Turbo-codes have attracted an explosion of interest since their discovery in 1993: for the first time, the gap with the limits predicted by information and coding theory was on the way to be bridged. The astonishing performance of turbo-codes relies on two major concepts: code concatenation so as to build a powerful global code, and iterative decoding in order to efficiently approximate the optimal decoding process. As a matter of fact, the techniques involved in turbo coding and in the associated iterative decoding strategy can be generalized to other problems frequently encountered in digital communications. This results in a so-called turbo principle. A famous application of the latter principle is the communication scheme referred to as turbo-equalization: when considering coded transmission over a frequency-selective channel, it enables to jointly and efficiently perform the equalization and decoding tasks required at the receiver. This leads by the way to significant performance improvement with regard to conventional disjoint approaches. In this context, the purpose of the present thesis is the derivation and the performance study of novel digital communication receivers, which perform iterative joint detection and decoding by means of the turbo principle. The binary turbo-equalization scheme is considered as a starting point, and improved in several ways, which are detailed throughout this work. Emphasis is always put on the performance analysis of the proposed communication systems, so as to reach insight about their behavior. Practical considerations are also taken into account, in order to provide realistic, tractable, and efficient solutions.

[pt] Este trabalho tem como finalidade estudar o problema da detecção de usuários no canal reverso de sistemas MIMO de larga escala, que são caracterizados pelo elevado número de elementos de transmissão e recepção, com foco na complexidade computacional e no desempenho em termos de taxa de erro destes sistemas. Inicialmente, os algoritmos de detecção da família Likelihood Ascent Search (LAS) são investigados e é desenvolvido um novo algoritmo de detecção, denominado de Random-List Based LAS (RLBLAS), capaz de atingir melhores taxas de erros com menor complexidade computacional do que os demais detectores considerados. Posteriormente, técnicas de detecção e decodificação iterativas (Iterative Detection and Decoding - IDD) em sistemas MIMO foram analisadas de forma a propor uma estratégia IDD de complexidade computacional reduzida a fim de viabilizar a sua aplicação em cenários massivos. Finalmente, o problema da contaminação por pilotos em sistemas MIMO multicelulares de larga escala, um dos principais limitadores do desempenho desse tipo de sistema, é estudado e estratégias de detecção com cooperação parcial entre as estações base componentes do sistema que visam mitigar os efeitos da contaminação por pilotos são propostas. As análises e afirmações realizadas durante a presente tese são sustentadas por resultados de simulações de Monte Carlo dos sistemas de comunicações em diversos cenários distintos, incluindo os casos em que são considerados os efeitos de correlação entre as antenas de transmissão/recepção, os efeitos de sombreamento e os erros de estimação dos estados dos canais de comunicações envolvidos. / [en] This work focuses on the multi-user multi-cellular large-scale MIMO reverse channel detection problem, where the number of transmitting and receiving antenna elements grows to the order of hundreds. In these scenarios, one major issue is the computational complexity of such systems. Therefore, this thesis aims to propose low-complexity techniques with good BER performance for the reverse channel detection of MIMO systems. Initially, the detection algorithms of the Likelihood Ascent Search (LAS) family are investigated and a new LAS based detector is proposed. This new detector, named Random-List Based LAS (RLB-LAS), is capable of achieving better BER with lower complexity then the other considered detectors. Next, iterative detection and decoding (IDD) techniques are analyzed in order to propose an IDD strategy applied to the detection and decoding of the reverse MIMO channel with reduced complexity to make possible its application to massive scenarios. Finally, the pilot contamination problem in multi-cellular large-scale MIMO systems, one of the major bounds on BER performance of these systems, are studied and some cooperative strategies are proposed in order to reduce the effects of this type of impairments. The analysis and statements of this thesis are supported by Monte Carlo simulation results of the considered systems in different scenarios, including the cases where the effects of transmitting and receiving antenna correlation, log-normal shadowing, and the estimation errors on the channel state information acquisition are considered.

[pt] Com um número crescente de antenas em sistemas MIMO, o consumo de energia e os custos das interfaces de rádio correspondentes tornam-se relevantes. Nesse contexto, uma abordagem promissora é a utilização de conversores de dados de baixa resolução. Neste estudo, propomos dois novos pré-codificadores ótimos para a sinais de envelope constante e quantização de fase. O primeiro maximiza a distância mínima para o limite de decisão (MMDDT) nos receptores, enquanto o segundo minimiza o erro médio quadrático entre os símbolos dos usuários e o sinal de recepção. O design MMDDT apresetado nesse estudo é uma generalização de designs anteriores que baseiam-se em quantização de 1-bit. Além disso, ao contrário do projeto MMSE anterior que se baseia na resolução de 1-bit, a abordagem proposta emprega quantização de fase uniforme e a etapa de limite no método branch-and-bound é diferente em termos de considerar o relaxamento mais restritivo do problema não convexo, que é então utilizado para um design sub ótimo também. Além disso, três métodos diferentes de detecção suave e um esquema iterativo de detecção e decodificação que permite a utilização de codificação de canal em conjunto com pré-codificação de baixa resolução são propostos. Além de uma abordagem exata para calcular a informação extrínseca, duas aproximações com reduzida complexidade computacional são propostas. Os algoritmos propostos de pré-codificação branch-and-bound são superiores aos métodos existentes em termos de taxa de erro de bit. Resultados numéricos mostram que as abordagens propostas têm complexidade significativamente menor do que a busca exaustiva. Finalmente, os resultados baseados em um código de bloco LDPC indicam que os esquemas de processamento de recepção geram uma taxa de erro de bit menor em comparação com o projeto convencional. / [en] With an increasing number of antennas in multiple-input multiple-output (MIMO) systems, the energy consumption and costs of the corresponding front ends become relevant. In this context, a promising approach is the consideration of low-resolution data converters. In this study two novel optimal precoding branch-and-bound algorithms constrained to constant envelope signals and phase quantization are proposed. The first maximizes the minimum distance to the decision threshold (MMDDT) at the receivers, while the second minimizes the MSE between the users data symbols and the receive signal. This MMDDT design presented in this study is a generalization of prior designs that rely on 1-bit quantization. Moreover, unlike the prior MMSE design that relies on 1-bit resolution, the proposed MMSE approach employs uniform phase quantization and the bounding step in the branch-and-bound method is different in terms of considering the most restrictive relaxation of the nonconvex problem, which is then utilized for a suboptimal design also. Moreover, three different soft detection methods and an iterative detection and decoding scheme that allow the utilization of channel coding in conjunction with low-resolution precoding are proposed. Besides an exact approach for computing the extrinsic information, two approximations with reduced computational complexity are devised. The proposed branch-and-bound precoding algorithms are superior to the existing methods in terms of bit error rate. Numerical results show that the proposed approaches have significantly lower complexity than exhaustive search. Finally, results based on an LDPC block code indicate that the proposed receive processing schemes yield a lower bit-error-rate compared to the conventional design.