Digital design and experimental validation of high-performance real-time OFDM systems

Abstract

The goal of this Ph.D. dissertation is to address a number of challenges encountered in the digital baseband design of modern and future wireless communication systems. The fast and continuous evolution of wireless communications has been driven by the ambitious goal of providing ubiquitous services that could guarantee high throughput, reliability of the communication link and satisfy the increasing demand for efficient re-utilization of the heavily populated wireless spectrum. To cope with these ever-growing performance requirements, researchers around the world have introduced sophisticated broadband physical (PHY)-layer communication schemes able to accommodate higher bandwidth, which indicatively include multiple antennas at the transmitter and receiver and are capable of delivering improved spectral efficiency by applying interference management policies.
 The merging of Multiple Input Multiple Output (MIMO) schemes with the Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) offers a flexible signal processing substrate to implement the PHY-layer of various modern wireless communication systems. This is mainly due to the fact that this technology
 combination is able to provide increased channel capacity and robustness against multipath fading channels. Additionally, Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA) is augmenting the capacities of the MIMO-OFDMtechnology to serve various mobile subscribers at the same time. A prominent scheme proposed to capitalize the benefits of diversity is the closed-loop MIMO communications, where the receiver is providing information to the transmitter related to the current channel conditions by means of a dedicated feedback channel. In the transmitter, the Channel State Information (CSI) is exploited to adapt at run-time the transmission and, thus, take advantage of the capacities provided by MIMO-OFDM(A).
 The increased performance and flexible PHY-layer features of communication systems featuring MIMO-OFDM come at a cost of an increased computational load at baseband. Thus, innovating algorithmic, design and implementation solutions are required to provide the required PHY-layer schemes. Indeed, many levels of innovation are required to pass from a high-level model-based description of the system and its embedded algorithms to their digital realization. In fact, innovating digital design techniques aiming at maximizing the parallelization and resource re-utilization of the baseband Digital Signal Processing (DSP) algorithms have to be employed towards this end, in order to efficiently realize advanced PHY-layer schemes based on the MIMO-OFDM technology. The Field-Programmable Gate Array (FPGA) custom-processing devices were selected for realizing the proof-of-concept developments of the thesis. When facing the real-time implementation of custom bit-intensive DSP architectures FPGAs satisfy a trade-off between performance and flexibility, whilst providing the proof-of-concept environment, where innovating Register Transfer Level (RTL)-design techniques can be realistically validated. Moreover, a custom Hardware Description Language (HDL) coding approach was adopted to optimally define the processing demanding RTL designs. An important aspect of the presented PHY-layer prototyping is the utilization of real-life operating conditions, hardware specifications, constraints and mobile channel propagation conditions. This was made feasible by using the GEDOMISR testbed. GEDOMIS is a high capacity signal generation and signal processing platform that enables the end-to-end real-time prototyping of multi-antenna wireless communication systems.
 In order to support the complex development cycle it was introduced an iterative design, implementation and verification methodology, covering all the
 required steps from the definition of the system requirements and high-level modelling to the comprehensive evaluation of the resulting prototype based on
 a realistic hardware-setup. The core contribution of this thesis is the simplification and optimization of a number of DSP operations that form part of certain baseband building blocks, which are encountered in modern OFDM-based communication systems. This not only allowed to meet the stringent real-time performance requirements, but also enabled the intelligent re-utilization, resource sharing or parallelization of the processing and memory resources available at the target FPGA devices. Two representative use cases detail this core contribution and underlined the suitability of the proposed development flow. The first use case is a 2x2 MIMO closed-loop PHY-layer scheme, based on the mobile Worldwide Interoperability for Microwave Access (WiMAX) wireless communication standard and featuring a Transmit Antenna Selection (TAS) mechanism. The second use case implements a 3rd Generation Partnership Project (3GPP) Long Term Evolution (LTE)-based macrocell/femtocell interference-management scheme. Aquesta tesi doctoral té com a objectiu abordar diversos reptes que es presenten en el disseny digital en banda base per a sistemes de comunicació sense fils moderns i futurs. La ràpida i continua evolució que han experimentat les comunicacions sense fils ha estat promoguda per l’ambiciós objectiu de proveir de serveis omnipresents capaços de garantir un alt rendiment i la fiabilitat dels enllaços de comunicació, tot satisfent el creixent requeriment per a la reutilització eficient de l’atapeït espectre radioelèctric. Per tal de fer front als requeriments de rendiment sempre creixents, investigadors d’arreu del món han proposat sofisticats esquemes de comunicació de capa física (PHYsical-layer, PHY), capaços d’acomodar un elevat ample de banda, incloent també de forma indicativa l’ús de múltiples antenes tant al transmissor com al receptor i millorant l’eficiència espectral mitjançant l’aplicació de principis per a la gestió de la interferència. La combinació d’esquemes multi-antena (Multiple Input Multiple Output, MIMO) amb la Multiplexació per Divisió Ortogonal de Freqüència (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM) ofereix un medi flexible de processat del senyal per a la implementació de la capa física de diversos sistemes de comunicacions sense fils moderns. Això és degut al seu potencial per a proveir d’una major capacitat de canal i protecció envers els diferents retards i pèrdues introduïdes per les transmissions sobre canals multi-trajectòria. Addicionalment, la Divisió Ortogonal de Freqüència d’Accés Múltiple (Orthogonal Frequency Division Multiple Access, OFDMA) augmenta les capacitats de la tecnologia MIMO-OFDM permetent servir simultàniament a diversos subscriptors mòbils. Un esquema MIMO prominent que permet capitalitzar els beneficis de la diversitat és el de llaç tancat, on el receptor proveeix Informació sobre l’Estat del Canal (Channel State Information, CSI) al transmissor mitjançant un enllaç de retorn dedicat. El transmissor explota la CSI per a adaptar la transmissió dinàmicament i així poder aprofitar completament les capacitats de la tecnologia MIMO-OFDM(A). 
 L’elevat rendiment i les capacitats flexibles de la capa física dels sistemes de comunicació que utilitzen MIMO-OFDM impliquen un augment de la càrrega
 computacional en banda base. Conseqüentment, calen solucions innovadores a nivell algorítmic, de disseny i d’implementació per tal de proveir els esquemes de capa física requerits. De fet, es requereix d’innovació en diversos estrats per a passar de la descripció d’alt nivell del sistema i els algorismes que el formen (i.e., modelat) a la seva realització digital. Concretament, cal utilitzar tècniques de disseny digital innovadores que tinguin com a objectiu maximitzar el paral ·lelisme i la reutilització de recursos per a la implementació dels algorismes de Processat Digital del Senyal (Digital Signal Processing, DSP), permetent així assolir una realització eficient d’esquemes avançats de capa física basats en la tecnologia MIMO-OFDM.
 Els dispositius Matriu de Portes Programables (Field-Programmable Gate Array, FPGA), caracteritzats per possibilitar un processament a mida, es van
 escollir per a realitzar els desenvolupaments de prova de concepte de la tesi. Quan es considera la implementació en temps real d’arquitectures a mida d’alt rendiment per al DSP, les FPGAs proveeixen d’alta capacitat computacional i flexibilitat, oferint doncs un entorn ideal per a la validació experimental de
 tècniques innovadores de disseny a Nivell de Transferència de Registres (Register Transfer Level, RTL). Concretament, s’ha escollit una aproximació basada en la creació de codi a mida usant un Llenguatge de Descripció de Maquinari (Hardware Description Language, HDL), que permet definir de forma òptima aquells dissenys RTL que presenten elevats requeriments de computació. 
 Un aspecte important del propotipat de capa física que es presenta és la utilització de condicions realistes d’operació, d’especificacions i restriccions de
 maquinari i de condicions de propagació en canals mòbils. Això va ésser possible gràcies a la utilització del banc de proves GEDOMISR . GEDOMIS és una plataforma d’alta capacitat per a la generació i processat del senyal, que permet el prototipat complet en temps real de sistemes multi-antena de comunicacions sense fils. Per tal de suportar el complex cicle de desenvolupament es va introduir una metodologia iterativa de disseny, implementació i verificació, cobrint totes els passos des de la definició dels requeriments i modelat d’alt nivell del sistema fins a la validació exhaustiva dels prototipus resultants mitjançant una plataforma realista.
 La contribució central de la tesi és la simplificació i optimització de diverses operacions de DSP que formen part de blocs arquitecturals de la banda base, que es troben als sistemes moderns de comunicació basats en OFDM. Això no només va permetre de satisfer els estrictes requeriments de rendiment
 impostats per la seva operació en temps real, sinó que ha habilitat la reutilització intel·ligent, compartició o paral·lelització dels recursos de processament
 i d’emmagatzemament proveïts pels dispositius FPGA escollits per a la seva implementació.
 Dos casos d’ús detallen aquesta contribució central, subratllant la conveniència del flux de desenvolupament proposat. El primer cas d’us és un esquema
 MIMO de llaç tancat, basat en l’estàndard de comunicacions sense fils WiMAX mòbil i emprant un mecanisme de Selecció d’Antena Transmissora (Transmit
 Antenna Selection, TAS). El segon cas d’ús implementa un esquema de gestió de la interferència en un escenari macro-cel·la/femto-cel·la basat en l’estàndard 3GPP LTE.