Abstract Future wireless systems will require high data rate with low transmit and processing power consumption. A combination of multiple-input multiple-output (MIMO) transmission with orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) is a promising approach for offering better performance in terms of the capacity and quality of service (QoS). The detector in the wireless receiver is one of the highest power consuming parts. In order to minimize the power consumption, it is desirable for the detector to be able to change the detection algorithm to suit the channel conditions. In this thesis work, we study the suitability of different MIMO detection algorithms for adaptive operation. The selective spanning with fast enumeration (SSFE), K-best list sphere detector (LSD), linear minimum mean square error (LMMSE), and successive interference cancellation (SIC) detectors are compared to each other in terms of communications performance in the 4 × 4 and 8 × 8 MIMO–OFDM systems. The impact of least squares (LS) and minimum mean square error (MMSE) channel estimation methods, mobile speed, and transmit precoding at the base station on detector algorithm selection is also considered. The SIC detector is shown to suffer from error propagation in poor channel conditions. The SSFE detector is unable to outperform the K-best LSD and is occasionally outperformed by the LMMSE detector. The LMMSE detector is able to outperform the K-best LSD on the low signal-to-noise (SNR) regime when the mobile speed is high and the spatial channel correlation is low or moderate; it is also found to be more robust against channel estimation errors. Because a realistic adaptive detector is expected to support only two detection algorithms, the K-best LSD and LMMSE are selected based on the performance results for application specific integrated circuit (ASIC) architecture design and further comparison. The chosen algorithms are evaluated by considering the performance and implementation results. The K-best LSD provides good performance under challenging channel conditions with the cost of high complexity and power consumption. The LMMSE detector is energy efficient but performs poorly in correlated channels. However, exceptions exist, and detailed results on when to use a simple detector and when to use a complex detector are provided. / Tiivistelmä Tulevaisuuden langattomat tietoliikennejärjestelmät edellyttävät suurta datanopeutta ja vähäistä tehonkulutusta datan lähetyksessä ja käsittelyssä. Monitulo-monilähtötekniikan (MIMO) ja monikantoaaltomoduloinnin (OFDM) yhdistelmä (MIMO–OFDM) on lupaava lähestymistapa hyvän suorituskyvyn saavuttamiseksi, sekä kapasiteetin että luotettavuuden kannalta. Yksi langattoman vastaanottimen eniten tehoa kuluttavista osista on ilmaisin. Tehonkulutuksen minimoimiseksi tulisi ilmaisimen pystyä vaihtamaan ilmaisinalgoritmia radiokanavan olosuhteisiin sopivaksi. Tässä väitöskirjatyössä tarkastellaan erilaisten MIMO-ilmaisinalgoritmien sopivuutta mukautuvaan ilmaisuun. Listapalloilmaisimen (list sphere detector, LSD), valikoivan laajennuksen listailmaisimen (selective spanning with fast enumeration, SSFE), lineaarisen pienimmän keskineliövirheen ilmaisimen (linear minimum mean square error, LMMSE) ja peräkkäisen häiriönpoistoilmaisimen (successive interference cancellation, SIC) suorituskykyjä verrataan toisiinsa sekä 4 × 4 että 8 × 8 MIMO–OFDM järjestelmissä. Pienimmän neliösumman (LS) ja pienimmän keskineliövirheen (MMSE) kanavaestimointialgoritmien, vastaanottimen nopeuden ja lähetyksen esikoodauksen vaikutus ilmaisinalgoritmin valintaan otetaan huomioon vertailussa. Haastavissa kanavaolosuhteissa SIC-ilmaisin kärsii virheen etenemisestä. SSFE-ilmaisimen suorituskyky on huonompi kuin K-best LSD-ilmaisimen, ja joissakin tilanteissa huonompi kuin LMMSE-ilmaisimen. LMMSE-ilmaisin pystyy parempaan suorituskykyyn kuin K-best LSD-ilmaisin kun signaali-kohinasuhde (SNR) on pieni, vastaanottimen nopeus on suuri ja radiokanavan korrelaatio on matala tai kohtalainen. LMMSE-ilmaisin myös kestää epätarkat kanavaestimaatit paremmin kuin LSD-ilmaisin. Realistisessa vastaanottimessa mukautuva ilmaisin tukee vain kahta ilmaisinalgoritmia, ja sen takia K-best LSD and LMMSE-ilmaisimet valittiin suorituskykytulosten perusteella toteutettaviksi ASIC-teknologialla. Valittuja ilmaisinalgoritmeja arvioidaan sekä suorituskyvyn että toteutustulosten perusteella. K-best LSD-ilmaisimella on hyvä suorituskyky haastavissa kanavaolosuhteissa, mutta toteutus on monimutkainen ja tehonkulutus korkea. LMMSE-ilmaisin on energiatehokas, mutta suorituskyky on huono korreloivissa kanavissa. Poikkeuksia näihin tilanteisiin kuitenkin esiintyy, ja työssä esitetään suositus milloin yksinkertaista ilmaisinta voidaan käyttää tehonkulutuksen minimoimiseksi ja milloin taas monimutkainen ilmaisin on välttämätön luotettavan tiedonsiirron takaamiseksi.

Abstract The demand in mobile broadband communications is increasing dramatically. It is expected that 1000 times more mobile-network capacity will be needed within 10 years. Multiple-input, multiple-output (MIMO) antenna configuration and spatial multiplexing are among the essential techniques for reaching the targets. This creates motivation for study of advanced receivers for combating inter-antenna interference (IAI) and inter-symbol interference (ISI). While various receiver structures have been extensively considered for MIMO receivers, the emphasis has been on those operating in downlink orthogonal frequency-division multiple access (OFDM) systems, wherein ISI is not a problem. Advanced receiver structures for single-carrier frequency-division multiple access (SC-FDMA) uplink systems were studied and analysed. Various receivers were compared via MATLAB simulations, with the objective being to gain solid understanding of how they perform in different channel environments. An efficient combination of IAI and ISI equalisation for SC-FDMA receivers is proposed. The proposed receiver architecture is shown to be a considerable improvement over the conventional linear minimum mean-square error (LMMSE) receiver. Several MIMO detector algorithms and their performance–complexity characteristics are presented. The K-best algorithm with a list size of 8 is shown to be the best option for practical MIMO detector implementation of this receiver in the 4x4 MIMO 64-level quadrature amplitude modulation (QAM) scenario. The second objective involved examining the implementation aspects of the 8-best receiver to achieve good understanding of the complexity of various implementation architectures. It emerged that avoiding the sorting operation in the 8-best list sphere detector (LSD) tree-search algorithm implementation is not recommendable in the 4x4 MIMO 64-QAM scenario. Several field-programmable gate array (FPGA) implementations were carried out, with a range of high-level synthesis (HLS) tools. It is shown that HLS tools have improved significantly and are especially favourable for prototyping of large designs. Additionally, the importance of FPGA technology selection is addressed. Smaller silicon technology should be exploited if base-station baseband processing power consumption is to be minimised. The potential performance or complexity-related gain with the latest FPGAs should be taken into account in comparison of the performance–complexity characteristics of the algorithms. Differences of a few tens of per cent in estimated complexity or performance between two algorithms are often below the threshold of what can be gained or lost in the practical implementation process. / Tiivistelmä Tiheään asuttujen kaupunkien uudet langattomat palvelut tarvitsevat tietoliikenneverkkoja, jotka mahdollistavat suuremman tiedonsiirtonopeuden ja kapasiteetin kuin sen, jonka nykyiset mobiiliverkot voivat tarjota. On arveltu, että mobiiliverkkojen kapasiteetin tarve tuhatkertaistuu seuraavan kymmenen vuoden aikana. Tuhatkertainen kapasiteetti on arvioitu saavutettavan kasvattamalla kolmea eri osa-aluetta kymmenkertaiseksi: taajuusspektrin määrä, spektrin käytön tehokkuus sekä tukiasematiheys. Tämä väitöskirja keskittyy spektrin käytön tehokkuuden kasvattamiseen. Moniantennitoteutus (multiple-input multiple-output, MIMO) on siinä välttämätön. MIMO-tekniikkaa hyödyntävien solukkojärjestelmien tukiasemavastaanottimissa tarvitaan melko monimutkainen kanavakorjain sekä ilmaisin, joiden algoritmien optimointi ja toteutus ymmärretään vielä sangen puutteellisesti. Väitöskirjatutkimuksen päätavoitteena on tutkia edistyksellisiä vastaanotinrakenteita, joilla saavutetaan LTE-A-standardin tavoitetiedonsiirtonopeus kohtuullisella kompleksisuudella. Työssä keskitytään ns. nousevaan siirtosuuntaan (uplink) eli päätelaitteesta tukiasemaan tapahtuvaan tiedonsiirtoon, jossa käytetään yhden kantoaallon taajuusjakomonikäyttötekniikkaa (single-carrier frequency-division multiple-access, SC-FDMA) ortognaalisen taajuusjakomonikäytön (orthogonal frequency division multiple access, OFDMA) sijaan. Eri vastaanotinrakenteita ja näiden ilmaisinalgoritmeja vertaillaan tietokonesimuloinnein MATLAB-ympäristössä. Väitöskirjassa ehdotetaan kaksiosaista vastaanotinrakennetta, jossa antennien välinen keskinäishäiriö (inter antenna interference, IAI) ja symbolien välinen keskinäisvaikutus (intersymbol interference, ISI) poistetaan kahdessa eri vaiheessa. Tietokoneimulaatiot osoittavat ko. rakenteen parantavan suorituskykyä huomattavasti perinteiseen lineaariseen keskineliövirheen minimoivaan (linear minimum mean square error, LMMSE) vastaanottimeen verrattuna. Nk. K parasta polkua valitsevan MIMO-ilmaisinalgoritmin listan koolla kahdeksan todetaan tarjoavan 4x4 MIMO 64-tasoisen kvadratuuriamplitudimodulaation (quadrature amplitude modulation, QAM) ympäristössä parhaan kompromissin suorituskyvyn ja kompleksisuuden suhteen. Käytännön toteutettavuuden kannalta keskitytään ohjelmoitavaan digitaalipiiritoteutukseen (field-programmable gate array, FGPA) ja ns. korkean tason synteesi (high-level synthesis, HLS) -työkalujen käyttöön vastaanottimen suunnittelussa. K parasta polkua valitsevan MIMO-ilmaisinalgoritmin arkkitehtuurivertailut osoittavat, että sinänsä vaativaa lajittelualgoritmia ei aina kannata yrittää välttää kirjallisuudessa aikaisemmin ehdotetulla ratkaisulla. Useita eri HLS työkaluja käytetään FPGA toteutuksissa ja todetaan että työkalut ovat kehittyneet huomattavasti viimeisen kahdeksan vuoden aikana. Lisäksi todetaan, että 16 nm viivanleveyden piireillä voidaan saavuttaa noin 15 % suurempi ilmaisunopeus ja 60 % pienempi tehonkulutus verrattuna 28 nm viivanleveyttä käyttäviin piireihin. Erityisesti potentiaali tehonkulutuksen minimoiseksi kannattaa hyödyntää, mikäli signaalinkäsittely näyttelee merkittävää roolia vastaanottimen kokonaistehonkulutuksessa. Kokonaisuutena todetaan, että toteutukseen liittyvät valinnat sekä vaikutus lopputulokseen, tulisi ottaa huomioon jo algoritmien valinnassa. Pieni ero kahden eri algoritmin suorituskyvyn välillä häviää helposti toteutusvaiheen ratkaisujen vaikutusten alle.

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 The development of wireless telecommunication systems has been rapid during the last two decades and the data rates as well as the quality of service (QoS) requirements are continuously growing. Multiple-input multiple-output (MIMO) techniques in combination with orthogonal frequency-division multiplexing (MIMO–OFDM) have been identified as a promising approach for high spectral efficiency wideband systems. The optimal detection method for a coded MIMO–OFDM system with spatial multiplexing (SM) is the maximum a posteriori (MAP) detector, which is often too complex for systems with high order modulation. Suboptimal linear detectors, such as the linear minimum mean square error (LMMSE) criterion based detection, offer low complexity solutions, but have poor performance in correlated fading channels. A list sphere detector (LSD) is a tree search based soft output detector that can be used to approximate the MAP detector with a lower computational complexity. The benefits of the more advanced detectors can be realized especially in a low SNR environment by, e.g., increasing the cell coverage. In this thesis, we consider the linear minimum mean square error (LMMSE) criterion based detectors and more advanced LSDs for detection of SM transmission. The LSD algorithms are not as such feasible for hardware implementation. Therefore, we identify the design choices that relate to the performance and implementation complexity of the LSD algorithms. We give guidelines to the LSD algorithm design and propose the proper trade-off solutions for practical wireless systems. The more stringent requirements call for further research on architectures and implementation. In particular, it is important to address the parallelism and pipelining factors in the architecture design to enable an optimal trade-off between used resources and operating speed. We design pipelined systolic array architecture for LMMSE detector algorithms and efficient architectures with given algorithm properties for the LSD algorithms. We consider the VLSI implementation of the algorithms to study the true performance and complexity. The designed architectures are implemented on a field programmable gate array (FPGA) chip and CMOS application specific integrated circuit (ASIC) technology. Finally, we present some measurement results with a hardware testbed to verify the performance of the considered algorithms. / Tiivistelmä Langattoman tietoliikenteen kehitys on ollut nopeaa viimeisien vuosikymmenien aikana ja järjestelmiltä vaaditaan yhä suurempia datanopeuksia ja luotettavuutta. Multiple-input multiple-output (MIMO) tekniikka yhdistettynä monikantoaaltomodulointiin (MIMO-OFDM) on tunnistettu lupaavaksi järjestelmäksi, joka mahdollistaa tehokkaan taajuusalueen hyödyntämisen. Optimaalinen ilmaisumenetelmä tilakanavoituun (SM) ja koodattuun MIMO-OFDM järjestelmään on maximum a posteriori (MAP) ilmaisin, joka on tyypillisesti liian kompleksinen toteuttaa laajakaistajärjestelmissä, joissa käytetään korkean asteen modulointia. Alioptimaaliset lineaariset ilmaisimet, kuten pienimpään keskineliövirheeseen (LMMSE) perustuvat ilmaisimet, ovat suhteellisen yksinkertaisia toteuttaa nykyteknologialla, mutta niiden suorituskyky on varsin heikko korreloivassa radiokanavassa. Listapalloilmaisin (LSD) on puuhakualgoritmiin perustuva pehmeän ulostulon ilmaisin, joka pystyy jäljittelemään MAP ilmaisinta sitä pienemmällä kompleksisuudella. Kehittyneemmät ilmaisimet, kuten LSD, voivat parantaa langattoman verkon suorituskykyä erityisesti ympäristössä, jossa on matala signaalikohinasuhde, esimerkiksi mahdollistamalla suuremman toiminta-alueen. Tässä väitöskirjassa on tutkittu kahta LMMSE ilmaisinta ja kolmea LSD ilmaisinta SM lähetyksen ilmaisuun. Yleisesti LSD algoritmit eivät ole sellaisenaan toteutuskelpoisia kaupallisiin järjestelmiin. Väitöskirjassa on tämän vuoksi tutkittu LSD:n toteutukseen liittyviä haasteita ja toteutusmenetelmiä ja annetaan suosituksia LSD algorithmien suunnitteluun sekä ehdotetaan sopivia toteutuskompromisseja käytännön langattomiin järjestelmiin. Haastavammat suorituskyky- ja latenssivaatimukset edellyttävät lisätutkimuksia toteutusarkkitehtuureihin ja toteutuksiin. Erityisesti rinnakkaisten resurssien käyttö ja liukuhihnatekniikka toteutusarkkitehtuureissa mahdollistavat optimaalisen kompromissin löytämisen toteutuksessa käytettyjen resurssien ja laskentanopeuden väliltä. Väitöskirjassa suunnitellaan tehokkaat arkkitehtuurit tutkituille LMMSE ja LSD algoritmeille ottaen huomioon niiden ominaisuudet. Väitöskirjassa tutkitaan algoritmien toteutusta VLSI tekniikalla ja pyritään saamaan realistinen arvio algoritmien kompleksisuudesta ja suorituskyvystä. Algoritmeille suunnitellut arkkitehtuurit on toteutettu sekä FPGA piirille että erillisenä toteutuksena ASIC teknologialla. Väitöskirjassa esitetään myös testilaitteistolla tehtyjä mittaustuloksia ja varmistetaan toteutettujen algoritmien suorituskyky.