Low Complexity Iterative Frequency Domain Equalisation for MIMO-OFDM Type Systems

Abstract

As comunicações sem fios são, sem sombra de dúvida, o segmento de mais rápido crescimento da indústria de comunicações. Não só os telemóveis, que se tornaram uma ferramenta fulcral no mundo dos negócios e parte da vida quotidiana em todo o mundo, mas também os computadores e outros dispositivos de consumo de dados têm vindo a experienciar um crescimento exponencial na última década, trazendo novos desafios para a próxima geração de sistemas sem fios. As redes sem fio de quinta geração como próximo standard deverão ser capazes de satisfazer os requisitos impostos pela crescente procura de maior capacidade, ao mesmo tempo que garantem robustez, fiabilidade e maiores taxas de transferência.Uma das alternativas mais promissoras consiste no aumento do número de antenas tanto no transmissorcomo no recetor, isto é sistemas MIMO, que beneficiam de técnicas de processamento de sinal explorando uma diversidade adicional permitindo uma maior eficiência espectral ou uma transmissão robusta. No que diz respeito à obtenção de taxas de transferência de dados maiores e uma capacidade aumentada, empregando multiplexagem espacial combinada com sistemas OFDM ou que derivem dos mesmos é vista como uma das soluções mais poderosas. Particularmente, quando novas técnicas, como o TIBWB-OFDM, são adotados é possível obter um sistema de comunicação sem fios com uma melhor eficiência espectral e energética, robusto aos desvanecimentos profundos do canal selectivo na frequência.No entanto, existe alguma complexidade computacional inerente aos sistemas MIMO, que aumenta com onúmero de antenas no sistema, tornando o recetor muito mais complexo, nomeadamente na fase de equalização onde equalizadores presentes no estado de arte, como o MMSE e ZF, necessitam de inversões de matrizes de altas dimensões. Para superar este problema, é crucial considerar recetores iterativos, tais como EGC e MRC, que não requerem inversões de matrizes de canal de altas dimensões e, como tal, o recetor pode ser mantido a uma complexidade razoável.Portanto, o objetivo principal deste trabalho é conseguir um sistema com alta eficiência tanto a nívelespectral como a nível energético, capaz de lidar com as deficiências do canal MIMO, enquanto a complexidade do recetor se mantém reduzida através do uso de técnicas que não necessitem de inverter as matrizes de canal. Os resultados obtidos mostraram que empregar equalizadores lineares ou não lineares, tais como o EGC and MRC, permite ganhos substanciais relativamente ao sistema conventional MIMO usando o prefixo cíclico como intervalo de guarda nas mesmas condições. Além disso, os métodos iterativos de baixa complexidade mostraram um melhor desempenho quando usados em esquemas do tipo MIMO TIBWB-OFDM, sendo conseguido um desempenho excelente capaz de aproximar o match filter bound com apenas algumas iterações.

Wireless communications are, by any measure, the fastest growing segment of the communications industry. Not only the cellular phones, which have become a critical business tool and part of everyday lifeworldwide, but also computers and other data consuming devices have experienced exponential growth over the last decade, bringing some new challenges to the next generation wireless systems. Fifth generation wireless networks as the next standard must be able to meet the requirements imposed by the ever increasing demand in capacity, while guaranteeing robustness, reliability and higher data rates.One of the most promising alternatives is the increase in the number of antennas in both transmitterand receiver, i.e. multiple-input multiple-output (MIMO) systems, which leveraged on signal processingtechniques exploring added diversity may allow for higher spectral efficiency or improved robustness transmission. Regarding to achieve higher data rates and an increased capacity, employing spatial multiplexing combined with orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) type systems is seen as one of most potential solutions. Particularly, when new techniques, such as the time-interleaved block-windowed burst OFDM (TIBWB-OFDM), are adopted is possible to achieve a highly spectral and power efficient wireless communication system, robust to the deep fades of the selective-frequency channel.However, there is some computational complexity inherent to the MIMO systems, that grows with thenumber of antennas elements, making the receiver much more complex, namely the equalisation stage where state-of-the art equalisers, such as minimum mean squared error (MMSE) and zero forcing (ZF), require for the inversion of the channel’s high dimension matrix. To overcome this problem, it is crucial to consider low complexity frequency-domain iterative receivers, such as equal gain combiner (EGC) and maximum ratio combiner (MRC), which do not require high dimension channel matrices inversions and as so, the receiver can be kept at an affordable complexity.Therefore, the main goal of this work is to achieve a spectral and power efficient system able to handle withthe impairments of the frequency-selective MIMO channel, while keeping the receiver complexity reducedthrough the use of techniques that does not require channel matrix inversions. Performance results shownthat employing linear equalisers or nonlinear equalisers, such as EGC and MRC, allows substantial gainsover the conventional MIMO employing cyclic prefix technique, in the same conditions. Furthermore, lowcomplexity iterative methods have their best performances when employed in the multiple-input multiple- output TIBWB-OFDM (MIMO TIBWB-OFDM) scheme, achieving excellent performance and approachingthe matched filter bound (MFB) with just a few iterations.