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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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25 Feb 2009
TL;DR: It is shown that DS-CDMA, MMSE, and BER have agreed on a strategy to co-ordinate their efforts towards eradicating infectious disease.
Abstract: あらまし 周波数選択性フェージング環境下での直接拡散符号分割マルチアクセス(DS-CDMA)の伝送特性を改 善する技術として,最小平均二乗誤差(MMSE)規範に基づく 1 タップ周波数領域等化(FDE)が知られている.しかし ながら,等化後の残留チップ間干渉(ICI)がビット誤り率(BER)特性の改善に限界を与える.筆者らはこれまで,周 波数領域で等化と逆拡散を同時に行うことで残留 ICI を抑圧する周波数領域ジョイント等化・逆拡散を提案してき た.しかし,1 タップの周波数領域ジョイント等化・逆拡散では,従来の MMSE-FDE に比べて BER 特性の改善効 果はわずかである.本論文では,すべての周波数での総合平均二乗誤差を最小とする MMSE 等化重みを導出し,マ ルチタップの周波数領域ジョイント等化・逆拡散を用いた時の DS-CDMA の平均 BER 特性を計算機シミュレーシ ョンにより明らかにしている.また,従来の 1 タップ MMSE-FDE およびこれまで用いていた 1 タップ周波数領域 ジョイント等化・逆拡散との比較を行っている. キーワード DS-CDMA,周波数領域信号検出,MMSE 重み

Additional excerpts

  • ...計算機シミュレーション 計算機シミュレーション諸元を表 1 に示す.変調方 式は QPSK および 16QAM,拡散率 SF=64,ガードイン ターバル Ng=16 サンプルとした.また,伝搬路は,L=16 パスで一様電力遅延プロファイルを有するブロックレ イリーフェージングを仮定した.チャネル推定は理想 としている. 表 1 計算機シミュレーション諸元 Modulation QPSK, 16QAM GI Ng=16 Spreading sequence Walsh sequence Spreading factor SF=64 No. of parallel codes U=1~64 Transmitter Scramble code Long PN sequence Fading type Frequency-selective block Rayleigh Channel Power delay profile L=16-path uniform power delay profile FFT block size SF Receiver Channel estimation Ideal 図 3 に MMSE 重み type II を用いるマルチタップ周 波数領域ジョイント等化・逆拡散の平均 BER 特性を示 す.ここで,横軸 Eb/N0(=(Es/N0)(SF+Ng)/log2M)は 1 ビ ットあたりの平均信号エネルギー対雑音電力スペクト ル密度である (M は変調レベルである ).また,比較の ため従来の 1 タップ MMSE-FDE の平均 BER 特性, MMSE 重み type I を用いる 1 タップ周波数領域ジョイ ント等化・逆拡散の平均 BER 特性および理論的下界 [9] の特性も示す.MMSE 重み type I を用いる 1 タップ周 波数領域ジョイント等化・逆拡散では ICI を十分に低 減できないため,従来の 1 タップ MMSE-FDE に比べ て BER の改善効果は U=4 または 16 の時にわずかに得 られる程度である.一方,MMSE 重み type II を用いる マルチタップ周波数領域ジョイント等化・逆拡散では, U=4 および 16 の時,従来の 1 タップ MMSE-FDE およ び MMSE 重み type I を用いる 1 タップ周波数領域ジョ イント等化・逆拡散に比べて大幅に BER 特性を改善で きる.これはすべての周波数における等化誤差を考慮 した MMSE 重みを用いているためである.16QAM を 用いた場合,従来の 1 タップ MMSE-FDE と比較して, BER=10−4 を達成する所要 Eb/N0 を U=4 では 3.6dB, U=16 では 6.2dB 低減できる.しかしながら,U=64 の ときは,MMSE 重み type II を用いるマルチタップ周波 数領域ジョイント等化・逆拡散と MMSE 重み type I を 用いる 1 タップ周波数領域ジョイント等化・逆拡散の BER 特性は同等である.これは,U=SF のときは,式 (13)内の CCH の非対角成分が 0 となり,MMSE 重み type II が MMSE 重み type I と等しくなるためである. 次に,コード多重数 U をパラメータとしたときの平 均 BER=10-4 を満たす所要 Eb/N0 特性を図 4 に示す.従 来の 1 タップ MMSE-FDE および MMSE 重み type I を 用いる 1 タップ周波数領域ジョイント等化・逆拡散で は,U=1 からコード多重数を増やしていくと BER 特性 が急激に増加し,U=64 に近づくにつれて BER 特性の 劣化は緩やかになる.つまり,等価拡散率 SF/U=1 の 特性から BER を改善するためには,U を大幅に小さく して等価拡散率を大きくし伝送レートを落とさなけれ ばならない.一方,MMSE 重み type II を用いるマルチ タップ周波数領域ジョイント等化・逆拡散では,U=1 からコード多重数を増やしていくと BER 特性が緩や かに増加し,U=64 に近づくにつれて BER 特性の劣化 が急峻になる.つまり,等価拡散率を少し大きくして 伝送レートを少し落とすだけで等価拡散率 SF/U=1 の 特性から BER を大幅に改善できる.QPSK の場合の BER=10-4 を満たす所要 Eb/N0=15dB を達成できるコー ド多重数を比較すると,従来の 1 タップ MMSE-FDE および MMSE 重み type I を用いる 1 タップ周波数領域 ジョイント等化・逆拡散では U=20 であるのに対し, MMSE 重み type II を用いるマルチタップ周波数領域ジ ョイント等化・逆拡散では U=55 となり,2.75 倍のレ ートで伝送できる.16QAM の場合は,BER=10-4 を満 たす所要 Eb/N0=20dB で比較すると,約 7 倍のレートで 伝送できる. MMSE 重み type II を用いれば,U<64 の場合,従来 の 1 タップ MMSE-FDE に比べて BER 特性を大幅に改 善できる.しかし,U×U 逆行列演算が必要となるため U が大きくなるにつれて演算量は増加する.16QAM の 場合の BER=10-4 を満たす所要 Eb/N0=20dB で比較する と,MMSE 重み type-2 を用いるマルチタップ周波数領 域ジョイント等化・逆拡散は,演算量は約 300 倍と非 常に大きくなってしまうものの,従来の 1 タップ MMSE-FDE に比べて約 7 倍のレートで伝送することが 可能である. 5....

    [...]

  • ...周波数領域等化 (FDE)を 用いれば,周波数ダイバーシチ効果を得ることができ るので,のビット誤り率 (BER)特性を大幅に改善でき る [3]....

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  • ...1.0E-01 1.0E-02 1.0E-03 1.0E-04 1.0E-05 5 10 15 20 QPSK SF=64 Ng=16 Lower bound Average received Eb/N0 (dB) A ve ra ge B ER One-tap joint FDE & Despreading One-tap MMSE-FDE 25 U=4 U=16 U=64 Multi-tap joint FDE & Despreading (a) QPSK 1.0E-01 1.0E-02 1.0E-03 1.0E-04 1.0E-05 10 15 20 25 16QAM SF=64 Ng=16 Lower bound Average received Eb/N0 (dB) A ve ra ge B ER One-tap joint FDE & Despreading One-tap MMSE-FDE 30 U=4 U=16 U=64 Multi-tap joint FDE & Despreading (b) 16QAM 図 3 MMSE 重み type-2 を用いるマルチタップ周波数 領域ジョイント等化・逆拡散の平均 BER 特性 12 16 14 20 10 0 16 32 48 QPSK SF=64 Ng=16 Code multiplexing order U A ve ra ge re ce iv ed E b/N 0 at av er ag e B ER =1 0- 4 (d B ) One-tap joint FDE & Despreading One-tap MMSE-FDE 64 Multi-tap joint FDE & Despreading 18 (a) QPSK 22 20 18 16 14 0 16 32 48 16QAM SF=64 Ng=16 Code multiplexing order U A ve ra ge re ce iv ed E b/N 0 at av er ag e B ER =1 0- 4 (d B ) One-tap joint FDE & Despreading One-tap MMSE-FDE 64 Multi-tap joint FDE & Despreading 24 26 28 (b) 16QAM 図 4 コード多重数の影響...

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  • ...まとめ 本論文では,すべての周波数における等化誤差を考 慮した MMSE 等化重み (MMSE 重み type II)を導出し, MMSE 重み type II を用いるマルチタップ周波数領域ジ ョイント等化・逆拡散をマルチコード DS-CDMA に適 用した時の平均 BER 特性を計算機シミュレーション により明らかにした.MMSE 重み type II を用いるマル チタップ周波数領域ジョイント等化・逆拡散では, U 64 の時,演算量の増加と引き換えに従来の 1 タッ プ MMSE-FDE および 1 タップ周波数領域ジョイント 等化・逆拡散に比べて大幅に BER 特性を改善できるこ とを示した.MMSE 重み type II を用いる周波数領域ジ ョイント等化・逆拡散では,伝送レートをわずかに落 とすだけで等価拡散率 SF/U=1 の特性から BER を大幅 に改善できるため,BER=10-4 を満たす所要 Eb/N0 が同 じ場合,従来の 1 タップ MMSE-FDE および MMSE 重 み type I を用いる 1 タップ周波数領域ジョイント等 化・逆拡散に比べて伝送レートを向上させることがで きる.演算量の問題が残っているが,これは今後の重 要な検討課題である. 文 献 [1] W. C., Jakes Jr., Ed,. Microwave mobile communications , Wiley, New York, 1974....

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  • ...まえがき 次世代の移動無線通信では,高速かつ高品質なデー タ伝送の実現が望まれている.しかし,移動無線チャ ネルは,遅延時間の異なる様々な伝搬路から構成され る周波数選択性フェージングチャネルであり,厳しい 符号間干渉が発生する [1, 2].周波数領域等化 (FDE)を 用いれば,周波数ダイバーシチ効果を得ることができ るので,のビット誤り率 (BER)特性を大幅に改善でき る [3].第 3 世代移動無線通信で Rake 合成が用いられ ている [4]が,Rake 受信の代わりに最小平均二乗誤差 規範に基づく周波数領域等化 (MMSE-FDE)を用いれば, DS-CDMA の BER 特性を大幅に改善できる [5].従来の MMSE-FDE では,まず受信信号を周波数領域信号に変 換した後に 1 タップ MMSE-FDE を行い,その後に時 間領域信号に戻して逆拡散を行っている.しかし, MMSE-FDE 後に残留するチップ間干渉 (ICI)が BER 特 性の改善に限界を与えてしまう [6]. 筆者らは以前,マルチコード DS-CDMA を対象に残 留 ICI を低減するため周波数領域で等化と逆拡散を同 時に行う信号検出法 (周波数領域ジョイント等化・逆拡 散 )を提案した [7].文献 [7]では,1 タップで等化と逆 拡散を同時に行うために,各周波数成分ごとに平均二 乗等化誤差を最小とするような MMSE 等化重み (以下 では MMSE 重み type I と呼ぶ )を導出していた.しか し,マルチコード伝送の場合,逆高速フーリエ変換 (IFFT)が不要となることによる演算量低減効果はある ものの,BER 特性の改善効果はわずかである. そこで,本論文では,すべての周波数成分を考慮し た MMSE 等化重み (以下では MMSE 重み type II と呼ぶ ) を導出している.そして,MMSE 重み type II を用いる マルチタップ周波数領域ジョイント等化・逆拡散をマ ルチコード DS-CDMA に適用した時の平均 BER 特性を 計算機シミュレーションにより明らかにしている.ま た,従来の 1 タップ MMSE-FDE や MMSE 重み type I を用いる 1 タップ周波数領域ジョイント等化・逆拡散 と比較している.本論文の構成は以下のようになって いる.第 2 章ではマルチコード DS-CDMA 伝送系につ いて述べる.第 3 章では周波数領域ジョイント等化・ 逆拡散について述べ,MMSE 重み type II を導出してい る.第 4 章では,平均 BER 特性を計算機シミュレーシ ョンによって求め,最後に第 5 章でまとめる. 2....

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Proceedings ArticleDOI
01 Aug 2006
TL;DR: The results show that the proposed approach is well suited in indoor wireless environment where multipath propagation tends to increase the effects of the interference.
Abstract: Low and high data-rate applications can be foreseen for future ultra-wideband systems which are based on impulse radio and proper detection schemes have to be designed for the most general scenarios. In this paper, we study the performance of a suitable communication scheme in two different short-range communication scenarios where a base station transmits low or high data-rate flows to several mobile terminals in an indoor environment characterized by severe multipath propagation. The proposed system relies on both the introduction of the cyclic prefix at the transmitter and the use of a frequency domain detector at the receiver. Two different detection strategies based either on the Zero Forcing (ZF) or on the Minimum Mean Square Error (MMSE) criteria have been investigated and compared with the classical RAKE. The results show that the proposed approach is well suited in indoor wireless environment where multipath propagation tends to increase the effects of the interference.

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

  • ...Frequency Domain Equalization (FDE) [6], proposed and studied for a single-carrier single-user environment, is simply the frequency domain analog of conventional equalizer....

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Patent
15 Sep 2006
TL;DR: In this paper, a partie modulation (101-1) module is used to generer a sequence of donnees and a CP (103) module to add a deuxieme sequence of denees to the sequence.
Abstract: Appareil d’emission radio ou, lorsqu’a la fois des premieres donnees et des deuxiemes donnees plus importantes que les premieres donnees sont placees dans un bloc unique, il est possible de maintenir correctement la caracteristique BER des deuxiemes donnees. Dans cet appareil, une partie modulation (101-1) module une premiere sequence de donnees pour generer un premier symbole de donnees, alors qu’une partie modulation (101-2) module une deuxieme sequence de donnees pour generer un deuxieme symbole de donnees. Une partie placement (102) place a la fois le premier symbole de donnees et la deuxieme sequence de donnees dans chacun des blocs constituant un signal a porteuse unique. A cet instant, la partie placement (102) place, dans le bloc unique, les premieres donnees a chaque extremite du bloc tout en placant les deuxiemes donnees, dont l’importance est plus grande que celle des premieres donnees, au centre du bloc. Une partie addition de CP (103) ajoute en tete du bloc dans lequel le premier et le deuxieme symboles de donnees sont places une partie extremite arriere de ce bloc en tant que CP.
Proceedings ArticleDOI
01 Aug 2021
TL;DR: In this paper, the average block error rate (BLER) performance of circular 256QAM schemes considering a peak-to-average power ratio measure called a cubic metric (CM) for discrete Fourier transform (DFT)-precoded OFDM in multipath fading channels was analyzed.
Abstract: This paper presents the average block error rate (BLER) performance of circular 256QAM schemes considering a peak-to-average power ratio measure called a cubic metric (CM) for discrete Fourier transform (DFT)-precoded orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) in multipath fading channels. Computer simulation results show that the required average received signal-to-noise power ratio (SNR) satisfying the average BLER of 10−2 considering the CM for the (16×16) circular 256QAM constellation is deceased by approximately 0.5 dB, and that for the (32×8) and (64×4) circular 256QAM constellations is deceased by approximately 0.3 dB compared to the rectangular 256QAM scheme when using reference signal (RS) based channel estimation. Therefore, we conclude that the circular 256QAM constellation with independent bit mapping to either the phase or amplitude information is effective in achieving a lower required average received SNR satisfying the target average BLER than that for rectangular 256QAM considering the CM in multipath fading channels.
Patent
20 Dec 2007
TL;DR: In this paper, the authors discuss the effect of different types of resiliency on the performance of a user. But they do not discuss the impact of different kinds of re-use.
Abstract: 変調方式または符号化率の少なくともいずれか一方を変更する送信装置が送信した信号を受信する受信装置であって、周波数領域で受信信号を等化する等化部と、等化後の受信信号から送信ビットの信頼性を算出する信頼性算出部と、信頼性算出部が算出した送信ビットの信頼性に基づいて相互情報量を算出する相互情報量算出部と、相互情報量算出部が算出した相互情報量に基づいて変調方式または符号化率の少なくともいずれか一方を設定し、送信装置に通知する信号を生成する通知信号生成部とを備える。
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