Reduced-complexity signal processing techniques for multiple-input multiple-output storage and wireless communication systems

TY - THES

T1 - Reduced-complexity signal processing techniques for multiple-input multiple-output storage and wireless communication systems

AU - Huang,Li

PY - 2008

Y1 - 2008

N2 - Multi-input multi-output technologie kent vele voordelen en is al voor vele digitale communicatiesystemen bestudeerd. Dit proefschrift onderzoekt detectie- en kanaalschattings technieken met gereduceerde complexiteit, ten behoeve van data ontvangst op hoge snelheid en met hoge kwaliteit voor twee systemen met multi-input multi-output technologie. Deel I van het proefschrift richt zich op de ontwikkeling van technieken met gereduceerde complexiteit ten behoeve van implementatie op hoge data-snelheden van het zogenaamde TwoDOS systeem voor twee-dimensionale optische registratie. Dit systeem zal naar verwachting een belangrijke rol spelen in de ontwikkeling van 4e generatie optische registratiesystemen. De technieken worden hier toegespitst op het Two- DOS systeem waarin bit-cellen in een hexagonale raster gerangschikt zijn, maar zijn in principe ook toepasbaar voor meerspoors registratiesystemen waarin bit-cellen op een vierkant of rechthoekige raster gerangschikt zijn. Deel II van het proefschrift richt zich op kanaalschattings technieken voor multi-input multi-output systemen waar weinig of geen voorkennis over het kanaal beschikbaar is. Bijzonder aan deze technieken is dat zij ruis onderdrukken in het zogenaamde angulaire domein, waar het kanaalmodel zich leent voor een eenvoudige fysische interpretatie. Voor zover ons bekend is dit de eerste systematische behandeling van kanaalschattings technieken in het angulaire domein. De technieken in dit deel van het proefschrift worden toegespitst op systemen met multi-input multi-output orthogonale frequentie-divisie multiplexing (MIMO-OFDM), maar zijn in principe evenzeer toepasbaar in andere multi-input multi-output draadloze communicatie-systemen. In Deel I van het proefschrift presenteren wij allereerst een kanaal-model voor het TwoDOS systeem in aanwezigheid van additieve ruis, domeinschalingsfouten, en transitie jitter. We ontwikkelen ook een numeriek e??ci??ente techniek gebaseerd op de 1- dimensionale Hankel transform om het 2-dimensionale kanaalmodel te simuleren. Daarnaast ontwikkelen wij een benaderd model om het proces van signaalgeneratie te vereenvoudigen voor het TwoDOS systeem met additieve ruis, domeinschalingsfouten, en transitie jitter. De twee-dimensionale (2D) Viterbi detector (VD), die optimaal is in aanwezigheid van uitsluitend additieve ruis, dient als referentie voor de prestaties van de detector. Hoofdstuk 3 ontwikkelt technieken om de complexiteit van de VD in de temporele richting te reduceren. Vereenvoudigingen in de spati??ele richting worden ontwikkeld in hoofdstukken 4 en 5. Wij ontwikkelen ook een nieuwe 2D `target' optimalisatie techniek en ontwerpen diverse `targets' ter compensatie van het verlies van prestaties van de detector ten gevolge van de complexiteitsreductie in temporele en spati??ele richting. In deel II van het proefschrift ontwikkelen wij kanaalschattings technieken in het angulaire domein, waar het kanaal-model zich leent voor een eenvoudige fysische interpretatie. Alle ontwikkelde angulaire-domein technieken zijn exibel te implementeren. Zo kunnen conventionele kanaalschattings technieken gebruikt worden voor een eerste ruwe schatting, gevolgd door een nabewerking in het angulaire-domein. Ook kunnen speciale piloottonen ontworpen worden terwille van een directe schatting in het angulaire domein. De toepasbaarheid van deze angulaire-domein technieken hangt sterk af van de stochastische kennis die beschikbaar is in de ontvanger (betre??ende bijvoorbeeld vermogen en correlatie van ontvangen signalen). Voor de situatie waarin dergelijke informatie niet beschikbaar is, ontwikkelen we de `meest-signicante tap' selectie-techniek in het angulaire-frequentie en angulaire-tijd domein, en tevens een approximatieve minimale kleinste kwadratische fout techniek in het angulaire-tijd domein. De laatstgenoemde techniek wordt uitgebreid naar de situatie waarin het ontvangen vermogen bekend is. Voor de situatie waarin ook de correlatiestructuur van de ontvangen signalen in de ontvanger bekend is ontwikkelen we tenslotte een quasi-eendimensionale lineaire kleinste kwadratische fout techniek met verder verbeterde prestaties. Onze simulatieresultaten laten zien dat de prestaties van deze techniek vergelijkbaar zijn aan die van de overeenkomstige twee-dimensionale techniek, bij een veel geringere complexiteit.

AB - Multi-input multi-output technologie kent vele voordelen en is al voor vele digitale communicatiesystemen bestudeerd. Dit proefschrift onderzoekt detectie- en kanaalschattings technieken met gereduceerde complexiteit, ten behoeve van data ontvangst op hoge snelheid en met hoge kwaliteit voor twee systemen met multi-input multi-output technologie. Deel I van het proefschrift richt zich op de ontwikkeling van technieken met gereduceerde complexiteit ten behoeve van implementatie op hoge data-snelheden van het zogenaamde TwoDOS systeem voor twee-dimensionale optische registratie. Dit systeem zal naar verwachting een belangrijke rol spelen in de ontwikkeling van 4e generatie optische registratiesystemen. De technieken worden hier toegespitst op het Two- DOS systeem waarin bit-cellen in een hexagonale raster gerangschikt zijn, maar zijn in principe ook toepasbaar voor meerspoors registratiesystemen waarin bit-cellen op een vierkant of rechthoekige raster gerangschikt zijn. Deel II van het proefschrift richt zich op kanaalschattings technieken voor multi-input multi-output systemen waar weinig of geen voorkennis over het kanaal beschikbaar is. Bijzonder aan deze technieken is dat zij ruis onderdrukken in het zogenaamde angulaire domein, waar het kanaalmodel zich leent voor een eenvoudige fysische interpretatie. Voor zover ons bekend is dit de eerste systematische behandeling van kanaalschattings technieken in het angulaire domein. De technieken in dit deel van het proefschrift worden toegespitst op systemen met multi-input multi-output orthogonale frequentie-divisie multiplexing (MIMO-OFDM), maar zijn in principe evenzeer toepasbaar in andere multi-input multi-output draadloze communicatie-systemen. In Deel I van het proefschrift presenteren wij allereerst een kanaal-model voor het TwoDOS systeem in aanwezigheid van additieve ruis, domeinschalingsfouten, en transitie jitter. We ontwikkelen ook een numeriek e??ci??ente techniek gebaseerd op de 1- dimensionale Hankel transform om het 2-dimensionale kanaalmodel te simuleren. Daarnaast ontwikkelen wij een benaderd model om het proces van signaalgeneratie te vereenvoudigen voor het TwoDOS systeem met additieve ruis, domeinschalingsfouten, en transitie jitter. De twee-dimensionale (2D) Viterbi detector (VD), die optimaal is in aanwezigheid van uitsluitend additieve ruis, dient als referentie voor de prestaties van de detector. Hoofdstuk 3 ontwikkelt technieken om de complexiteit van de VD in de temporele richting te reduceren. Vereenvoudigingen in de spati??ele richting worden ontwikkeld in hoofdstukken 4 en 5. Wij ontwikkelen ook een nieuwe 2D `target' optimalisatie techniek en ontwerpen diverse `targets' ter compensatie van het verlies van prestaties van de detector ten gevolge van de complexiteitsreductie in temporele en spati??ele richting. In deel II van het proefschrift ontwikkelen wij kanaalschattings technieken in het angulaire domein, waar het kanaal-model zich leent voor een eenvoudige fysische interpretatie. Alle ontwikkelde angulaire-domein technieken zijn exibel te implementeren. Zo kunnen conventionele kanaalschattings technieken gebruikt worden voor een eerste ruwe schatting, gevolgd door een nabewerking in het angulaire-domein. Ook kunnen speciale piloottonen ontworpen worden terwille van een directe schatting in het angulaire domein. De toepasbaarheid van deze angulaire-domein technieken hangt sterk af van de stochastische kennis die beschikbaar is in de ontvanger (betre??ende bijvoorbeeld vermogen en correlatie van ontvangen signalen). Voor de situatie waarin dergelijke informatie niet beschikbaar is, ontwikkelen we de `meest-signicante tap' selectie-techniek in het angulaire-frequentie en angulaire-tijd domein, en tevens een approximatieve minimale kleinste kwadratische fout techniek in het angulaire-tijd domein. De laatstgenoemde techniek wordt uitgebreid naar de situatie waarin het ontvangen vermogen bekend is. Voor de situatie waarin ook de correlatiestructuur van de ontvangen signalen in de ontvanger bekend is ontwikkelen we tenslotte een quasi-eendimensionale lineaire kleinste kwadratische fout techniek met verder verbeterde prestaties. Onze simulatieresultaten laten zien dat de prestaties van deze techniek vergelijkbaar zijn aan die van de overeenkomstige twee-dimensionale techniek, bij een veel geringere complexiteit.

U2 - 10.6100/IR632565

DO - 10.6100/IR632565

M3 - Phd Thesis 2 (Research NOT TU/e / Graduation TU/e)

SN - 978-90-386-1774-9

PB - Technische Universiteit Eindhoven

CY - Eindhoven

ER -