Reduced Receivers for Faster-than-Nyquist Signaling and General Linear Channels

Sammanfattning: Popular Abstract in Swedish Dagens samhälle är allt mer beroende av elektroniska hjälpmedel så som smarta telefoner, läsplattor, datorer osv. Prestandakraven ökar i en allt högre takt och därför måste även den bakomliggande teknologin följa samma trend. De flesta av oss vill att den nya mobiltelefonen ska ha så hög kameraupplösning som möjligt men få av oss tänker på att detta medför en större mängd data. Den nya 4G telefonen förväntas också kunna ladda upp dessa högupplösta foton och videoklipp på Internet snabbare än den gamla slitna GSM telefonen. Den ska dessutom vara lika billig i inköp. Man inser snabbt att detta ställer stora krav på den bakomliggande kommunikationsteknologin. I denna avhandling analyseras därför de praktiska utmaningarna hos en potentiell lösning. Snabb och tillförlitlig dataöverföring tillsammans med hög bandbreddseffektivitet är viktiga designaspekter i ett modernt kommunikationssystem som t.ex. 3G, WiFi och LTE. Bandbreddseffektivitet är i grova drag ett mått på hur mycket data ett kommunikationssystem kan överföra per tidsenhet och hertz (Hz). Idag baseras all konventionell teknologi på att de olika informationsbitarna, ettorna och nollorna, ska kunna behandlas oberoende av varandra på mottagarsidan. Denna avhandling undersöker en väsentligt annorlunda metod, nämligen att interferens mellan bitarna införs avsiktligt på sändarsidan med hjälp av den så kallade faster-than-Nyquist (FTN) tekniken. Detta medför i sin tur att bitarna stör varandra vilket resulterar i att mottagaren inte kan behandla dem var för sig. Denna signaleringsteknik introducerades redan 1975 av James Mazo, forskare på Bell Laboratories i USA, och har sedan dess utökats i många riktningar. Tidigare arbete inom området har påvisat signifikanta vinster i bandbreddseffektivitet men också påpekat att mottagaren blir alltför komplex för praktisk realisering. I denna avhandling föreslår vi ett antal lågkomplexitetslösningar för mottagning av denna typ av självstörande signaler. Vår slutsats är att de teoretiska vinsterna i bandbreddseffektivitet, som tidigare påvisats, är fullt möjliga att uppnå i praktiken då våra lågkomplexitetsmottagare har mycket god prestanda för praktiska komplexitetsnivåer. Den första delen av avhandlingen behandlar lågkomplexitetsmottagare och relaterade stabilitetsproblem. Nya algoritmer presenteras tillsammans med en rad viktiga förbättringar vilka tillsammans radikalt reducerar mottagarens komplexitet utan att nämnvärt öka antalet felaktigt mottagna bitar. Den andra delen analyserar effekten av de mottagarinterna beräkningarna på prestandan, kvoten mellan antalet felaktigt mottagna bitar och det totala antalet bitar, hos två i grunden olika mottagarmodeller. En av dessa två standarmodeller är välundersökt i litteraturen. Även om deras slutresultat är identiska vid optimal mottagning, så är de interna beräkningarna i allmänhet annorlunda för de två modellerna. Icke optimala mottagare, dvs. mottagare som utför ett mindre antal beräkningar, behöver därför inte generera samma slutresultat. Färre beräkningar medför i regel viktiga energibesparingar hos batteridrivna enheter samt billigare produktionskostnader. Utöver detta så föreslås och utvärderas nya typer av mottagarmodeller som arbetar emellan de två standardmodellerna. Den sista delen av avhandlingen ägnas åt ett annat tillvägagångssätt för att reducera antalet beräkningar. Så kallade kanalkortningsmottagare optimeras ur ett icke konventionellt perspektiv. Istället för att reducera antalet beräkningar genom en förbättrad inre mottagarstruktur, så försöker en kanalkortningsmottagare att neutralisera effekterna av omgivningen(kanalen) och därefter arbeta med en förenklad kanalmodell. Ramverket som används för kanalkortning i denna avhandling är mer generell än vad som tidigare använts inom området.