Novel turbo-equalization techniques for coded digital transmission（博士论文）

zy761015

1 Introduction 1
2 Turbo-codes and iterative decoding 7
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.2 Fundamental concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.2.1 Soft decision . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.2.2 Soft output of a channel . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.2.3 Soft-in/Soft-out (SISO) decoder . . . . . . . . . . . 9
2.3 Iterative decoding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.3.1 Classical turbo-coding scheme . . . . . . . . . . . . . 12
2.3.2 Classical iterative (turbo) decoding scheme . . . . . 13
2.3.3 Iterative decoding process . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.3.4 Performance illustration . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.3.5 Variations on a theme . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.4 Performance analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.4.1 Asymptotic performance . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.4.2 Convergence properties . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.5 Fundamentals of SISO algorithms . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.5.1 Markov process and convolutional codes . . . . . . . 21
2.5.2 Conventional decoding: MAP sequence estimation . 23
2.5.3 SISO decoding: symbol-by-symbol APP estimation . 24
2.6 Factor graphs and iterative receiver . . . . . . . . . . . . . . 32
2.6.1 Sum-product algorithm on factor graphs . . . . . . . 32
2.6.2 Iterative receiver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.7 Generalization: the turbo principle . . . . . . . . . . . . . . 35
2.8 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.9 Appendix: optimal APP evaluation . . . . . . . . . . . . . . 35
2.10 Appendix: metrics calculation . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.11 Appendix: fundamental relation . . . . . . . . . . . . . . . . 40
iv CONTENTS
3 Turbo-equalization 43
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.2 Transmission scheme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.3 Iterative equalization and decoding . . . . . . . . . . . . . . 45
3.4 The TE scheme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.4.1 SISO equalizer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.4.2 SISO decoder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.5 SISO equalization/decoding Algorithms . . . . . . . . . . . 50
3.5.1 SISO equalizer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.5.2 SISO decoder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.6 Performance illustration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
3.7 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.8 Appendix: metrics derivation . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.8.1 SISO equalizer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3.8.2 SISO decoder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
3.9 Appendix: fundamental relations . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.9.1 SISO equalizer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.9.2 SISO decoder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4 Bandwidth-ecient lter-based TE schemes 61
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.2 Signal model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
4.2.1 Transmitter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
4.2.2 Transmission channel . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.3 Iterative receiver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
4.3.1 SISO equalizer/demapper . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.3.2 SISO binary decoder . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4.4 The symbol-level SISO equalizer . . . . . . . . . . . . . . . 67
4.5 Filter-based MMSE equalization . . . . . . . . . . . . . . . 70
4.5.1 Sliding-window model . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
4.5.2 The optimal MMSE estimator . . . . . . . . . . . . 71
4.5.3 Symbol rst and second order statistics . . . . . . . 73
4.5.4 MMSE Filter derivation . . . . . . . . . . . . . . . . 74
4.5.5 Symbol extrinsic probabilities approximation . . . . 77
4.6 A view based on soft-interference cancelation . . . . . . . . 80
4.7 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
CONTENTS v
5 Bit-interleaved TE over static FS channels 85
5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
5.2 System description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
5.3 Asymptotic performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
5.3.1 Simulation results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
5.4 Convergence analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
5.4.1 Methodology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
5.4.2 Simulation results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
5.5 A Comparison with symbol interleaving . . . . . . . . . . . 107
5.5.1 The symbol-interleaved TE scheme . . . . . . . . . . 108
5.5.2 BER comparison . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
5.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
6 Fractional turbo-receiver for wireless transmission . . . 117
6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
6.2 Transmitter model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
6.3 Channel model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
6.4 Iterative receiver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
6.4.1 SISO space-time equalizer/demapper . . . . . . . . . 123
6.4.2 SISO binary decoder . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
6.5 Simulation results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
6.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
7 Bounding the error-
oor of BICM-based turbo systems 131
7.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
7.2 Estimating error probabilities . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
7.3 Bounding coded transmission . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
7.3.1 Computing the PEP . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
7.3.2 Computing the UB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
7.4 Bounding the error-
oor of turbo-demodulation . . . . . . . . 146
7.4.1 System description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
7.4.2 Summary of existing results . . . . . . . . . . . . . . 148
7.4.3 Novel formulation for turbo-demodulated BICM . . 152
7.4.4 Application to TD over an AWGN channel . . . . . 155
7.4.5 Application to TD over a Rayleigh fast fading channel 160
7.5 Extension of the bounding techniques . . . . . . . . . . . . . 162
7.5.1 System description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
7.5.2 Extension to FS channels . . . . . . . . . . . . . . . 164
7.5.3 The PEP for quasi-static FS Rayleigh fading channels 165
7.5.4 Modied UB in quasi-static fading conditions . . . . 167
vi CONTENTS
7.5.5 Simulation results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
7.6 Extension to multiple receive antennas . . . . . . . . . . . . 170
7.7 Particularization to static FS channels . . . . . . . . . . . . 171
7.8 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
7.9 Appendix: probability density functions . . . . . . . . . . . 173
7.9.1 Rayleigh and Chi-square distributions . . . . . . . . 173
7.9.2 Instantaneous SNR, single branch . . . . . . . . . . 173
7.9.3 Instantaneous SNR, multiple branches . . . . . . . . 174
7.10 Appendix: asymptotic analysis . . . . . . . . . . . . . . . . 175
7.10.1 TD over a Rayleigh fast fading channel . . . . . . . 176
7.10.2 TE over quasi-static FS Rayleigh fading channels . . 177
8 Turbo-equalization considering . . . 179
8.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
8.2 Transmitter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
8.3 Iterative receiver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
8.4 Bounding the error-
oor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
8.5 Simulation results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
8.6 Future prospects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
8.7 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
8.8 Appendix: turbo-code spectrum . . . . . . . . . . . . . . . . 188
9 Conclusion 191
Curriculum vitae 195
Bibliography 198

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