Recently, researches on multiple-input multiple-output (MIMO) technique deploying multiple transmit and receive antennas have abruptly emerged due to its potential to greatly improve spectral efficiency. Representatively, V-BLAST (Vertical Bell Laboratories Layered Space-Time) architecture has been widely accepted for the fourth generation mobile communications, such as IEEE 802.16e and 3GPP-LTE since it is able to exploit multiplexing gain and diversity gain proportional to the number of transmit antenna and the number of receive antenna, respectively, with ease. The MIMO systems concatenated with channel coding present considerably better error performance. In particular, space-time bit-interleaved coded modulation (ST-BICM) carries flexible rate-operability and rate-compatibility by designing in consideration of code-rate, modulation-level, and the number of transmit antenna. The receiver structure, on the other side, processing inter-transmit-antenna interference (ITAI) elimination is relatively even more complicated than the transmitter one. Iterative detection and decoding (IDD) technique has been regarded as the most favorable candidate of high performance receiver approaching matched filter bound, which is classified into sphere detection (SD) and linear minimum mean squared error (LMMSE) detection. The SD scheme based on the tree-searching algorithm achieves optimal performance with requiring high computational burden, while the LMMSE approach performing simple linear operation with a priori information fed back from channel decoder converges the matched filter bound (MFB) after several iterations.
In this thesis, we considers two problems on the iterative receiver design for the coded MIMO systems. The first one is the severe performance degradation due to the imperfect channel state information (CSI) on the single-carrier (SC) transmission over block fading channels. Especially, it is emphasized that the interesting operation signal-to-noise ratio (SNR) range is very low in the ST-BICM systems. In order to resolve this problems, we propose iterative channel estimation, detection, and decoding (ICEDD) technique in a LMMSE fashion with $\It{a priori}$ information fed back from the soft-input soft-output (SISO) decoder. In addition, the Bayesian mean-squared-error (MSE) of the channel estimation is taken into account in detection and demapping, improving error performance in higher-order modulation. The computationally efficient LMMSE detection algorithm avoiding matrix inverse operation is proposed using Sherman-Morrison formula as well. Another problem is the performance loss on orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) transmission over severely time-varying multipath channels due to the ICI and energy falloff of the desired subcarriers. We propose the IDD in a blockwise fashion, which considers dominantly effective ICIs adjacently around the desired subcarriers, to accomplish error performance close to MFB with reasonable computational complexity. The LMMSE filter matrix, particularly, can be obtained with lower computational burden using the two proposed algorithms: double-pipelining and fast recursion.
다중안테나(MIMO) 기술은 주파수대역과 전력의 증가 없이 전송률 향상과 함께 높은 신뢰도를 성취할 수 있어 활발한 연구가 진행되고 있다. 대표적인 V-BLAST (Vertical Bell Labs Layered Space-Time) 전송 구조는 간단하면서 송신안테나 개수만큼의 공간다중 이득과 수신안테나 개수만큼의 다이버시티 이득을 얻을 수 있기 때문에 IEEE 802.16e나 3GPP-LTE 표준에도 적용되어 차세대 이동통신 기술로서 각광을 받고 있다. 다중안테나 기법은 채널부호화기법과 결합하여 상당한 시스템 성능을 제공한다. 특히, space-time bit-interleaved coded modulation (ST-BICM) 시스템은 코드율, 변조레벨, 송신안테나 개수에 따라 설계함으로써 전송률의 호환 및 가변성이 뛰어나고 송신구조가 간단하다. 하지만 수신구조의 경우 각 송신안테나로부터 들어오는 간섭 신호의 영향을 처리하기 때문에 송신구조에 비해 상당한 복잡성을 갖는다. 이를 위한 많은 수신 구조가 연구 중이고, matched filter bound (MFB)에 근접하는 최적의 성능을 보이는 maximum $\It{a posteriori}$ probability (MAP)을 위한 sphere detection (SD) 기법이 대표적이다. SD기법은 tree 검색 기반의 알고리즘으로 최적의 성능을 가져오지만, 복잡도가 상당히 높기 때문에 구현측면에서 비효율적이다. 한편, linear minimum mean squared error (LMMSE) 기법은 채널복호기로부터 받는 사전정보를 바탕으로 선형적인 연산을 통하여 낮은 복잡도를 가지면서 몇 회의 반복과정을 통하여 최적의 성능을 보인다.
기존의 ST-BICM시스템을 위한 IDD 수신기는 수신기에서 채널정보가 완벽하다는 가정과 함께 신호검출기법이 제안되었다. 하지만 실제 시스템에서는 파일럿 심볼로부터 채널추정을 수행하기 때문에, 낮은 작동 signal-to-noise ratio (SNR) 범위를 갖는 IDD기반의 ST-BICM 시스템에서의 채널추정 오차는 상당히 크고, 이로 인하여 심각한 성능 열화가 초래된다. 본 연구에서는 채널추정 오차를 완화시키기 위하여 IDD 수신기에 반복 LMMSE 채널추정 과정을 포함시킨다. 채널복호기로부터 받는 사전정보를 바탕으로 LMMSE 채널추정을 다시 수행하고, 이를 바탕으로 LMMSE 신호검출을 다시 수행하여 상당한 성능을 이득을 얻을 수 있다. LMMSE 신호검출 시 채널추정의 Bayesian MSE를 고려하면 좀 더 SNR 이득을 얻을 수 있고, 실제 환경에서의 저 복잡도 구현을 위하여 효율적인 Sherman-Morrison 공식을 적용한 신호 검출기와 demapper를 제안한다.
최근 연구되는 대부분의 다중안테나 시스템은 광대역 통신을 위하여 직교주파수분할다중(OFDM) 기법과 결합되어 사용된다. OFDM기법은 다중경로채널에 의한 주파수선택적 채널에 강하고, 부호화된 다중안테나 기법과 함께 사용될 경우 시간, 공간, 주파수 3차원에 대한 다이버시티 이득을 얻어 단일반송파 시스템에 비해 향상된 성능을 가져온다. 하지만 시간에 따른 채널변화가 심할 경우 직교성이 깨지고 인접부반송파간섭(ICI)로 인한 성능 열화가 발생한다. 인접송신안테나간섭(ITAI)과 ICI를 효과적으로 제거하고, 높은 신뢰도의 신호검출을 위해서는 IDD수신기의 적용이 필수 불가결하다. 하지만 fast Fourier transform (FFT) 사이즈에 비례하는 유효채널행렬에 의해 상당한 복잡도를 요구하고, 실시간 서비스를 제공하기 위한 실제 시스템에서는 적용될 수 없다. 영향력 있는 ICI는 바로 인접한 일부 부반송파에만 해당되기 때문에, 영향력 있는 ICI만 고려한 부분 유효채널행렬에 대해 IDD를 적용하면 저 복잡도를 보이면서 높은 성능을 가져온다. 특히, 신호검출에 필요한 LMMSE 필터 연산을 재귀적으로 수행함으로써 실제 시스템에 적용 가능한 낮은 복잡도를 보여준다.
