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Frequency domain equalization for single-carrier broadband wireless systems

TL;DR: This article surveys frequency domain equalization (FDE) applied to single-carrier (SC) modulation solutions and discusses similarities and differences of SC and OFDM systems and coexistence possibilities, and presents examples of SC-FDE performance capabilities.
Abstract: Broadband wireless access systems deployed in residential and business environments are likely to face hostile radio propagation environments, with multipath delay spread extending over tens or hundreds of bit intervals. Orthogonal frequency-division multiplex (OFDM) is a recognized multicarrier solution to combat the effects of such multipath conditions. This article surveys frequency domain equalization (FDE) applied to single-carrier (SC) modulation solutions. SC radio modems with frequency domain equalization have similar performance, efficiency, and low signal processing complexity advantages as OFDM, and in addition are less sensitive than OFDM to RF impairments such as power amplifier nonlinearities. We discuss similarities and differences of SC and OFDM systems and coexistence possibilities, and present examples of SC-FDE performance capabilities.

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31 Dec 2012
TL;DR: This work combines this TS approach with several coded modulation schemes and compares their performances in terms of achievable peak power reduction capability and bit error rate over an AWGN channel.
Abstract: Trellis shaping (TS) is known as a flexible technique that controls a transmit symbol sequence such that the resulting transmitted signals meet a certain desired property. Our recent work has shown that TS can generate a near constant envelope signal for PSK signaling even with strict bandwidth limitation through the use of a near rectangular pulse-shaping filter. In this work, we combine this TS approach with several coded modulation schemes and compare their performances in terms of achievable peak power reduction capability and bit error rate over an AWGN channel.

Cites background or methods from "Frequency domain equalization for s..."

  • ...For example, in the case of rate-1/2 encoder, there are 4 patterns of cl as [0, 0], [0, 1], [1, 0], [1, 1]....

    [...]

  • ...Together with frequency-domain equalization, a singlecarrier system has been considered advantageous over orthogonal frequency-division multiplexing (OFDM) for communications over frequency-selective fading channels due to its lower PAPR property [1]....

    [...]

Proceedings ArticleDOI
01 Dec 2015
TL;DR: Computer simulation confirms that the proposed joint transmit/receive FDE and spectrum combining for SC-ANC bi-directional relay obtains both spatial and frequency diversity gain and achieves a good BER performance even in the presence of timing offset.
Abstract: Recently, we proposed a joint transmit/receive frequency-domain equalization (FDE) for single-carrier (SC) analog network coded (ANC) bi-directional relay and showed that the proposed joint transmit/receive FDE achieves better BER performance than the use of either transmit FDE or receive FDE only. However, our previous study for SC-ANC bi-directional relay assumed no arrival timing offset. However, the signals transmitted from base station (BS) and mobile terminal (MT) may not necessarily arrive at the relay station (RS) at the same time. The arrival timing offset causes the inter-symbol interference and accordingly, BER performance degradation. In this paper, we propose a joint transmit/receive FDE and spectrum combining for SC-ANC bi-directional relay in the presence of timing offset. RS performs oversampling and transmit FDE while both MT and BS receivers perform oversampling, receive FDE and spectrum combining. Transmit and receive FDE weights when using the spectrum combining are jointly optimized based on minimum mean square error (MMSE) criterion. Computer simulation confirms that the proposed joint transmit/receive FDE & spectrum combining obtains both spatial and frequency diversity gain and achieves a good BER performance even in the presence of timing offset.

Cites background from "Frequency domain equalization for s..."

  • ...Furthermore, application of analog network coding (ANC) [3,4] to bi-directional relay can reduce the number of time-slots required for bidirectional relay and as a consequence, it achieves higher achievable throughput than cooperative relay....

    [...]

Journal Article
TL;DR: この ときMSおよび RSにおける再送 FDE重み,BSはバッファに蓄積された全ての空間的ダイバーシチ効果が得られる.
Abstract: あらまし 本報告では,上りリンクシングルキャリア協調リレー伝送において,移動局(MS)・リレー局(RS)・基 地局(BS)が協調して周波数領域等化(FDE)によるパケット再送・合成を行う協調リレー周波数領域等化 HARQ を提 案する.MSから送信されたパケットが BSで正しく受信・復号できなかった場合,再送に RSを参加させることで 空間的ダイバーシチ効果が得られる.提案法では,MSと RSでは再送パケットに対し周波数領域等化(FDE)重みを 乗算して信号を再送し,BS ではバッファに蓄積された全ての同一パケットに FDE重みを乗算して合成する.この ときMSおよび RSにおける再送 FDE重み,BSにおけるパケット合成 FDE重みを,送信電力制約条件下において 平均二乗誤差(MSE)を最小とするよう設計する.FDE 重みの最適解および準最適解を求め,計算機シミュレーショ ンにより送信電力が制限される無線通信環境における伝送特性改善効果を明らかにする. キーワード シングルキャリア,HARQ,協調リレー,周波数領域等化

Additional excerpts

  • ...フローチャート 提案法の HARQ フローチャートを図 1 に示す.始め に MSがパケットを送信し,RSおよび BSで受信する. BS で正しく受信された場合,次のパケット伝送へと移 る.一方 BS で正しく受信されなかった場合,パケッ トの再送が行われる.再送には 2 つの方法があり,RS での復号結果に応じていずれかが行われる.RS で誤り が検出された場合,初回送信と同様に MS が単独で再 送パケットを送信し,RSおよび BSで受信する.一方, RS で誤りが検出されなかった場合,MS および RS が BS に向けて再送パケットを同時に協調送信する. 以下では,①初回のパケット送受信:MS からの送 信と RS および BS それぞれでの受信,②MS 単独から の再送と RS および BS それぞれでの受信・パケット合 成,③MS および RS からの協調再送と BS での受信・ パケット合成,の 3 つの場合に分けて考える. ①および②は MS から RS および BS に対するブロー ドキャストであることから,MS では送信重み乗算を 行わない.これは,送信重みを MS-RS チャネルおよび MS-BS チャネル両方に整合させることが困難であり, 片方に整合させるともう一方のリンクでの伝送特性が 劣化するためである.①の場合,RS および BS はそれ ぞれ独立に FDE および誤り訂正復号,誤り検出を行う. ②の場合,RS および BS では過去の同一受信パケット もバッファに蓄積されていることから,FDE と同時に MMSE 規範に基づくパケット合成を行う [15]. 一旦 RS で正しく復号できれば,MS と RS が協調し て再送を行う (③ ).また,③の場合に初めて送信 (つま り,MS および RS)側で送信重みを乗算する.BS では ②の場合と同様,合成後の MSE が最小となるよう,周 波数領域でパケット合成を行う. MS transmit BS OK?...

    [...]

  • ...BS における受信信号と FDE・パケット合成 MS-BS および RS-BS の伝搬路は互いに独立なシン ボル間隔の遅延時間を有する L 個のパスにより構成さ れるとする.CP 除去後の受信信号は次式で与えられる. , ])1(,),(,),0([ 2211 qqqqq T c qqqq Nrnrr πshsh r ++= −= KK (5) ここで q1h および q 2h はそれぞれ MS-BS間および MS-RS 間の伝搬路応答行列であり,(Nc×Nc)の巡回行列として 次式で与えられる. 2,1, 0,1, 1,1, 1,0, 1, 1,1,0, = ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ = − − − − i hh hh hh h hhh q i q Li q i q Li q Li q i q i q i q Li q i q i LL OMO O M MOO L 0 0h (6) T c qqqq Nn ])1(,),(,),0([ −πππ= KKπ は BS における 雑音ベクトルであり,各要素 )(nnq は平均ゼロ,分散 2σ2の加法性白色ガウス雑音である. Nc ポイントの FFT を rq に適用して得られる周波数 領域信号{ )(kRq ; k=0~Nc−1}は次式で与えられる. qqqqqq T c qqqq NRkRR NSHSHFr R ++== −= 2211 ])1(,),(,),0([ KK (7) ここで,H1q,H2q,Nqは次式で与えられる. ⎪ ⎪ ⎩ ⎪⎪ ⎨ ⎧ −== −== −== T c qqqqq c qqqHqq c qqqHqq NNkNN NHkHHdiag NHkHHdiag ])1(,),(,),0([ })1(,),(,),0({ })1(,),(,),0({ 22222 11111 KK KK KK FπN FFhH FFhH (8) 得られた Rqを,これまで BS で受信していた同一信 号ブロック (つまり,初回送信分と q’回目 (q’=1~q−1)の 再送分 )と次式のように合成する. qq q q qqii RVRVRVD + ⎪⎭ ⎪ ⎬ ⎫ ⎪⎩ ⎪ ⎨ ⎧ += ∑ − =′ ′′ 1 1 ˆ (9) ここで R i=[Ri(0), …, Ri(k), …, Ri(Nc−1)]Tは初回に送 信 さ れ た 受 信 信 号 , {Rq’=[Rq’(0), …, Rq’(k), …, Rq’(Nc−1)]T; q’=1~q−1}は過去に再送された受信信号の 周波数領域信号であり,それぞれ次式で与えられる. ⎪⎩ ⎪ ⎨ ⎧ −=′++= +⋅⋅= ′′′′′′ 1~1, 2 2211 qq P qqqqqq iii NSHSHR NDHR (10) 第 2 章で述べたように再送には②と③の 2 つが存在す る. (10)の第 2 式では,②の場合 DS ⋅=′ Pq 21 および 0S =′q2 ,③の場合 DWS qq ′′ = 11 および DWS qq ′′ = 22 である. 式 (9)の V i=diag{Vi(0), …, Vi(k), …, Vi(Nc−1)}および Vq’ = diag{Vq’(0), …, Vq’(k), …, Vq’(Nc−1)},q’=1~q は BS に おける周波数領域パケット合成重みである. D̂に Ncポイントの IFFT を適用し,復号を行う [15]. 4....

    [...]

  • ...まえがき 広帯域移動無線伝搬路は伝搬損失,建物などによる シャドウイング,そして遅延時間の異なる独立なパス による周波数選択性チャネルとして特徴づけられる [1].周波数選択性チャネルによる伝送特性の劣化を防 ぐため,広帯域シングルキャリア (SC)伝送では様々な チャネル等化技術が検討されてきた [2-5].中でも 1 タ ップの周波数領域等化 (FDE)[4,5]は,その簡単さ,マ ルチキャリア (MC)伝送 [6]との親和性,そしてターボ等 化 [7]などへの拡張のし易さから注目されてきた. SC 伝送における FDE として,筆者らはこれまで送 受信機が協調して最小平均二乗誤差 (MMSE)規範に基 づく FDE を行うジョイント送信 /受信 MMSE-FDE を提 案してきた [8].提案法では,高速フーリエ変換 (FFT) と逆 FFT(IFFT)を備える送受信機それぞれがチャネル 情報を用いて周波数領域で 1 タップの重みを乗算する. このとき送信電力制約条件下において,受信等化後の 平均二乗誤差 (MSE)を最小とするよう両者の重みを設 計する.これにより,送受信機のいずれかが等化を行 う受信 MMSE-FDE[5]や送信 MMSE-FDE[9]より優れた 伝送特性を実現できる. その後,パケット通信において不可欠なハイブリッ ド自動再送要求 (HARQ)を対象とし,再送要求があった 場合に受信機でのパケット合成後の MSE を最小とす るパケット再送・合成法へと拡張した [10].そしてこ の送受信協調型の FDE が HARQ パケット伝送のスル ープットも大幅に改善できることを明らかにしてきた. ところで,実際の無線環境においては周波数選択性 チャネルだけでなく,伝搬損失やシャドウイング損失 により受信電力が落ち込んでしまい,HARQ のみでは スループットの低下を救済できない場合が生じる.最 近ではこの対策として,セル内に無線リレー局 (RS)を 配置する協調リレー伝送が注目を集めている [11,12]. 協調リレー伝送方式の中でも Incremental Relay(IR)方 式は HARQ との親和性が高く,スループットを改善で きることが知られている [11]. IR ではパケットの再送 時にのみ RS を用い,空間ダイバーシチ効果を得る. 本報告では, IR 方式の上りリンク SC 協調リレー伝 送において,移動局 (MS)・RS・基地局 (BS)が MMSE 規範に基づく FDE によるパケット再送・合成を行う MS&RS/BS 協調周波数領域等化 HARQ を提案する. MSから送信されたパケットが RSでは正しく復号でき, BS で誤った場合,再送に RS を参加させる.このとき 提案法では,MS および RS で再送パケットに対してそ れぞれ周波数領域で重みを乗算して同時送信し,BS では受信後に過去全ての同一受信パケットに対して新 たに計算された周波数領域重みを乗算して合成する. パケット合成後の MSE が最小となるよう MS,RS,BS の FDE 重みを求め,計算機シミュレーションによりス ループット改善効果を明らかにする. 2....

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  • ...MS&RS/BS 協調周波数領域等化 HARQ −C P Packet com b. using one-tap FD E Turbo decoder Error detector ACK/NACK B uffer +C P O ne-tap FD E B uffer +C P O ne-tap FD E MS RS BS 図 2 送受信構成 (③の場合 ) ③の場合の送信 /受信ベースバンド信号処理構成を 図 2 に示す.MS および RS では,ターボ符号化・デー タ変調されたパケットがバッファに保存されている. それぞれパケットを Nc シンボルごとのブロックに分 割する (一般に,パケットは複数個のブロックから構成 される ).各ブロックに対して MS および RS それぞれ が周波数領域で送信重みを乗算する.最後に Ngサンプ ル分のサイクリックプリフィックス (CP)をガードイン ターバル (GI)に挿入して送信する.なお,本論文では MS と RS がブロック単位で同期しており,伝搬路の時 変動は無視でき,最大遅延は CP長を超えないとする. BS では受信信号から GI を除去し,ブロックごとに FDE とパケット合成を行う.バッファに蓄積されてい るすべての同一ブロック・各要素に対して周波数領域 で受信重みを乗算しつつ合成する.その後ビット対数 尤度比 (LLR)を求めてターボ復号を行い,誤り検出を 行う.誤り検出の結果に基づき MS および RS に次の パケットの送信または同一パケットの再送を要求する. 3....

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  • ...周波数選択性チャネルによる伝送特性の劣化を防 ぐため,広帯域シングルキャリア (SC)伝送では様々な チャネル等化技術が検討されてきた [2-5]....

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Proceedings ArticleDOI
12 Aug 2007
TL;DR: This paper considers SC-FDE schemes employing OQPSK (Offset Quaternary Phase Shift Keying) signals with quasi-constant envelope, and considers a multi-channel frequency-domain receiver with ACI (Adjacent Channel Interference) suppression.
Abstract: In this paper, we consider SC-FDE schemes (Single Carrier with Frequency-Domain Equalization) employing OQPSK (Offset Quaternary Phase Shift Keying) signals with quasi-constant envelope To allow high spectral efficiency, different frequency channels are separated by the symbol rate, regardless of their bandwidth (which is much higher than the symbol rate for quasi-constant envelope OQPSK signals), and we consider a multi-channel frequency-domain receiver with ACI (Adjacent Channel Interference) suppression Our performance results show that it is possible to have high spectral efficiency with quasi-constant envelope OQPSK signals This technique is especially interesting for the uplink of future broadband wireless systems since we can employ low-cost, grossly nonlinear power amplifiers at the mobile terminals and almost all signal processing is shifted to the base station
Proceedings ArticleDOI
06 May 2012
TL;DR: It is shown, by computer simulation, that SC-MIMO using TS aided QRM-MLBD significantly improves the HARQ throughput performance compared to an often used cyclic prefix (CP) inserted SC- MIMO while significantly reducing the computational complexity.
Abstract: For high-speed packet access, hybrid automatic repeat request (HARQ) and multi-input multi-output (MIMO) multiplexing are indispensable techniques Single-carrier (SC) MIMO block transmission using frequency-domain signal detection such as the frequency-domain linear detection based on the minimum mean square error criterion (MMSED) can improve the HARQ throughput performance over the frequency-selective fading channel However, the performance improvement is limited due to not only an inter-antenna interference (IAI) but also an inter-symbol interference (ISI) resulting from a severe frequency-selective fading In this paper, we propose to jointly use a training sequence (TS) aided SC block transmission and a near maximum likelihood (ML) block detection using QR decomposition and M-algorithm (QRM-MLBD) for SC-MIMO HARQ It is shown, by computer simulation, that SC-MIMO using TS aided QRM-MLBD significantly improves the HARQ throughput performance compared to an often used cyclic prefix (CP) inserted SC-MIMO while significantly reducing the computational complexity It is also shown that proposed TS aided QRM-MLBD achieves a significantly higher throughput than the MMSED particularly when higher level modulation is used
References
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Book
01 Jan 1986
TL;DR: In this paper, the authors propose a recursive least square adaptive filter (RLF) based on the Kalman filter, which is used as the unifying base for RLS Filters.
Abstract: Background and Overview. 1. Stochastic Processes and Models. 2. Wiener Filters. 3. Linear Prediction. 4. Method of Steepest Descent. 5. Least-Mean-Square Adaptive Filters. 6. Normalized Least-Mean-Square Adaptive Filters. 7. Transform-Domain and Sub-Band Adaptive Filters. 8. Method of Least Squares. 9. Recursive Least-Square Adaptive Filters. 10. Kalman Filters as the Unifying Bases for RLS Filters. 11. Square-Root Adaptive Filters. 12. Order-Recursive Adaptive Filters. 13. Finite-Precision Effects. 14. Tracking of Time-Varying Systems. 15. Adaptive Filters Using Infinite-Duration Impulse Response Structures. 16. Blind Deconvolution. 17. Back-Propagation Learning. Epilogue. Appendix A. Complex Variables. Appendix B. Differentiation with Respect to a Vector. Appendix C. Method of Lagrange Multipliers. Appendix D. Estimation Theory. Appendix E. Eigenanalysis. Appendix F. Rotations and Reflections. Appendix G. Complex Wishart Distribution. Glossary. Abbreviations. Principal Symbols. Bibliography. Index.

16,062 citations


"Frequency domain equalization for s..." refers methods in this paper

  • ...Adaptation can be done with LMS (least mean square), RLS, or least squares minimization (LS) techniques, analogous to adaptation of time domain equalizers [Hay96], [Cla98]....

    [...]

  • ...Overlap-save or overlap-add signal processing techniques could also be used to avoid the extra overhead of the cyclic prefix [Fer85], [Hay96]....

    [...]

Journal ArticleDOI
Jr. L.J. Cimini1
TL;DR: The analysis and simulation of a technique for combating the effects of multipath propagation and cochannel interference on a narrow-band digital mobile channel using the discrete Fourier transform to orthogonally frequency multiplex many narrow subchannels, each signaling at a very low rate, into one high-rate channel is discussed.
Abstract: This paper discusses the analysis and simulation of a technique for combating the effects of multipath propagation and cochannel interference on a narrow-band digital mobile channel. This system uses the discrete Fourier transform to orthogonally frequency multiplex many narrow subchannels, each signaling at a very low rate, into one high-rate channel. When this technique is used with pilot-based correction, the effects of flat Rayleigh fading can be reduced significantly. An improvement in signal-to-interference ratio of 6 dB can be obtained over the bursty Rayleigh channel. In addition, with each subchannel signaling at a low rate, this technique can provide added protection against delay spread. To enhance the behavior of the technique in a heavily frequency-selective environment, interpolated pilots are used. A frequency offset reference scheme is employed for the pilots to improve protection against cochannel interference.

2,627 citations


"Frequency domain equalization for s..." refers background in this paper

  • ...OFDM transmits multiple modulated subcarriers in parallel [ 1 ]....

    [...]

  • ...Several variations of orthogonal frequency-division multiplexing (OFDM) have been proposed as effective anti-multipath techniques, primarily because of the favorable trade-off they offer between performance in severe multipath and signal processing complexity [ 1 ]....

    [...]

Book
Simon Haykin1
01 Mar 1991

2,447 citations

Journal ArticleDOI
TL;DR: In this contribution the transmission of M-PSK and M-QAM modulated orthogonal frequency division multiplexed (OFDM) signals over an additive white Gaussian noise (AWGN) channel is considered and the degradation of the bit error rate is evaluated.
Abstract: In this contribution the transmission of M-PSK and M-QAM modulated orthogonal frequency division multiplexed (OFDM) signals over an additive white Gaussian noise (AWGN) channel is considered. The degradation of the bit error rate (BER), caused by the presence of carrier frequency offset and carrier phase noise is analytically evaluated. It is shown that for a given BER degradation, the values of the frequency offset and the linewidth of the carrier generator that are allowed for OFDM are orders of magnitude smaller than for single carrier systems carrying the same bit rate. >

1,816 citations

Journal ArticleDOI
D. Chu1
TL;DR: This correspondence describes the construction of complex codes of the form exp i \alpha_k whose discrete circular autocorrelations are zero for all nonzero lags.
Abstract: This correspondence describes the construction of complex codes of the form exp i \alpha_k whose discrete circular autocorrelations are zero for all nonzero lags. There is no restriction on code lengths.

1,624 citations