Modern day technology aspires to always progress. This progression leads to a lot of research in any significant area of improvement. There is a growing amount of end-users in the wireless spectrum which has led to a need for improved bandwidth usage and BER values. In other words, new technologies which would increase the capacity of wireless systems are proving to be a crucial point of research in these modern times. Different combinations of multiuser receivers are evaluated to determine performance under normal working conditions by comparing their BER performance charts. Multiple input, multiple output (MIMO) systems are incorporated into the system to utilise the increased capacity rates achievable using the MIMO configuration. The effect of MIMO on the technologies associated with modern day technological standards such as CDMA and OFDM have been investigated due to the significant capacity potentials these technologies normally exhibit in a single antenna scenario. An in-depth comparison is established before comparison is made with a conventional maximum likelihood (ML) detector. The complexity of the ML detector makes its realization evaluated in such a manner to achieve the same or near ML solution but with lower computational complexity. This was achieved using a proposed modification of the Schnorr-Euchner Sphere decoding algorithm (SE-SDA). The proposed sphere decoder (P-SD) adopts a modification of the radius utilised in the SE-SDA to obtain a near ML solution at a much lower complexity compared to the conventional ML decoder. The P-SD was configured to work in different MIMO antenna configurations. The need for the highest possible data rates from the available limited spectrum led to my research into the multi-user detection scenario and MIMO.

Dentro del marco de los sistemas de comunicaciones de banda ancha podemos encontrar canales modelados como sistemas MIMO (Multiple Input Multiple Output) en el que se utilizan varias antenas en el transmisor (entradas) y varias antenas en el receptor (salidas), o bien sistemas de un solo canal que puede ser modelado como los anteriores (sistemas multi-portadora o multicanal con interferencia entre ellas, sistemas multi-usuario con una o varias antenas por terminal móvil y sistemas de comunicaciones ópticas sobre fibra multimodo). Estos sistemas pretenden alcanzar valores de capacidad de transmisión relativa al ancho de banda muy superiores al de un único canal SISO (Single Input Single Output). Hoy en dÍa, existe, desde un punto de vista de implementación del sistema, una gran actividad investigadora dedicada al desarrollo de algoritmos de codificación, ecualización y detección, muchos de ellos de gran complejidad, que ayuden a aproximarse a las capacidades prometidas. En el aspecto relativo a la detección, las soluciones actuales se pueden clasificar en tres tipos: soluciones subóptimas, ML (Maximum Likelihood) o cuasi-ML e iterativas. En estas ultimas, se hace uso explicito de técnicas de control de errores empleando intercambio de información soft o indecisa entre el detector y el decodificador; en las soluciones ML o cuasi-ML se lleva a cabo una búsqueda en árbol que puede ser optimizada llegando a alcanzar complejidades polinómicas en cierto margen de relación señal-ruido; por ultimo dentro de las soluciones subóptimas destacan las técnicas de forzado de ceros, error cuadrático medio y cancelación sucesiva de interferencias SIC (Succesive Interference Cancellation), esta última con una versión ordenada -OSIC-. Las soluciones subóptimas, aunque no llegan al rendimiento de las ML o cuasi-ML son capaces de proporcionar la solución en tiempo polinómico de manera determinista. En la presente tesis doctoral, hemos implementado un método basado en la literatura para l / Martínez Zaldívar, FJ. (2007). Algoritmos paralelos segmentados para los problemas de mínimos cuadrados recursivos (RLS) y de detección por cancelación ordenada y sucesiva de interferencia (OSIC) [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/1873 / Palancia

Τα ασύρματα συστήματα πολλαπλών κεραιών MIMO αποτελούν ένα από τα βασικά μέτωπα ανάπτυξης των τηλεπικοινωνιών. Ωστόσο η εξαιρετικά τυχαία φύση τους καθώς και η αλληλεπίδραση μεταξύ των πολλαπλών ροών δεδομένων επιβάλει την χρήση σύγχρονων τεχνικών ισοστάθμισης. Η προσαρμοστική ισοστάθμιση στο δέκτη ενός τηλεπικοινωνιακού συστήματος χρησιμοποιείται για την αντιμετώπιση της δυναμικής φύσης του ασύρματου καναλιού και την ανίχνευση των αλλαγών στα χαρακτηριστικά του. Επίσης, μη γραμμικές τεχνικές ισοστάθμισης ανατροφοδότησης συμβόλων είναι απαραίτητες για την απομάκρυνση της διασυμβολικής παρεμβολής που παρουσιάζεται στα συγκεκριμένα συστήματα. Η παρούσα εργασία ασχολείται με μεθόδους προσαρμοστικής ισοστάθμισης στο δέκτη ενός τηλεπικοινωνιακού συστήματος. Διακρίνουμε τις εξής περιπτώσεις προσαρμοστικών αλγορίθμων για την ελαχιστοποίηση του σφάλματος, του αλγορίθμου Αναδρομικών Ελαχίστων Τετραγώνων (RLS), του επαναληπτικού αλγορίθμου Συζυγών Κλίσεων (CG) και του επαναληπτικού αλγορίθμου τροποποιημένων Συζυγών Κλίσεων (MCG). Όπως διαπιστώνουμε, όταν οι παραπάνω αλγόριθμοι χρησιμοποιηθούν με γραμμικές τεχνικές ισοστάθμισης έχουμε πολύ αργή σύγκλιση και γενικά υψηλό όριο σφάλματος. Συμπεραίνουμε λοιπόν ότι, προκειμένου να έχουμε γρήγορη σύγκλιση των προσαρμοστικών αλγορίθμων και αντιμετώπιση της διασυμβολικής παρεμβολής για τα συστήματα MIMO, είναι απαραίτητη η χρήση μη γραμμικών τεχνικών ισοστάθμισης. Αρχικά χρησιμοποιούμε την μέθοδο της γενικευμένης ανατροφοδότησης συμβόλων GDFE ενώ στη συνέχεια μελετάμε μία σύγχρονη τεχνική ανατροφοδότησης συμβόλων που χρησιμοποιεί ένα κριτήριο διάταξης για την ακύρωση των συμβόλων (OSIC ή V-BLAST). Όπως διαπιστώνεται και από τις εξομοιώσεις η συγκεκριμένη τεχνική επιτυγχάνει το χαμηλότερο όριο σφάλματος, αλλά με αυξημένο υπολογιστικό κόστος. Επίσης, διαπιστώνουμε ότι η εφαρμογή της τεχνικής αυτής με χρήση του τροποποιημένου αλγορίθμου Συζυγών Κλίσεων δεν είναι εφικτή. Στα πλαίσια αυτής της εργασίας, περιγράφουμε μια συγκεκριμένη υλοποίηση της τεχνικής διατεταγμένης ακύρωσης που κάνει χρήση του αλγορίθμου Αναδρομικών Ελαχίστων Τετραγώνων με μειωμένη πολυπλοκότητα. Στη συνέχεια γενικεύουμε την εφαρμογή της για την περίπτωση των αλγορίθμων Συζυγών Κλίσεων, και διαπιστώνουμε ότι ο τροποποιημένος αλγόριθμος Συζυγών Κλίσεων δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί ούτε σε αυτήν την περίπτωση. Για την υλοποίηση ενός συστήματος OSIC με χρήση του αλγορίθμου Συζυγών Κλίσεων είναι απαραίτητη η χρήση ενός αλγορίθμου που δεν έχει χρονική εξάρτηση σύγκλισης, όπως είναι ο βασικός αλγόριθμος Συζυγών Κλίσεων. / Wireless systems with multiple antenna configurations has recently emerged as one of the most significant technical breaktroughs in modern communications. However, because of the extremly random nature of the wireless channels, we have to use modern equalization methods in order to defeat the signal degradation. Adaptive equalization at the receiver of the telecommunication system can be used to compete this dynamic nature of the wireless channel and track the changes of its characteristics. Furthermore, nonlinear decision feedback methods are nessesary for the cancellation of the intersymbol interference which occurs with these systems. This work involves with adaptive equalization methods at the receiver of the telecommunication system. We use the following adaptive algorithms so as to minimize the error : the Recursive Least Squares algorithm (RLS), the iterative Conjugate Gradient algorithm (CG) and the iterative Modified Conjugate Gradient algorithm (MCG). When these algorithms are used with linear methods, they give very slow converge and high final error. So, it is neccessary to use nonlinear equalization methods in order to succeed fast converge rate and deal with the increazed intersymbol interference for MIMO systems. Firstly we use the generalized decision feedback method (GDFE), and then the modern method of ordered successive cancellation method (OSIC or V-BLAST). Based on the emulations we conclude that the last method succeed the lower error, but with high computational cost. Furthermore, we can't use OSIC method with Modified Conjugate Gradient algorithm. In this work, we describe a specific implementation of the OSIC method which uses RLS algorithm with low computational complexity. So we generalize its usage with the Conjugate Gradient algorithms. Finaly, we conclude that we can't also use MCG with OSIC method with low computational complexity. In order to construct an OSIC system based on Conjugate Gradient algorithm, the algorithm must not operate on time basis, like basic Conjugate Gradient algorithm does.

[EN] The insatiable demand for bandwidth of communication on the part of end-users, linked to the lowering the price of the terminals and in telecommunication services have led to a spectacular growth of the wireless communications market in recent years. Those entities that are responsible, at the international level, of the technological standardization have known to guide this growth writing standards as LTE (Long Term Evolution), IEEE 802.11 (WiFi) and IEEE 802.16 (WiMax) or 3G networks or 4GPP. They all share a common denominator, for the improvement of the spectral efficiency, the use of MIMO technologies, which uses multiple antennas on transmitter and receiver, and the use of high modulation schemes as 256QAM, introduced in revision 12 of the standard 3GPP-LTE. Under this perspective of great gains in the spectral efficiency, it is not surprising that MIMO technology has been incorporated into the standards mentioned above. However, achieving these gains is not trivial, to the extent that the VLSI implementation of this technology has become a challenge. In this thesis has undertaken a comprehensive study of different MIMO detectors, studying those belonging to the two families that show best features for being implemented in VLSI technology: successive interference cancellation (VBLAST detector) and based on a search in tree (KBest detector). Although initially the benefits achieved by the seconds (KBest) are far superior to those of the first (VBLAST), the recent appearance in the specialized literature of the Successive Projections Algorithm (SPA) opens the door to the development of a new detector, belonging to the family of the detectors of Successive Interference Cancellations (SIC), which will be able to compete in performance with the KBest detectors. This work provides the necessary algorithmic keys that make viable and competitive the hardware implementation of the SPA algorithm. In particular, two mechanisms of control of repetitions have been developed: Simplified-ESPA (SESPA) and Table-ESPA (TESPA), and the mechanisms for obtaining hard and soft output, existing in the literature, have been adapted to this algorithm. It has designed the first VLSI architecture for the SPA algorithm, being highly flexible, in the sense that adapts to different conditions of transmission and complies with the latest published specifications in the WiMAX and LTE standards. The flexibility of the architecture allows you to select different configurations of antennas in transmission and reception, from 2x2 to 4x4, different modulation schemes from QPSK until 256QAM, controls the balance between transmission rate and the benefits BER/FER and offers the soft output and hard output decisions. Finally, with this architecture has been implemented the SESPA and TESPA detectors, with soft output and hard output, in FPGA and ASIC technology. These detectors have been evaluated and compared to the best published in the specialized literature, achieving a peak rate of 465 Mbps for the detector SESPA 4x4 256QAM, with an area of 3.83 mm2 with a 90 nm technology. The detectors implemented offer as added value, in addition to the high configurability, the ability to decode 256-QAM without increasing the area. This feature is highly competitive with the non-linear detectors based on KBest, which are very sensitive, in regard to decoding rate and area, with the selected modulation scheme. In addition, the detectors based on ESPA reach a FER performance (soft output) clearly competitive with KBest detectors, due to a higher quality of the LLR generated by the ESPA. The comparison with other flexible architectures selected shows that the SESPA and TESPA detectors offer the greater configurability of transmission parameters and the best balance between area, BER performance and detection rate. / [ES] La insaciable demanda de ancho de banda de comunicación por parte de los usuarios finales, unido al abaratamiento de los terminales y de los servicios de telecomunicación han provocado un crecimiento espectacular del mercado de las comunicaciones inalámbricas en estos últimos años. Las entidades responsables, a nivel internacional, de la estandarización tecnológica han sabido acompañar y guiar este crecimiento redactando normas como LTE (Long Term Evolution), IEEE 802.11 (WiFi) e IEEE 802.16 (WiMax) o las redes 3G o 4GPP. Todas ellas comparten como denominador común, para la mejora de la eficiencia espectral, el uso de las tecnologías MIMO, que utiliza múltiples antenas en emisor y receptor, y el uso de esquemas de modulación elevados como 256QAM, introducido en la revisión 12 del estándar 3GPP-LTE. Bajo esta perspectiva de grandes ganancias en la eficiencia espectral, no es de extrañar que la tecnología MIMO haya sido incorporada en los estándares mencionados anteriormente. No obstante, conseguir estas ganancias no es trivial, hasta el punto de que la implementación VLSI de esta tecnología se ha convertido en un reto. En esta tesis se ha realizado un estudio exhaustivo de diferentes detectores MIMO, fijando el punto de mira en aquellos pertenecientes a las dos familias que muestran mejores características para su implementación VLSI: cancelación sucesiva de interferencias (detector VBLAST) y basados en búsqueda en árbol (detector KBest). Aunque inicialmente las prestaciones alcanzadas por los segundos (KBest) son muy superiores a las de los primeros (VBLAST), la reciente aparición en la literatura especializada del algoritmo de proyecciones sucesivas (SPA) abre la puerta al desarrollo de un nuevo detector, que pueda competir en prestaciones con los detectores KBest. La tesis aporta las claves algorítmicas necesarias que hacen viable y competitiva la implementación hardware del algoritmo SPA. En particular, se han desarrollado dos mecanismos de control de repeticiones: Simplified-ESPA (SESPA) y Table-ESPA (TESPA), y se han adaptado los mecanismos de obtención de salidas hard output y soft output, existentes en la literatura, a este algoritmo. Se ha diseñado la primera arquitectura VLSI para el algoritmo SPA, siendo ésta altamente flexible, en el sentido de que se adapta a diferentes condiciones de transmisión y cumple con las últimas especificaciones publicadas en los estándares WiMAX y LTE. La flexibilidad de la arquitectura permite seleccionar diferentes configuraciones de antenas en transmisión y recepción, desde 2x2 hasta 4x4, diferentes esquemas de modulación desde QPSK hasta 256QAM, controla el balance entre tasa de transmisión y las prestaciones BER/FER y ofrece las decisiones soft output y hard output. Finalmente, con esta arquitectura se ha realizado la implementación de los detectores SESPA y TESPA, con salidas soft output y hard output, en los dispositivos FPGA y ASIC. Estos detectores han sido evaluados y comparados con los mejores publicados en la literatura especializada, consiguiendo la tasa de pico máxima de 465 Mbps para el detector SESPA 4x4 256QAM, en un área de 3.83 mm2 con una tecnología de 90 nm. Los detectores implementados ofrecen como valor añadido, además de la alta configurabilidad, la posibilidad de decodificar 256QAM sin incrementar el área. Esta característica es altamente competitiva con los detectores no lineales basados en KBest, que son muy sensibles, en cuanto a tasa de decodificación y área se refiere, con el esquema de modulación seleccionado. Además, los detectores basados en ESPA alcanzan unas prestaciones FER (soft output) claramente competitivas con los detectores KBest, debido a la mayor calidad del LLR generado por el ESPA. La comparación con otras arquitecturas flexibles seleccionadas demuestra que los detectores SESPA y TESPA ofrecen la mayor configurabilidad de parámetros de transmisión y el mejor equilibrio entre área, pr / [CAT] La insaciable demanda d'ample de banda de comunicació per part dels usuaris finals, unit a l'abaratiment dels terminals i dels servicis de telecomunicació han provocat un creixement espectacular del mercat de les comunicacions sense fils en aquests últims anys. Les entitats responsables, a nivell internacional, de l'estandardització tecnològica han sabut acompanyar i guiar aquest creixement redactant normes com LTE (Long Term Evolution), IEEE 802.11 (WiFi) i IEEE 802.16 (WiMax) o les xarxes 3G o 4GPP. Totes elles comparteixen com denominador comú, per a la millora de l'eficiència espectral, l'ús de les tecnologies MIMO, que utilitza múltiples antenes en emissor i receptor, i l'ús d'esquemes de modulació elevats com 256QAM, introduït en la revisió 12 de l'estàndard 3GPP-LTE. Baix esta perspectiva de grans guanys en l'eficiència espectral, no és d'estranyar que la tecnologia MIMO hi haja estat incorporada en els normatives mencionats anteriorment. No obstant això, aconseguir aquests guanys no és trivial, fins l'extrem que la implementació VLSI d'aquesta tecnologia s'ha convertit en un repte. En aquesta tesi s'ha realitzat un estudi exhaustiu de diferents detectors MIMO, fixant el punt de mira en aquells que pertanyen a les dos famílies que mostren millors característiques per a la seua implementació VLSI: cancel-lació successiva d'interferències (detector VBLAST) i els basats en recerca en arbre (detector KBest). Encara que inicialment les prestacions aconseguides pels segons (KBest) són molt superiors a les dels primers (VBLAST), la recent aparició en la literatura especialitzada de l'algoritme de projeccions successives (SPA) permet el desenvolupament d'un nou detector, que puga competir en prestacions amb els detectors KBest. Este treball aporta les claus algorítmiques necessàries que fan viable i competitiva la implementació hardware de l'algoritme SPA. En particular, s'han desenvolupat dos mecanismes de control de repeticions: Simplified-ESPA (SESPA) i Table-ESPA (TESPA), i s'han adaptat els mecanismes d'obtenció d'eixides hard-output i soft-output, existents en la literatura, a aquest algoritme. S'ha dissenyat la primera arquitectura VLSI per a l'algoritme SPA, sent aquesta altament flexible, en el sentit de que s'adapta a diferents condicions de transmissió i acompleix les últimes especificacions publicades en els estàndards WiMax i LTE. La flexibilitat de l'arquitectura permet seleccionar diferents configuracions d'antenes en transmissió i recepció, des de 2x2 fins 4x4, diferents esquemes de modulació des de QPSK fins 256QAM, controla el balanç entre taxa de transmissió i les prestacions BER/FER i ofereix les decisions hard output i soft output. Finalment, amb l'arquitectura proposta s'ha realitzat la implementació dels detectors SESPA i TESPA, amb eixides hard output i soft output, en els dispositius FPGA i en ASIC. Aquests detectors han segut valorats i comparats amb els millors publicats en la literatura especialitzada, i s'ha aconseguint la taxa de pic màxim de 465 Mbps per al detector SESPA 4x4 256QAM, dins una àrea de 3.83 mm2 en una tecnologia de 90 nm. Els detectors implementats ofereixen com a valor afegit, a més de l'alta configurabilitat, la possibilitat de decodificar 256QAM sense incrementar l'àrea. Esta característica és altament competitiva en els detectors no lineals basats en KBest, que són molt sensibles, en relació a taxa de decodificació i a l'àrea del circuit, a l'esquema de modulació seleccionada. A més a més, els detectors basats en ESPA aconsegueixen unes prestacions FER (soft output) clarament competitives amb els detectors KBEST, degut a la major qualitat del LLR generat per l'ESPA. La comparació amb altres arquitectures flexibles seleccionades demostra que els detectors SESPA i TESPA ofereixen una major configurabilitat de paràmetres de transmissió i un millor equilibri entre l'àrea del circuit, les prestacions BER i la taxa de dete / Marín-Roig Ramón, J. (2016). Implementación VLSI del algoritmo de proyecciones sucesivas para detección de sistemas MIMO [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/62164 / TESIS