Abstract The aim of the thesis is to develop algorithms and architectures to meet the high data rate, low complexity requirements of the future mobile communication systems. Algorithms, architectures and implementations for detection, channel estimation and interference mitigation in the multiple-input multiple-output (MIMO) orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) receivers are presented. The performance-complexity trade-offs in different receiver algorithms are studied and the results can be utilized in receiver design as well as in system design. Implementation of detectors for spatial multiplexing systems is considered first. The linear minimum mean squared error (LMMSE) and the K-best list sphere detector (LSD) are compared to the successive interference cancellation (SIC) detector. The SIC algorithm was found to perform worse than the K-best LSD when the MIMO channels are highly correlated. The performance difference diminishes when the correlation decreases. With feedback to the transmitter, the performance difference is even smaller, but the full rank transmissions still require a more complex detector. A reconfigurable receiver, using a simple or a more complex detector as the channel conditions change, would achieve the best performance while consuming the least amount of power in the receiver. The use of decision directed (DD) channel estimation is also studied. The 3GPP long term evolution (LTE) based pilot structure is used as a benchmark. The performance and complexity of the pilot symbol based least-squares (LS) channel estimator, the minimum mean square error (MMSE) filter and the DD space-alternating generalized expectation-maximization (SAGE) algorithm are studied. DD channel estimation and MMSE filtering improve the performance with high user velocities, where the pilot symbol density is not sufficient. With DD channel estimation, the pilot overhead can be reduced without any performance degradation by transmitting data instead of pilot symbols. Suppression of co-channel interference in the MIMO-OFDM receiver is finally considered. The interference and noise spatial covariance matrix is used in data detection and channel estimation. Interference mitigation is applied for linear and nonlinear detectors. An algorithm to adapt the accuracy of the matrix decomposition and the use of interference suppression is proposed. The adaptive algorithm performs well in all interference scenarios and the power consumption of the receiver can be reduced. / Tiivistelmä Tämän väitöskirjatyön tavoitteena on kehittää vastaanotinalgoritmeja ja -arkkitehtuureja, jotka toteuttavat tulevaisuuden langattomien tietoliikennejärjestelmien suuren datanopeuden ja pienen kompleksisuuden tavoitteet. Työssä esitellään algoritmeja, arkkitehtuureja ja toteutuksia ilmaisuun, kanavaestimointiin ja häiriönvaimennukseen monitulo-monilähtötekniikkaa (multiple-input multiple-output, MIMO) ja ortogonaalista taajuusjakokanavointia (orthogonal frequency division multiplexing, OFDM) yhdistäviin vastaanottimiin. Algoritmeista saatavaa suorituskykyhyötyä verrataan vaadittavaan toteutuksen monimutkaisuuteen. Työn tuloksia voidaan hyödyntää sekä vastaanotin- että järjestelmäsuunnittelussa. Lineaarista pienimmän keskineliövirheen (minimum mean square error, MMSE) ilmaisinta ja listapalloilmaisinta (list sphere detector, LSD) verrataan peräkkäiseen häiriönpoistoilmaisimeen (successive interference cancellation, SIC). SIC-ilmaisimella on huonompi suorituskyky kuin LSD-ilmaisimella radiokanavan ollessa korreloitunut. Korrelaation pienentyessä myös ilmaisimien suorituskykyero pienenee. Erot suorituskyvyissä ovat vähäisiä silloinkin, jos järjestelmässä on takaisinkytkentäkanava lähettimelle. Tällöinkin korkean signaali-kohinasuhteen olosuhteissa LSD-ilmaisimet mahdollistavat tilakanavoidun, suuren datanopeuden tiedonsiirron. Radiokanavan muuttuessa uudelleenkonfiguroitava vastaanotin toisi virransäästömahdollisuuden vaihtelemalla kompleksisen ja yksinkertaisen ilmaisimen välillä. Kanavaestimointialgoritmeja ja niiden toteutuksia vertaillaan käyttämällä lähtökohtana nykyisen mobiilin tiedonsiirtostandardin viitesignaalimallia. Tutkittavat algoritmit perustuvat pienimmän neliösumman (least squares, LS) ja pienimmän keskineliövirheen menetelmään, sekä päätöstakaisinkytkettyyn (decision directed, DD) kanavaestimointialgoritmiin. DD-kanavaestimaattori ja MMSE-suodatin parantavat vastaanottimen suorituskykyä korkeissa käyttäjän nopeuksissa, joissa viitesignaaleiden tiheys ei ole riittävä. DD-kanavaestimoinnilla datanopeutta voidaan nostaa viitesignaaleiden määrää laskemalla vaikuttamatta suorituskykyyn. Työssä tarkastellaan myös saman kanavan häiriön vaimennusta. Häiriöstä ja kohinasta koostuvaa kovarianssimatriisia käytetään ilmaisuun ja kanavaestimointiin. Työssä esitetään adaptiivinen algoritmi matriisihajoitelman tarkkuuden ja häiriön vaimennuksen säätämiseen. Algoritmi mahdollistaa hyvän suorituskyvyn kaikissa häiriötilanteissa vähentäen samalla virrankulutusta.

Abstract This thesis concentrates on joint optimization of transmit power allocation and receive filtering in multiuser, multi-antenna communications. Due to the increasing number of wireless devices, the design of energy-efficient communication links is becoming increasingly important. In cellular mobile communications, reducing the average power consumption in uplink transmission is beneficial for users in order to extend battery life and, hence, energy efficiency in general. However, the power consumption of the high power amplifier (HPA) at the transmitter depends on the peak power of the transmission. This thesis focuses on power allocation problems for single-carrier (SC) frequency division multiple access (FDMA) and orthogonal FDMA (OFDMA) transmission assuming iterative reception. The goal in the first scheme presented in this thesis is to reduce the average power consumption by designing a power allocation method that takes into account the convergence properties of an iterative receiver in multiuser uplink communications. The proposed scheme can guarantee that the desired quality of service (QoS) is achieved after a sufficient number of iterations. Reducing the peak-to-average power ratio (PAPR) in any transmission system is beneficial because it allows the use of inexpensive, energy-efficient power amplifiers. The goal in the second scheme presented in this thesis is to control the PAPR of the transmitted signal. Hence, in addition to the QoS constraint, the instantaneous PAPR constraint is derived for SC-FDMA and OFDMA transmission. Moreover, a statistical approach is considered in which the power variance of the transmitted waveform is controlled. The QoS and PAPR constraints are considered jointly and, therefore, the proposed power allocation strategy jointly takes into account the channel quality and the PAPR characteristics of the power amplifier. However, the PAPR constraint can be adopted to any SC-FDMA or OFDMA framework and it is not restricted to the scheme presented in this thesis. The objective of the optimization problems considered throughout the thesis is to minimize the sum power. The majority of the derived constraints are non-convex and therefore, two alternative successive convex approximations (SCAs) are derived for all the non-convex constraints considered. The numerical results show that the proposed power allocation strategies can significantly reduce the average transmission power of users while allowing flexible PAPR control. Hence, the proposed methods can be used to extend battery life for users and especially improve the QoS at the cell edges. / Tiivistelmä Väitöskirjassa tutkitaan lähettimessä tapahtuvan tehoallokoinnin sekä vastaanottimessa tapahtuvan signaalin suodatuksen yhteisoptimointia monikäyttöön suunnatussa langattomassa moniantennikommunikaatiossa. Langattomien laitteiden lukumäärän kasvaessa energiatehokkuuden merkitys tiedonsiirtolinkkien suunnittelussa korostuu. Soluihin perustuvassa langattomassa tietoliikenteessä keskimääräisen tehonkulutuksen pienentäminen ylälinkkilähetyksessä (käyttäjältä tukiasemaan) on tärkeää käyttäjän kannalta, sillä se pidentää laitteen akun kestoa. Lähettimen tehovahvistimen (high power amplifier (HPA)) tehonkulutus on kuitenkin verrannollinen lähetyksen huipputehoon. Väitöskirjassa luodaaan uusia menetelmiä sekä vertaillaan tehoallokointia yhden kantoaallon taajuustason monikäyttöön (single carrier frequency division multiple access (SC-FDMA)) ja ortogonaalisen taajuustason monikäyttöön (orthogonal FDMA (OFDMA)) perustuvissa lähetysteknologioissa. Työn ensimmäisessä osiossa tavoitteena on keskimääräisen tehonkulutuksen pienentäminen monen käyttäjän ylälinkkikommunikaatiossa suunnittelemalla tehoallokointimenetelmä, joka ottaa huomioon iteratiivisen vastaanottimen konvergenssiominaisuudet. Työssä ehdotettu menetelmä takaa vastaanotetun informaation halutun laadun (quality of service (QoS)) riittävän monen vastaanottimessa tehdyn iteraation jälkeen. Huipputehon ja keskitehon suhteen (peak to average power ratio (PAPR)) pienentäminen missä tahansa lähetyksessä on hyödyllistä, sillä sen ansiosta voidaan käyttää energiatehokkaampia ja halvempia tehovahvistimia. Työn jälkimmäisessä osiossa tavoitteena on kontrolloida lähetetyn signaalin huipputehon ja keskitehon suhdetta. Työn ensimmäisessä osiossa esitetyn QoS-rajoitteen lisäksi tehoallokointia rajoitetaan symbolisekvenssikohtaisella PAPR-rajoitteella SCFDMA- ja OFDMA-lähetyksessä. Lisäksi esitetään tilastollinen menetelmä, jossa rajoitetaan lähetetyn signaalin tehon varianssia. Kun käytetään yhtäaikaisesti QoS- ja PAPR-rajoitteita, voidaan tiedonsiirtokanavaan suunnitella optimaalinen tehoallokointi ottaen huomioon tehovahvistimen epälineaarisuudet. Työssä esitetty PAPR-rajoite on kuitenkin geneerinen, ja se voidaan sovittaa mihin tahansa SCFDMA- tai OFDMA- optimointikehykseen. Työssä esitettävien optimointiongelmien tavoitteena on käyttäjien summatehon minimointi. Suurin osa työssä esiintyvistä ongelmista on ei-konvekseja, joten siinä esitetään kaksi vaihtoehtoista peräkkäinen konveksi approksimaatio (successive convex approximation (SCA)) -menetelmää kaikille ei-konvekseille rajoitteille. Numeeriset tulokset osoittavat, että esitetyt tehoallokointimenetelmät pienentävät merkittävästi keskimääräistä tehonkulutusta mahdollistaen lisäksi adaptiivisen PAPR-kontrolloinnin. Väitöskirjassa esitettyjen menetelmien avulla voidaan pidentää mobiilikäyttäjien akun kestoa sekä erityisesti parantaa solun reunakäyttäjien palvelun laatua.