FAST EQUALIZATION ALGORITHMS FOR WIDE BAND WIRELESS COMMUNICATION SYSTEMS. PhD thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

Preview

PDF Thesis_April2014.pdf Download (4MB) | Preview

Arabic Abstract

معروف جيدا أنه في حالة اختيار الترددات المرتفعة في القناوات المتلاشية. المعادل الخطي يمكن أن يعاني من إضمحلال في الأداء بالمقارنة مع المعادل الذي يعتمد على ردود الفعل الخلفية المختارة. بالنسبة للقنوات المتغيرة مع الزمن, يستخدم المعادل المتكيف و من أشهر الخوارزميات المتكييفة هي خوارزميةمعدل التربيع الأقل, لكن يوجد فيها قصور نتيجة بطئ الألتقاء فيها. على الرغم من ذلك هناك خوارزميات مثل خوارزمية أقلتربيع متكرر لديها سرعة التقاء لكن التعقيد فيها يحد من استخدامها. بجانب هذه الخوارزميات هناك نهج قريبيساعد على الكشف مثل سرب الجسيمات الأمثل. على عكس خوارزميات الميل الأحصائية, سرب الجسيمات الأمثل يعرف بمتلاكه سرعة في الاتقاء و الذي لا يعتمد على البنية الأساسية. هذه الأطروحة تقدم فكرة جديدة لتطوير الأداء و تقليل التعقيد للخوارزميات سابقة الذكر. على وجه الخصوص المساهمات هي كالاتي. أولا, لقد طورنا معادل متكيف يعتمد على ردود الفعل المختارة يعمل في المجال الترددي و قليل التعقيد لنظام أحادي الناقل تقسيم متعدد الوصول, حيث أن مرشح ردود الفعل الخلفية و مرشح ردود الفعل الأمامية يعملان في المجال الترددي و متكيفان نتيجة لأستخدام صندوق خوارزمية التربيع الأقلالمتكرر. المعادل المتكيف الذي يعتمد على ردود الفعل المختارة استند على تقنية تعدد الوصول في الأرسال حسب معيار المدى الطويل المتطور. حيث أن عملية تصميم معادل ردود الفعل المختارة تحصل في نطاق المجال الترددي, أما التعقيد في صندوق خوارزمية معدل التربيع الأقل المتكرر يمكن تقليله جوهريا عندما نقارنه بنظيره في الأمتداد في المجال الزمني من خلال استغلال البنية المصفوفية في المجال الترددي . لقد وسعنا صيغاتنا لنظام متعدد الوصول متعدد الخروج حيث وضحنا أن المعادل المتكيف الذي يعتمد على ردود الفعل الخلفية المختارة يتمتعبالتقليل في التعقيدات المحوسبة عندما نقارنه مع المجال الترددي الغير متكيف لمعادل ردود الفعل الخلفية.بناءا على ذلكفإن محاكاة موسعة تم تنفيذها لملاحظة قوة مقترحنا في المجال الترددي المتكيف لمعادل ردود الفعل الخلفية في الدوبلر العالي وموازن ناقل التردد. ثانيا, لقد طورنا قيود بالأعتماد على التربيع الأقل المتكرر للمجال الترددي المتكيف لمعادل ردود الفعل المختارة عند استخدامه في الأرسال في نظام الناقل الأحادي في المجال الترددي متعدد الوصول. الأداء في خوارزمية قيود التربيع الأقل المتكرر أفضل من التربيع الأقل المتكرر مع زيادة في التعقيدات المحوسبة. علاوة على ذلك لقد وسعنا تصميمنا لصندوق الرمزالفراغي الترددي لنظام الناقل الأحادي في المجال الترددي متعدد الوصول. و أيضا وضحنا أن المجال الترددي المتكيف لمعادل ردود الفعل المختارة مع قيود التربيع الأقل المتكرر لا تتمتع فقط بتقليل في التعقديات المحوسبة فقط و انما في أداء أفضل من أقل معدل تربيع الخطأ في المعادل لردود الفعل المختارة العملي الذي يحتوي على القرارت الخاطئة. و قريبه من أقل معدل تربيع الخطأ في المعادل لردود الفعل المختارة المثالي الذي يحتوي على القرارات الصحيحة. نتائج المحاكاة تم ايجادها لتوضح قوة الخوارزميات التي اقترحناها لدوبلر العالي. لنقلل تشويش دخول الناقل نتيجة لموازن الناقل الترددي, فلقد صممنا ثلاث صنابير للمتكيف في المجال الترددي لمعادل ردود الفعل الخلفية لنظام احادي المدخل احادي المخرج و نظام صندوق الترميز الفراغي الترددي لناقل الأحادي في المجال الترددي متعدد الوصول من خلال استغلال النطاقات و البنية المتناثرة في القناة. و وضحنا أن نظام ثلاثي الصنابير المتكيف في المجال الترددي لمعادل ردود الفعل الخلفية يمتلك أداء ممتاز عند مقارنته بنفس النظام لكن أحادي الصنبور ولكن بزيادة في التعقيدات المحوسبة. أيضا, وضحنا أنه بإمكاننا أن نقلل رموز التدريب في كل صندوق من الناقل الأحادي في المجال الترددي متعدد الوصول التي ترسل في مرحلة التدريب بدون وجود انخفاض في الأداء . الذي أيضا يقودنا الى تقليل الأعمى فوقية في النظام المتكيف في المجال الترددي لمعادل ردود الفعل الخلفية. ثالثا, سرب الجسيمات الأمثل تستخدم في المعادل المتكيف. للقنوات المتغيرة مع الزمن, المعادلات المتكيفة تصمم عادة بالأعتماد على خوارزمية أقل معدل تربيع, و التي للأسف لديها قصور في بطئ الإلتقاء خصوصا في القنوات التي تكون فيها القيمة الذاتية متناثرة. مشكلة القيمة الذاتية أصبحت أكثر وضوحا في القنوات متعدد الوصول متعدد الخروج. سرب الجسيمات الأمثل يتمتع بسرعة في الاتقاء و لذلك تطبيقاته في معادل ردود الفعل الخلفية المختارة ذو تحقيقات مميزة. في هذا العمل أظهرنا أن سرب الجسيمات الأمثل في معادل ردود الفعل الخلفية المختارة مع معامل الأنقباض المتغير يتفوق على أقل معدل تربيع و أقل تربيع متكرر بالأعتماد على معادل ردود الفعل الخلفية المتكررة و سرب الجسيمات الأمثل بالاعتماد على أقل خطأ. خصوصا في القنوات ذات القيمة الذاتية كثيرة التشتت. و اقترحنا أيضا خوارزمية التهجين من سرب الجسيمات الأمثل وأقل معدل تربيع و معادل ردود الفعل الخلفية المتكرر و حسنها لتتعامل مع البيانات ذات القيم المعقدة.سرب الجسيمات الأمثل لأقل معدل تربيع مع معادل ردود الفعل الخلفية المتكررة لا تتفوق فقط على سرب الجسيمات الأمثل مع معادل ردود الفعل الخلفية المتكررة في مجال الأداء ولكن تعقيدها أيضا أقل. و للمزيد من التقليل في التعقيد , قدمنا خوارزمية سرب الجسيمات الأمثل لأقل معدل تربيع لمعادل ردود الفعل الخلفية المتكرر السريعة. الفوقية في النظام تم تقليلها من خلال استنباط خوارزمية سرب الجسيمات الأمثل العمياء. رابعا, اقتراح نظام معادل النطاق الترددي المتكيف لناقل الأحادي للمجال الترددي متعدد الوصول بأستخدام تقنية سرب الجسيمات الامثل. اقتران التكلفة المستخدم في سرب الجسيمات الأمثل تمت صياغته بالاستناد على بنية مختصة للمعادل , سواءا كان المعادل الخطي و معادل ردود الفعل الخلفية المتكررة. قوة مقترحنا في خوارزمية سرب الجسيمات تتمثل في سيناريو الدوبلر العالي. علاوة على ذلك, انه من الواضح أن الأداء تحسنأكثر عند استخدام اعادة التوزيع العشوائي. و انه من الواضح أن سرب الجسيمات الأمثل بالأعتماد على معادل المجال الترددي هو ذي كفاءة محوسبة من نظيرة في المجال الزمني . أخيرا لزيادة سرعة الألتقاء في خوارزمية أقل معدل تربيع , ينصح بستخدام معادل متكيف يستند على أقل معدل تربيع متناثر.

English Abstract

It is well known that in the case of highly frequency-selective fading channels, the Linear Equalizer (LE) can suffer significant performance degradation compared to the Decision Feedback Equalizer (DFE). For time varying channels adaptive equalizers are used and one of the famous adaptive algorithm is the Least Mean Square (LMS) algorithm but it has the limitation of slow convergence. However, there are other algorithms like Recursive Least Squares (RLS) algorithm that have fast convergence but their high complexity limit their use. Beside these algorithms there are heuristic approaches like Particle Swarm Optimization (PSO). Unlike stochastic gradient algorithms, PSO is known to have fast convergence which does not depend on the underlying structure.This dissertation proposes new ideas to improve performance and reduce complexity of the above mentioned algorithms. In particular, the contributions are as follows. First, we develop a low-complexity Adaptive Frequency Domain Decision Feedback Equalizer (AFD-DFE) for Single Carrier Frequency Division Multiple Access (SC-FDMA) systems, where both the feedforward and feedback filters operate in the frequency-domain and are adapted using the well-known block RLS algorithm. SC-FDMA has been adopted as a multiple access technique for uplink in Long Term Evolution (LTE) standard. Since this DFE design operation is performed entirely in the frequency-domain, the complexity of the block RLS algorithm can be reduced substantially when compared to its time-domain counterpart by exploiting matrix structure in the frequency-domain. We extend our formulation to Multiple Input Multiple Output (MIMO) SC-FDMA systems where we show that the AFD-DFE enjoys a significant reduction in computational complexity when compared to the frequency-domain non-adaptive DFE. Extensive simulations are carried out to demonstrate the robustness of our proposed AFD-DFE to high Doppler and Carrier Frequency Offset (CFO). Second, we develop a constraint-based block Recursive Least Squares (CRLS) for an AFD-DFE when used in an uplink SC-FDMA systems. The performance of the CRLS algorithm is better than that of the RLS with no significant increase in the computational complexity. Moreover, we extend our design to the Space-Frequency Block code (SFBC) SC-FDMA system. We also show that the AFD-DFE with CRLS not only enjoys a significant reduction in computational complexity when compared to the frequency-domain non-adaptive optimum MMSE-DFE but its performance is also better than the practical MMSE DFE (the one with error decisions) and closed to the ideal MMSE DFE (the one with correct decisions). Simulation results are carried out to demonstrate the robustness of our proposed algorithm to high Doppler. To mitigate Inter-Carrier Interference (ICI) due to large CFO, we have designed a $3$-tap AFD-DFE for Single-Input Single-Output (SISO) and SFBC SC-FDMA systems by exploiting the banded and sparse structure of the channel. We show that the $3$-tap AFD-DFE has an excellent performance as compared to the $1$-tap AFD-DFE with a low computational complexity. Further, it is shown that we can reduce the training symbols in each SC-FDMA block that are transmitted in the training phase with no significant performance degradation. To further reduce the overhead blind AFD-DFE is also introduced. Third, PSO is used for adaptive equalization. For time-varying channels, adaptive equalizers are commonly designed based on the LMS algorithm which, unfortunately, has the limitation of slow convergence specially in channels having large eigenvalue spread. The eigenvalue problem becomes even more pronounced in MIMO channels. PSO enjoys fast convergence and, therefore, its application to the DFE merits investigation. In this work, we show that a PSO-DFE with a variable constriction factor is superior to the LMS/RLS-based DFE (LMS/RLS-DFE) and PSO-based LE (PSO-LE), especially on channels with large eigenvalue spread. We also propose a hybrid PSO-LMS-DFE algorithm, and modify it to deal with complex-valued data. The PSO-LMS-DFE not only outperforms the PSO-DFE in terms of performance but its complexity is also low. To further reduce its complexity, a fast PSO-LMS-DFE algorithm is introduced. The system overhead is reduced by devising a blind PSO algorithm. Fourth, an adaptive frequency-domain equalizer for SC-FDMA system using PSO technique is proposed. The cost function used in a PSO is formulated based on the respective structure of the equalizer, whether it is LE or a DFE. The robustness of our proposed PSO algorithm is demonstrated on a high Doppler scenario. Furthermore it is shown that the performance improves more when using re-randomization. It is shown that the PSO based frequency domain equalizer is more computationally efficient than its time domain counterpart. Lastly, to increase convergence speed of the LMS algorithm,adaptive equalizer based on Sparse LMS (SLMS) is devised.

Item Type:	Thesis (PhD)
Subjects:	Engineering Research > Engineering Electrical
Department:	College of Engineering and Physics > Electrical Engineering
Committee Advisor:	Zerguine​, Azzedine
Committee Members:	Al-Naffouri, Tareq Y. and Deriche, Mohamed​ and Zidouri, Abdelmalek​ and Muqaibel, Ali H.
Depositing User:	IQBAL NAVEED (g201004760)
Date Deposited:	06 Jul 2014 11:35
Last Modified:	01 Nov 2019 15:43
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/139326