This paper presents the first low-complexity realization of an LDPC-code sparse code multiple access (SCMA) receiver with a high-throughput LDPC decoder and a multi-mode SCMA detector. The minimum ...mean-square error with parallel interference cancellation (MMSE-PIC) algorithm is adopted in the SCMA detection. The modified user-node operations in the MMSE-PIC-based message-passing detector improve the convergence rate in error performance. The proposed receiver also supports multi-user iterative detection and decoding (MU-IDD) to improve the error rate performance. The proposed receiver supports both 4×6 and 8×12 SCMA systems. The proposed MU LDPC decoder has a 57.1% lower hardware complexity than the direct-mapped design that is achieved through hardware sharing and memory access scheduling. Designed in a 40-nm CMOS technology, the SCMA receiver integrates 10.9M logic gates in an area of 3.382 × 3.382 mm 2 . The proposed design achieves a gross throughput of 1.198 Gb/s and 599 Mb/s for 8 × 12 and 4 × 6 SCMA systems, respectively, under a practical situation. It dissipates 813 mW at a clock frequency of 300 MHz from a 0.9-V supply.
PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DO RIO DE JANEIRO
CONSELHO NACIONAL DE DESENVOLVIMENTO CIENTÍFICO E TECNOLÓGICO
Na primeira parte desta tese, são desenvolvidos dois esquemas de detecção por listas ...para sistemas MIMO multiusuário. As técnicas propostas usam uma única transformação de redução de reticulado (LR) para modificar
a matriz de canal entre os usuários e a estação base (BS). Após a transformação
LR, um candidato confiável do sinal transmitido é obtido usando um detector
de cancelamento sucessivo de interferências (SIC). No detector em múltiplos
ramos com redução de reticulado e cancelamento sucessivo de interferências
(MB-LR-SIC) proposto, um número fixo de diferentes ordenamentos para o
detector SIC gera uma lista de possíveis candidatos para a informação transmitida.
O melhor candidato é escolhido usando o critério maximum likelihood
(ML). No detector por listas de tamanho variável (VLD) proposto, um algoritmo
que decide se o candidato atual tem uma boa qualidade ou se é necessário
continuar procurando por um candidato melhor nos ordenamentos restantes é
utilizado. Os resultados numéricos mostram que os esquemas propostos têm um
desempenho quase ótimo com uma complexidade computacional bem abaixo
do detector ML. Um esquema de detecção e decodificação iterativa (IDD) baseado
no algoritmo VLD é também desenvolvido, produzindo um desempenho
próximo a um sistema mono usuário (SU) livre de interferências. Na segunda
parte desta tese, uma técnica de detecção desacoplada de sinais (DSD) para
sistemas MIMO massivo é proposta. Esta técnica permite que o sinal composto
recebido na BS seja separado em sinais independentes, correspondentes
a diferentes classes de usuários, viabilizando assim o uso dos procedimentos de
detecção propostos na primeira parte desta tese em sistemas MIMO massivos.
Um modelo de sinais para sistemas MIMO massivo com antenas centralizadas
e/ou antenas distribuídas operando em redes heterogêneas de quinta geração é
proposto. Uma análise baseada na soma das taxas e um estudo de custo computacional
para DSD são apresentados. Os resultados numéricos ilustram o
excelente compromisso desempenho versus complexidade obtido com a técnica
DSD quando comparada com o esquema de detecção conjunta tradicional.
In the first part of this thesis, we introduce two list detection schemes
for the uplink scenario of multiuser multiple-input multiple-output (MUMIMO)
systems. The proposed techniques employ a single lattice reduction
(LR) transformation to modify the channel matrix between the users and
the base station (BS). After the LR transformation, a reliable candidate for
the transmitted signal vector, provided by successive interference cancellation
(SIC) detection is obtained. In the proposed multi-branch lattice reduction
SIC (MB-LR-SIC) detector, a fixed number of different orderings, generates
a list of SIC detection candidates. The best candidate is chosen according to
the maximum likelihood (ML) selection criterion. For the proposed variable
list detection (VLD) scheme, an algorithm to decide if the current candidate
has good quality or if it is necessary to further explore different orderings to
improve the detection performance is employed. Simulation results indicate
that the proposed schemes have a near-optimal performance while keeping its
computational complexity well below that of the ML detector. An iterative
detection and decoding (IDD) scheme based on the VLD algorithm is also
developed, producing an excellent performance that approaches the single user
(SU) scenario. In the second part of this thesis, a decoupled signal detection
(DSD) technique which allows the separation of uplink signals, for each user
class, at the base station (BS) for massive MIMO systems is proposed. The
proposed DSD allows to implement the detection procedures proposed in the
first part of this thesis in massive MIMO scenarios. A mathematical signal
model for massive MIMO systems with centralized and distributed antennas
in the future fifth generation (5G) heterogeneous cellular networks is also
developed. A sum-rate analysis and a study of computational cost for DSD are
also presented. Simulation results show excellent performance of the proposed
DSD algorithm when combined with linear and SIC-based detectors.
Na primeira parte desta tese, são desenvolvidos dois esquemas de detecção por listas para sistemas MIMO multiusuário. As técnicas propostas usam uma única transformação de redução de reticulado (LR) ...para modificar
a matriz de canal entre os usuários e a estação base (BS). Após a transformação
LR, um candidato confiável do sinal transmitido é obtido usando um detector
de cancelamento sucessivo de interferências (SIC). No detector em múltiplos
ramos com redução de reticulado e cancelamento sucessivo de interferências
(MB-LR-SIC) proposto, um número fixo de diferentes ordenamentos para o
detector SIC gera uma lista de possíveis candidatos para a informação transmitida.
O melhor candidato é escolhido usando o critério maximum likelihood
(ML). No detector por listas de tamanho variável (VLD) proposto, um algoritmo
que decide se o candidato atual tem uma boa qualidade ou se é necessário
continuar procurando por um candidato melhor nos ordenamentos restantes é
utilizado. Os resultados numéricos mostram que os esquemas propostos têm um
desempenho quase ótimo com uma complexidade computacional bem abaixo
do detector ML. Um esquema de detecção e decodificação iterativa (IDD) baseado
no algoritmo VLD é também desenvolvido, produzindo um desempenho
próximo a um sistema mono usuário (SU) livre de interferências. Na segunda
parte desta tese, uma técnica de detecção desacoplada de sinais (DSD) para
sistemas MIMO massivo é proposta. Esta técnica permite que o sinal composto
recebido na BS seja separado em sinais independentes, correspondentes
a diferentes classes de usuários, viabilizando assim o uso dos procedimentos de
detecção propostos na primeira parte desta tese em sistemas MIMO massivos.
Um modelo de sinais para sistemas MIMO massivo com antenas centralizadas
e/ou antenas distribuídas operando em redes heterogêneas de quinta geração é
proposto. Uma análise baseada na soma das taxas e um estudo de custo computacional
para DSD são apresentados. Os resultados numéricos ilustram o
excelente compromisso desempenho versus complexidade obtido com a técnica
DSD quando comparada com o esquema de detecção conjunta tradicional.
In the first part of this thesis, we introduce two list detection schemes
for the uplink scenario of multiuser multiple-input multiple-output (MUMIMO)
systems. The proposed techniques employ a single lattice reduction
(LR) transformation to modify the channel matrix between the users and
the base station (BS). After the LR transformation, a reliable candidate for
the transmitted signal vector, provided by successive interference cancellation
(SIC) detection is obtained. In the proposed multi-branch lattice reduction
SIC (MB-LR-SIC) detector, a fixed number of different orderings, generates
a list of SIC detection candidates. The best candidate is chosen according to
the maximum likelihood (ML) selection criterion. For the proposed variable
list detection (VLD) scheme, an algorithm to decide if the current candidate
has good quality or if it is necessary to further explore different orderings to
improve the detection performance is employed. Simulation results indicate
that the proposed schemes have a near-optimal performance while keeping its
computational complexity well below that of the ML detector. An iterative
detection and decoding (IDD) scheme based on the VLD algorithm is also
developed, producing an excellent performance that approaches the single user
(SU) scenario. In the second part of this thesis, a decoupled signal detection
(DSD) technique which allows the separation of uplink signals, for each user
class, at the base station (BS) for massive MIMO systems is proposed. The
proposed DSD allows to implement the detection procedures proposed in the
first part of this thesis in massive MIMO scenarios. A mathematical signal
model for massive MIMO systems with centralized and distributed antennas
in the future fifth generation (5G) heterogeneous cellular networks is also
developed. A sum-rate analysis and a study of computational cost for DSD are
also presented. Simulation results show excellent performance of the proposed
DSD algorithm when combined with linear and SIC-based detectors.
