Low-complexity iterative soft detection for LDPC coded multi-relay channels

Abstract

Yeni nesil kablosuz iletişim uygulamaları, bilginin (verinin) kablosuz bağlantılar üzerinden yüksek veri hızında, güvenilir ve kaliteli servis garantisi altinda iletimini gerektirir. Ancak, çok yollu sönümlenme, gölgeleme, yol kaybı ve gürültü gibi kablosuz ortamin yapısında var olan bazı sınırlamalar, iletişim kapasitesi ve mesafesinde önemli ölçüde azalmalara sebep olur. Bu olumsuz sınırlamalarla mücadele etmenin bir yolu da sinyalin birbirinden bağımsız kopyalarının röle düğümleri üzerinden iletimiyle elde edilen uzamsal çeşitliliktir. Röle kullanılarak elde edilen çeşitlilik, bu sınırlamalar altında bile iletim veri hızında, sinyalin güvenilirliğinde ve kanal kapasitesinde artmalara sebep olur. Çeşitlilikten başka, kanalın kapasitesi ayrıca LDPC, Turbo kodlari gibi hata düzeltme kodlari kullanılarak da artırılabilinir.Bu tezde, ?Tahmin ve İleri? veya ?Kod çözme ve İleri? protokollerini kullarak, LDPC kodlu çift yönlü çoklu röle kanalları için, en uygun ve standart altı özyineli alıcı kod çözme tasarımı üzerine odaklandık. Çoklu röle kullanımı kanal güvenilirliğini ve kapasitesini artırsa da, sistem performansı tüm rölelerden gelen çoklu alınan sinyallerden dolayı oluşan girişim sayesinde bozulur. Girişimin etkisini azaltmak için En Büyük sonsal (MAP) sezicisi kullanılabilinir. Ne yazık ki, röle sayısı arttıkça, MAP sezicisinin karmaşıklığı üstel olarak artar. Literatürde, bu sorunu hafifletmek için, Taylor açılımı veya Merkezi Limit Teoremi varsayımı kullanılarak iki tane sayısal karmaşıklığı az olan standart altı sezici önerildi. Ancak, standart altı detektör kullanmaktan kaynaklanan asıl ve ikincil bilgi arasindaki ilintinin fazla olduğunu ve bunun sezici performansını azalttığını farkettik. Buna çare olarak, bu tezde standart altı sezicilerin performansını 0.8 -1dB artıran iki yeni sezici geliştirdik: Yumuşak İlintisizleştiren Sezim-Taylor (SODED-Taylor) ve Yumuşak İlintisizleştiren Sezim-CLT (SODED-CLT).

Next generation wireless communication applications require reliable transmission of data at high data rates and a guarantee of quality-of-service over wireless links. However, degradations inherent in wireless channels, such as multipath fading, shadowing, path loss, and noise lead to reduction in the communication capacity and range significantly. One way to combat these adverse limitations is to employ spatial diversity, which can be achieved, for example, by transmitting independent copies of the signal over relay nodes, resulting in improvements in the transmission rates, reliability, and the capacity of the channel under pre-mentioned detrimental effects. In addition to exploiting diversity, the capacity of the channel can be further increased by employing an error correction code such as low-density parity check (LDPC) codes and turbo codes, etc.Throughout this thesis, we consider LDPC coded full-duplex multi-relay channels using Estimate and Forward (EF) and Decode and Forward (DF) protocol. We focus on designing optimal and sub-optimal iterative soft detectors. Although the use of multi-relaying improves the channel reliability, the performance of the system is degraded because of the interference caused by multiple received signals coming from all relay nodes. To reduce the effect of the interference, maximum a posteriori (MAP) detector can be employed. Unfortunately, the complexity of the MAP detector grows exponentially as the number of relays increases. In the literature, two computationally efficient sub-optimal detectors have been proposed based on Taylor expansion or Central Limit Theorem (CLT) assumption to alleviate this problem. However, we find out that the correlation between intrinsic and extrinsic information stemming from these sub-optimal detectors is very high, and this correlation degrades the detector performance. To remedy that, in this thesis, we developed two new detectors: Soft Decorrelating Detection-Taylor (SODED-Taylor) and Soft Decorrelating Detection-CLT (SODED-CLT), which improves the performance of sub-optimal detectors about 0.8 dB - 1 dB.