Institute for Communication Technologies and Embedded Systems

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MIMO Detector ASIC Design

Authors:
Auras, D.
Editors:
Ascheid, G. ,  Burg, A.
Ph. D. Dissertation
 
School:
RWTH Aachen University
Adress:
Chair for Integrated Signal Processing Systems
Date:
Jun. 2017
DOI:
10.18154/RWTH-2017-07612
hsb:
RWTH-2017-07612
Language:
English
Abstract:
Available online: http://dx.doi.org/10.18154/RWTH-2017-07612
Im Bereich der drahtlosen Kommunikation geht der Trend aktuell in Richtung sehr hoher Übertragungsdatenraten von über 1 Gbit/s. Aktuelle Standards, wie WLAN oder LTE, verwenden unter anderem die Mehrantennentechnologie (MIMO) um dieses Ziel zu erreichen. Sie verwenden mehrere räumliche Datenströme um mehr Information in derselben Kanalbandbreite zu übertragen, auch bekannt als "Spatial Multiplexing". Diese Standards verwenden "Bit-Interleaved Coded Modulation" (BICM). Die iterative Detektion und Dekodierung ist eine weitere vielversprechende Technik um die Datenraten zu erhöhen, auch bekannt als "BICM-ID". Es verbessert die spektrale Effizienz des Empfangssystems, also wie viele Bits pro Kanalbenutzung übertragen werden können. Der Fokus dieser Arbeit liegt auf dem Entwurf von Detektoren, die die Informationsbits aus den empfangenen Signalen zurückgewinnen, speziell im Kontext von iterativen MIMO BICM-ID Empfängern. Hardware Designer von iterativen MIMO BICM-ID Empfängern stehen der komplexen Frage gegenüber: welcher Detektionsalgorithmus soll implementiert werden? Oder, sehr ähnlich, welcher existierende Detektor-ASIC (Application Specific Integrated Circuit) soll wiederverwendet werden? Wir argumentieren, das nicht nur der ausgewählte Algorithmus bzw. ASIC, aber auch der Auswahlprozess selber an das spezifische Entwurfsproblem angepasst werden sollte. Diese Arbeit präsentiert eine vereinheitlichte Methodologie, in gewisser Weise eine Meta-Methodologie, die beschreibt wie man den Auswahlprozess spezialisiert um einen passenden Detektor angepasst an den speziellen Entwurfskontext zu finden. Die vorgeschlagene Methodologie wird an einem Beispiel demonstriert. Dieses verwendet Daten von drei neuen Detektor-ASICs, als weiterer Beitrag dieser Arbeit, und Referenzimplementierungen aus der Literatur. Die Methodologie kann verwendet werden, um eine fundierte Entscheidung für die Implementierung eines passenden soft-input soft-output MIMO Detektionsalgorithmus für die Benutzung in einem iterativen BICM-ID Empfangssystem zu treffen. Vier unterschiedliche Szenarien werden beispielhaft behandelt: 1. der Designer hat bereits die meisten Systemparameter festgelegt und möchte nun nur noch entscheiden, welcher Algorithmus implementiert wird, 2. der Designer hat große Teile des Systems noch nicht festgelegt, 3. der Designer möchte vorhandene ASICs wiederverwenden um ein Empfangssystem zusammenzusetzen, und 4. der Designer möchte einen Detektor in einem vorhanden Empfänger-ASIC ersetzen. Schlußendlich analysieren wir zudem welche Eigenschaften der Algorithmen für welche Einsatzszenarien am nützlichsten sind, und ziehen allgemeine Schlußfolgerungen für jeden der im Beispiel berücksichtigen Detektionsalgorithmen basierend auf der Beispielanwendung der Methodologie sowie Implementierungserfahrungen im Rahmen dieser Arbeit.
The trend in wireless broadband communications goes to very high transmission rates beyond 1 Gbit/s. Recent standards, such as WiFi or LTE, adopt amongst others multi-antenna (MIMO) technologies to achieve this objective. They use multiple spatial data streams to convey more information in the same radio channel bandwidth, known as spatial multiplexing. These standards employ bit-interleaved coded modulation (BICM). Iterative detection and decoding is another promising technique to increase the data rates, also known as BICM-ID. It improves the receiver systems’ spectral efficiency, i.e., how many bits per channel use we can transmit. The focus of this thesis is on the design of detectors, which recover the information bits from the received signals, for iterative MIMO BICM-ID receiver systems. Hardware designers of iterative MIMO BICM-ID receiver systems are faced with the difficult question: which detection algorithm should be implemented? Or, similarly, which existing detector ASIC should be reused? We argue that not only which algorithm or ASIC should be selected, but as well the selection process should be specialized to the problem at hand. This thesis presents a unified methodology, in some way a meta-methodology, which describes how to customize the selection process for finding a suitable detector specialized for the specific design context. The proposed methodology is demonstrated by an example. It comprises three novel detector ASICs, as contribution of this thesis, and reference detectors from literature. The methodology can be used to make an informed implementation choice of an appropriate soft-input soft-output MIMO detection algorithm for use in a BICM-ID receiver system. Four distinct example scenarios are treated: 1. the designer already fixed most system parameters and only wants to decide which detection algorithm to implement, 2. the designer has not yet decided major parts of the system that he will implement, 3. the designer wants to reuse available ASICs to assemble a receiver system, and 4. the designer wants to replace the detector of an existing receiver ASIC. Finally, we analyze which algorithm properties are most beneficial for which scenarios, and draw generalized conclusions for each detection algorithm considered in the provided example application of the proposed methodology.
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