzt. Wir entwerfen Kanalschätzer, die unterschiedliches a-priori-Wissen über die Statistik zweiter Ordnung des Rauschens, der Kanalkoeffizienten und der rückgekoppelten Datensymbole voraussetzen. Es zeigt sich, dass ein kleinste-Quadrate-Schätzer, der keine Statistik benötigt, nach sechs Iterationen nahezu die gleichen Bitfehlerraten erzielt wie die komplexeren Verfahren, welche auf linearer MMSE-Schätzung beruhen.<br />Weiters wurde beobachtet, dass eine einfache QPSK-Pilotsymbolfolge, abhängig vom Ausbreitungskanal, Verluste bis zu 1,75 dB in Eb/N0 aufweist, gegenüber Pilotsequenzen mit perfekter Korrelationseigenschaft. Letztere zeigen besonders dann einen Vorteil, wenn der Kanal nicht in jeder Iteration geschätzt wird, sondern nur in der ersten Iteration mit Hilfe der Pilotsymbole.<br />Die gewonnen Erkenntnisse über Mehrbenutzerdetektion und Kanalschätzung werden für den Entwurf eines UMTS-konformen Empfängers niedriger Komplexität verwendet. Wir zeigen, dass die iterative UMTS Empfängerstruktur unter der Annahme von Benutzersynchronität auch für eine grosse Anzahl von Benutzern eine erhebliche Senkung der Bitfehlerrate auf praktisch interessante Werte ermöglicht. In diesem Zusammenhang werden auch die praktischen Grenzen einer solchen aufgezeigt.<br />Weiters analysieren wir das Konvergenzverhalten von iterative Empfängern mit integrierter Kanalschätzung auf Basis von Dichteevolution für den Fall eines Kanals mit konstanter Amplitude und einer zufällig gewählten Phase. Die Resultate für die Herleitung der Kanalschätzeigenschaften bedienen sich Analysemethoden aus dem Gebiet der statistischen Physik.<br />Die Leistungsfähigkeit des Empfängers wird anhand seiner Mehrbenutzereffizienz beurteilt, welche eine Funktion der Symbolblocklänge, der Anzahl der Pilotsymbole, der Last, sowie des Störabstandes ist.<br />

Mobile communication networks of the third and future generations are designed to offer high-data rate services like video-telephony and data-transfer.<br />The current Rake receiver architecture will create a shortage in available bandwidth offered to the users. This is not due to a shortage in spectrum but results from inefficient receiver architectures.<br />Spectral efficiency can be increased considerably through multi-user detection techniques in the receiver algorithms. The present thesis investigates iterativer receivers for encoded CDMA transmission in the uplink. The iterative receiver is a suboptimal receiver algorithm with manageable complexity. It consists of an interference mitigating multi-user detector, a bank of single-user decoders, and a channel estimator.<br />Instead of deciding on the transmitted symbols right after the first decoding, the receiver feeds back tentative decision symbols to mitigate multiple-access interference in the next iteration. Similarly, soft decision symbols are used to support channel estimation in every iteration. This thesis analyzes the possibilities and limits of an iterative multi-user receiver in realistic mobile radio channels with multi-path propagation.<br />First, we ask the question under which assumption fading channels show blockfading characteristic. It turns out that, for the duration of a UMTS-slot, channels are quasi-block static if the velocity of the mobile does not exceed 30km/h. We investigate the influence of inter-symbol interference on bit error rate. In the framework of UMTS, inter-symbol interference can only be neglected for spreading factors larger than 32.<br />With short spreading factors, the bit error rates can only be minimized if inter-symbol interference is eliminited in the detector. Further, we analyse wether extrinsic or a-posteriori decoder information shall be used for interference mitigation. In this context we define load as the quotient between number of users to spreading factor. In general, soft decision symbols that are derived from a-posteriori information allow for faster convergence over a large region of the load. However, the maximal load is only achieved when soft decision symbols are used that are derived from extrinsic information. We develop a low-complexity linear MMSE interference suppression filter with which the load can be increased significantly over a single-user matched filter. Parallel interference cancellation is compared to successive interference cancellation. The achievable loads of the two schemes are practically the same, although successive cancellation requires fewer iterations. We extend the multi-user receiver to multiple-antenna reception and show that the load can be increased considerably through the stabilization of average receive power.<br />In particular, we extend the iterative multi-user detector with a channel estimator. Additionaly to pilot symbols, also soft decision symbols are used for channel estimation. We design channel estimators that use different a-priori knowledge on the second order statistics of the noise, the channel coefficients, and the soft decision symbols.<br />After six iterations the least squares estimator, that does not require any knowledge on the statistics, attains nearly the same bit error rates as the more advanced estimators based on linear MMSE estimation. We further observed, that a simple random QPSK pilot sequence, spread with the same signature sequence as the data, shows a loss of up to 1,75 dB, over a perfect correlation pilot sequence, depending on the particular multi-path channel. Perfect correlation pilot sequences are particularly advantagous when the channel is estimated only once with the pilot symbols.<br />The gained knowledge on multi-user detection and channel estimation is used in the design of a UMTS compliant iterative receiver with low-complexity components.With symbol synchronous transmission the receiver decreases the bit error rates significantly to practically interesting levels.<br />Limits in practical deployment will be discussed.<br />Finally, we analyze the convergence behaviour of iterative receivers with integrated channel estimation by means of density evolution for a channel with constant amplitude and random phase. The results for the derivation of the properties of the channel estimator are gained by using analysis tools from statistical physics. The performance of the iterative receiver is assessed by its multi-user efficiency which is parameterized by the transmission block length, the number of pilot symbols, the load, and the signal to noise ratio.