Advanced receivers for high data rate mobile communications

Abstract

Improving the spectral efficiency is a key issue in the future wireless communication systems since the spectrum is a scarce resource. Both the number of users as well the demanded data rates are increasing all the time. Furthermore, in mobile communications the wireless link is required to be reliable even when the mobile is in a fast moving vehicle. Using Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) antennas is a well known technique to provide higher spectral efficiency as well as better link reliability. Additionally, higher order modulation methods can be used to provide higher data rates. In order to benefit from these enhancements in practise, sophisticated signal processing methods as well as accurate estimates of time-varying wireless channel parameters are needed.

This thesis addresses the problem of designing multi-antenna receivers in high data rate systems. The case of multiple transmit antennas is also considered. System specific features of High Speed Downlink Packet Access (HSDPA) which is part of 3rd generation (3G) Wideband Code Division Multiple Access (WCDMA) evolution are exploited in channel estimation methods and in MIMO receiver design. Additionally, complexity reduction methods for Minimum Mean Square Error (MMSE) equalization are addressed.

Blind channel estimation methods are spectrally efficient, since no extra resources are needed for pilot signals. However, in mobile communications accurate estimates are needed also in fast fading channels. Consequently, semi-blind channel estimation methods where the receiver combines blind and pilot based channel estimation are an appealing alternative. In this thesis blind and semi-blind channel estimation methods based on knowledge of multiple spreading codes are derived. A novel semi-blind combining scheme for code multiplexed pilot signal and blind estimation is proposed.

Another important factor in receiver design criteria is the structure of interference in the received signals. Interference mitigation techniques in MIMO systems have been shown to be potential methods for providing improved performance. A chip level inter-antenna interference cancellation method has been developed in this thesis for HSDPA. Furthermore, this multi-stage ordered interference canceler is combined with the semi-blind channel estimation scheme to enhance the system performance further.

Langattomassa tiedonsiirrossa radiospektrin tehokas käyttö on tulevaisuuden suuria haasteita. Taajuuksia on käytössä vain rajoitetusti, kun taas käyttäjien määrä sekä vaaditut siirtonopeudet kasvavat jatkuvasti. Lisäksi langattomien yhteyksien on toimittava luotettavasti myös nopeasti liikkuvissa kulkuneuvoissa. Moniantennijärjestelmät, joissa on useita antenneita sekä tukiasemissa että päätelaitteissa mahdollistavat radiospektrin tehokkaamman käytön sekä parantavat yhteyksien laatua. Tiedonsiirtonopeutta voidaan myös kasvattaa erilaisilla modulaatiotekniikoilla. Hyötyjen saavutamiseksi käytännössä tarvitaan sekä kehittyneitä vastaanotinrakenteita että tarkkoja estimaatteja aikamuuttuvasta radiokanavasta.

Tässä työssä on kehitetty vastaanotinrakenteita ja kanavan estimointimenetelmiä kolmannen sukupolven (3G) nopeiden datayhteyksien (HSPA) järjestelmissä. Työssä on johdettu menetelmiä, jotka hyödyntävät HSPA järjestelmien erikoispiirteitä tehokkaasti. Lisäksi on kehitetty laskennallisesti tehokkaita menetelmiä vastaanottimien signaalinkäsittelyyn.

Ns. sokeat menetelmät mahdollistavat taajuuskaistan tehokkaan käytön, koska ne eivät vaadi tunnettuja harjoitussignaaleja. Mobiileissa tietolikennejärjestelmissä radiokanava saattaa kuitenkin muuttua hyvin nopeasti, jonka vuoksi kanavan estimoinnissa on tyypillisesti hyödynnetty tunnettua pilottisignaalia. Yhdistämällä pilottipohjainen ja sokea kanavaestimointimenetelmä, voidaan saavuttaa molempien menetelmien edut. Tässä työssä kehitettiin sokeita kanavaestimointimenetelmiä, jotka hyödyntävät useita tunnettuja hajoituskoodeja. Sokean ja koodijakoiseen pilottisignaaliin pohjautuvien kanavan estimaattien yhdistämiseksi kehitettiin uusi menetelmä.

Signaalin laatua ja siten vastaanottimen suorituskykyä voidaan langattomissa järjestelmissä parantaa vaimentamalla interferenssiä eli häiriöitä. Vastaanottimen toimintaa voidaan tehostaa oleellisesti, jos häiriösignaalin rakenne tunnetaan. Käytettäessä useampaa lähetysantennia HSPA järjestelmissä vastaanotetussa signaalissa olevia häiriötä voidaan kumota usealla eri tasolla. Tässä työssä on kehitetty chippitasolla häiriöitä kumoava vastaanotinrakenne, joka hyödyntää HSPA järjestelmän ominaisuuksia. Vastaanottimen suorituskykyä on edelleen parannettu yhdistämällä se aiemmin esitettyyn puolisokeaan kanavan estimointimenetelmään.