A bit level based approach to coded multicarrier transmission [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Clemens Stierstorfer

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A Bit-Level-Based Approachto Coded Multicarrier TransmissionDer Technischen Fakultät derFriedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnbergzur Erlangung des GradesDOKTOR–INGENIEURvorgelegt vonCLEMENSSTIERSTORFERErlangen — 2009Eine Bit-Level-basierte Untersuchungcodierter MehrträgerübertragungDer Technischen Fakultät derFriedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnbergzur Erlangung des GradesDOKTOR–INGENIEURvorgelegt vonCLEMENSSTIERSTORFERErlangen — 2009Als Dissertation genehmigt von der Technischen Fakultätder Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-NürnbergTag der Einreichung: 04.05.2009Tag der Promotion: 09.07.2009Dekan: Prof. Dr.-Ing. Johannes HuberBerichterstatter: Prof. Dr.-Ing. Robert FischerProf. Dr.-Ing. Volker KühnvDanksagung(Acknowledgments)Die vorliegende Arbeit pr¨ asentiert Ergebnisse, welche im Rahmen meiner T¨atigkeit amLehrstuhl fur¨ Informationsub¨ ertragung entstanden sind. Zum Gelingen der Arbeit habenviele Personen aus meinem Umfeld beigetragen, denen ich hier meinen Dank aussprechenm¨ ochte.An erster Stelle bedanke ich mich bei meinem akademischen Lehrer Robert Fischer, dermit seinen Ratschl¨ agen und Anregungen eine große Hilfe war und meine wissenschaftlicheEntwicklung maßgeblich gepr¨ agt hat.Johannes Huber danke ich dafur,¨ meine Begeisterung fur¨ die Nachrichtentechnik gewecktund mich sehr herzlich am LIT aufgenommen zu haben.
Publié le : jeudi 1 janvier 2009
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A Bit-Level-Based Approach
to Coded Multicarrier Transmission
Der Technischen Fakultät der
Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
zur Erlangung des Grades
DOKTOR–INGENIEUR
vorgelegt von
CLEMENSSTIERSTORFER
Erlangen — 2009Eine Bit-Level-basierte Untersuchung
codierter Mehrträgerübertragung
Der Technischen Fakultät der
Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
zur Erlangung des Grades
DOKTOR–INGENIEUR
vorgelegt von
CLEMENSSTIERSTORFER
Erlangen — 2009Als Dissertation genehmigt von der Technischen Fakultät
der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
Tag der Einreichung: 04.05.2009
Tag der Promotion: 09.07.2009
Dekan: Prof. Dr.-Ing. Johannes Huber
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. Robert Fischer
Prof. Dr.-Ing. Volker Kühnv
Danksagung
(Acknowledgments)
Die vorliegende Arbeit pr¨ asentiert Ergebnisse, welche im Rahmen meiner T¨atigkeit am
Lehrstuhl fur¨ Informationsub¨ ertragung entstanden sind. Zum Gelingen der Arbeit haben
viele Personen aus meinem Umfeld beigetragen, denen ich hier meinen Dank aussprechen
m¨ ochte.
An erster Stelle bedanke ich mich bei meinem akademischen Lehrer Robert Fischer, der
mit seinen Ratschl¨ agen und Anregungen eine große Hilfe war und meine wissenschaftliche
Entwicklung maßgeblich gepr¨ agt hat.
Johannes Huber danke ich dafur,¨ meine Begeisterung fur¨ die Nachrichtentechnik geweckt
und mich sehr herzlich am LIT aufgenommen zu haben. Gegenw¨ artigen und ehemaligen
Kollegen moc¨ hte ich fur¨ die freundschaftliche Zusammenarbeit und angenehme Arbeits-
atmosph¨ are danken.
Dank schulde ich auch Volker Kuhn¨ fur¨ sein Interesse an meiner Arbeit und seine Bereit-
schaft, die Aufgabe des externen Gutachters zu ub¨ ernehmen.
Zuletzt gilt mein Dank meiner Familie und insbesondere meiner Frau, die mir wahrend¨
dieser Zeit immer die notwendige Unterstutzung¨ gaben.
Clemens Stierstorfer — 2009vi
Clemens Stierstorfer — 2009vii
Abstract
In this thesis bit-interleaved coded multicarrier transmission at high spectral efficiency is
studied from a bit-level perspective. The analysis is based on an equivalent representation
of the cascade of bit mapping and channel by a set of parallel binary-input channels,
the so-called bit levels. This alternative representation was initially introduced in the
context of bit-interleaved coded modulation and multilevel codes. By use of the chain
rule of information theory, this model also allows for an intuitive and plausible approach
to bit-interleaved coded multicarrier transmission. For the sake of low complexity and
low latency, the system implementations considered in this thesis are restricted to non-
iterative variants of BICM. Terminated convolutional codes in combination with a simple
Viterbi decoder are employed for the coding scheme. Furthermore, the use of square
QAM signal constellations is assumed to achieve the required high spectral efficiencies.
Our considerations are mainly founded on variables initially defined for the description
of the equivalent channel model. In particular, we utilize the bit-level capacity and the
parallel-decoding capacity in order to evaluate the multicarrier system and its individual
building blocks.
The investigations are first limited to a single carrier of the multicarrier system and start
with the introduction and a thorough analysis of the equivalent channel model. The
latter’s characteristics, especially the parallel-decoding capacity, strongly depend on the
employed bit mapping. We assess several binary labeling rules with regard to this quantity
and provide optimal solutions. The presented results disprove (respectively specify) a
conjecture alleged by Caire et al. which has gone unchallenged since its publication in
1998. Subsequently, the study of the equivalent channel model is extended to the bit
error ratio of uncoded transmission. The bit error ratio is traced back and related to the
individual level-dependent bit error ratios. Exploiting a numerically established relation
between bit-level capacity and level-dependent bit error ratio, the findings on bit mappings
optimal in terms of the parallel-decoding capacity can be transferred to the bit error ratio
and vice versa. These results show a significant relation between maximum parallel-
decoding capacity and minimum bit error ratio which in the following is exploited for the
optimization of (uncoded) multicarrier transmission. The connection between these two
quantities allows for a novel, slightly different approach to the issue of rate allocation over
parallel subchannels. Motivated by the equivalent channel model, we provide new, very
efficient rate allocation algorithms applicable for both, coded and uncoded transmission.
The related problem of distributing the transmit power over the individual carriers is also
analyzed with regard to the quantities bit-level capacity and parallel-decoding capacity.
Several strategies known in the literature are classified in these terms.
Clemens Stierstorfer — 2009viii
The remainder of the thesis focuses on aspects of coded transmission. First, the bit-
metric computation performed at the receiver is looked at from the bit-level perspective.
The impact of a commonly employed simplified metric computation on the results of
transmission with large signal constellations and the level-dependent average reliability of
the bit metrics are of particular interest in this context. The insights obtained on the bit-
metric reliability represent the foundation of the studies performed in the last part of this
thesis, where the design of the bit interleavers is analyzed. Using the bit-level capacity
as a figure of merit for the average reliability of the bit metrics, the Viterbi decoder used
at the receiver and its sliding processing-window characteristics are studied. The latter
immediately entails an optimization objective for the bit-interleaver design. The two
general solutions to this problem presented in this thesis mainly differ in the availability
of channel state information at the transmitter side. Adaptive bit interleaving utilizing
channel knowledge for the arrangement of the bit metrics yields significant gains over
global random bit interleaving. Intralevel bit interleaving just exploiting the knowledge
of the bit level indices also outperforms conventional interleaver designs. Finally, the
combination of bit-interleaved coded multicarrier modulation and rate and power loading
is discussed. For larger signal constellations in particular the rate adaptation is shown to
be not necessarily rewarding if not even counterproductive. Power loading may lead to
small gains, though.
Clemens Stierstorfer — 2009ix
Kurzfassung
In der vorliegenden Arbeit wird codierte Mehrtr¨ agerub¨ ertragung bei hoher spektraler
Effizienz anhand der sog. Bitlevels untersucht. Die Analyse basiert auf einer alterna-
tiven Darstellung der Zuordnung von Bits zu Kanalsymbolen und Kanal, durch eine
Menge von parallelen Teilkan¨ alen mit bin¨ arem Eingang, den Bitlevels. Dieses ¨aquiva-
lente Kanalmodell wurde in Zusammenhang mit Multilevelcodierung bzw. Bit-Interleaved
Coded Modulation (BICM) eingefuhrt.¨ Das Modell baut auf der einfachen Anwendung der
Kettenregel der Informationstheorie auf und erm¨ oglicht einen intuitiven und eing¨ angigen
Zugang zu codierter Mehrtr¨ agerub¨ ertragung. Um die Komplexit¨ at und Latenzzeit der un-
tersuchten Verfahren gering zu halten, beschr¨ anken sich die betrachteten Realisierungen
auf nicht-iterative Varianten von BICM. Fur¨ die Codierung werden Faltungscodes in Kom-
bination mit einem einfachen Viterbidecoder verwendet. Um die geforderte hohe spektrale
Effizienz zu erreichen, wird die Verwendung quadratischer QAM-Signalkonstellationen
¨angenommen. Die Uberlegungen in dieser Arbeit basieren haupts¨ achlich auf Gr¨ oßen, die
ursprunglic¨ h fur¨ die Beschreibung des ¨aquivalenten Kanalmodells definiert wurden. Ins-
besondere werden die Bitlevelkapazit¨ at und die sog. Kapazit¨ at bei parallelem Decodieren
f¨ur die Bewertung des Mehrtr¨ agersystems und seiner einzelnen Bestandteile genutzt.
Die Untersuchungen beschr¨anken sich zun¨ achst auf einen einzelnen Tr¨ager des Mehrtr¨ ager-
systems und beginnen mit der Einfuhrung¨ und einer eingehenden Analyse des ¨aquivalenten
Kanalmodells. Die Eigenschaften des letzteren, insbesondere die Kapazit¨ at bei parallelem
Decodieren, sind stark von der verwendeten Zuordnung der Bits zu Kanalsymbolen ab-
h¨ angig. Es werden mehrere Zuordungsvorschriften (Mappings)bezuglic¨ h dieser Gr¨oße
untersucht und optimale L¨ osungen ermittelt. Die vorgestellten Resultate widerlegen bzw.
pr¨ azisieren eine Vermutung, die von Caire et al. im Jahr 1998 aufgestellt und seitdem
nicht n¨aher untersucht wurde. Anschließend wird die Untersuchung des aquiv¨ alenten
¨Kanalmodells auf die Bitfehlerrate uncodierter Ubertragung erweitert. Dabei wird die
Gesamtfehlerrate des Systems auf die individuellen Fehlerraten der Teilkan¨ ale zuruc¨ kge-
f¨uhrt. Durch Ausnutzung einer numerisch begrundeten¨ Beziehung zwischen Bitlevelka-
pazit¨ at und der Bitfehlerrate eines Levels, k¨ onnen die Ergebnisse der Bitzuordnung in
Bezug auf die Kapazit¨ at bei parallelem Decodieren auf die Optimierung der Gesamtbit-
¨fehlerrate ub¨ ertragen werden. Die Resultate zeigen eine gute Ubereinstimmung der Opti-
mierungskriterien maximale Kapazit¨ at bei parallelem Decodieren und minimale Gesamtbit-
fehlerrate, welche im Folgenden fur¨ die Optimierung (uncodierter) Mehrtr¨ agerub¨ ertragung
genutzt wird. Die Beziehung zwischen diesen beiden Gr¨oßen erm¨ oglicht eine neuartige
¨Herangehensweise an die Problematik der Ratenzuteilung bei Ubertragung ub¨ er paral-
lele Teilkan¨ ale. Motiviert durch das aquiv¨ alente Kanalmodell werden neue, sehr effiziente
¨Ratenzuteilungsalgorithmen, sowohl fur¨ uncodierte, als auch codierte Ubertragung einge-
Clemens Stierstorfer — 2009x
f¨uhrt. Die verwandte Fragestellung einer optimalen Verteilung der Sendeleistung ub¨ er die
Trager¨ wird ebenso anhand der Gr¨oßen Bitlevelkapazit¨ at bzw. Kapazit¨ at bei parallelem
Decodieren analysiert. Entsprechende, aus der Literatur bekannte Strategien werden in
dieser Hinsicht bewertet.
¨Im verbleibenden Teil der Arbeit wird auf Aspekte codierter Ubertragung eingegangen.
Zuerst wird die Metrikberechnung am Empf¨ anger aus Sicht der Bitlevel betrachtet. Dabei
sind der Einfluss der gew¨ ohnlich benutzten vereinfachten Metrikberechnung auf die Re-
¨sultate bei Ubertragung mit großen Signalkonstellationen und die Level-abh¨ angige Zuver-
l¨assigkeit der Bitmetrik von besonderem Interesse. Die erhaltenen Einblicke stellen die
Grundlage fur¨ die weiteren Untersuchungen dar, die dem Design des Bitinterleavers gewid-
¨metsind.DerimUbertragungsszenario angenommene Viterbidecoder wird unter Zuhil-
fenahme der Bitlevelkapazit¨ at bzw. der Kapazit¨ at bei parallelem Decodieren analysiert
und die begrenzte Einflussl¨ ange der zu decodierenden Sequenz auf das Decodierergeb-
nis wird herausgestellt. Letztere erlaubt die Formulierung eines Optimierungskriteriums
f¨ur das Design von Interleavern. In der Arbeit werden zwei grunds¨ atzliche L¨ osungen fur¨
dieses Problem vorgestellt, die sich haupts¨ achlich durch das Vorhandensein von Kanalzus-
tandsinformation am Sender unterscheiden. Adaptives Bitinterleaving nutzt die Kanalzu-
standsinformation fur¨ eine vorteilhafte Anordnung der Bitmetriken und fuhrt¨ zu deut-
lichen Verbesserungen im Vergleich zum ublic¨ herweise praktizierten globalen Zufallsin-
terleaving. Sogar die einfache Ausnutzung der Bitlevelindizes fur¨ das Design des Inter-
leavers zeigt immer noch eindrucksvolle Gewinne. Schlussendlich wird die Kombination
von codierter Mehrtr¨ agerub¨ ertragung mit Raten- und Leistungsladen untersucht. Fur¨
gr¨ oßere Signalkonstellationen kann gezeigt werden, dass insbesondere Ratenladen nicht
notwendigerweise vorteilhaft, m¨ oglicherweise sogar nachteilig ist. Durch Leistungsladen
k¨ onnen jedoch auch hier kleine Gewinne erzielt werden.
Clemens Stierstorfer — 2009

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