Detection algorithms and architectures for wireless spatial multiplexing in MIMO-OFDM systems

Abstract 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