[論文レビュー] A Non-Orthogonal Distributed Space-Time Coded Protocol Part I: Signal Model and Design Criteria

G. Susinder Rajan, B. Sundar Rajan|ArXiv.org|Oct 29, 2006

Cooperative Communication and Network Coding参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、遅延を低減し、符号化ゲインを向上させることを可能にする一般化非直交アンプライファ・フォワーディング（GNAF）協調ダイバーシティプロトコルを提案する。リレーエージェントが受信シンボルとその複素共役の線形結合を送信することにより、GNAFは協調フェーズでR回のチャネル利用で完全なダイバーシティ次数R+1を達成し、誤り率性能において先行プロトコルを上回り、単一アンテナ受信機でも指数的でない球体デコーダーの複雑さを実現する。

ABSTRACT

In this two-part series of papers, a generalized non-orthogonal amplify and forward (GNAF) protocol which generalizes several known cooperative diversity protocols is proposed. Transmission in the GNAF protocol comprises of two phases - the broadcast phase and the cooperation phase. In the broadcast phase, the source broadcasts its information to the relays as well as the destination. In the cooperation phase, the source and the relays together transmit a space-time code in a distributed fashion. The GNAF protocol relaxes the constraints imposed by the protocol of Jing and Hassibi on the code structure. In Part-I of this paper, a code design criteria is obtained and it is shown that the GNAF protocol is delay efficient and coding gain efficient as well. Moreover GNAF protocol enables the use of sphere decoders at the destination with a non-exponential Maximum likelihood (ML) decoding complexity. In Part-II, several low decoding complexity code constructions are studied and a lower bound on the Diversity-Multiplexing Gain tradeoff of the GNAF protocol is obtained.

研究の動機と目的

• 既存の協調ダイバーシティ方式を統合・改善する一般化されたアンプライファ・フォワーディングプロトコルの開発。
• 協調伝送の遅延を低減するため、協調フェーズにおけるチャネル利用回数を最小限に抑えること。
• 完全なダイバーシティを達成するための符号設計基準を、対間誤り確率（PEP）解析に基づいて確立すること。
• 単一アンテナ受信機でも、球体デコーダーの複雑さが指数的でないことを示すこと。
• 正方複素直交設計が、シンボル倍長を必要とせずGNAFプロトコル下で完全なダイバーシティを達成できることを示すこと。

提案手法

• ブロードキャストフェーズ（T1回）と協調フェーズ（T2回）からなる二段階GNAFプロトコルを提案。ソースとリレーエージェントが共同で分散空間時間符号を送信する。
• リレーエージェントは、受信シンボルとその複素共役の線形結合を送信するためのリレー行列ペア（Ai, Bi）を用いる。
• 受信機がソースおよびリレーエージェントからの信号を受信し、合成チャネル行列Sと有効チャネルHを形成する信号モデルを導出する。
• PEP解析に基づく符号設計基準を確立し、T2 = Rの条件下で完全なダイバーシティR+1が達成可能であることを示す。
• GNAF下で任意の正方複素直交設計が完全なダイバーシティを達成できることを示し、従来の方式で要請されるシンボル倍長の必要性を排除する。
• デコーディングの複雑さを解析し、平均球体デコーダー複雑さがリレーカ数や符号構造に関係なく指数的でないことを証明する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 一般化非直交アンプライファ・フォワーディングプロトコルは、既存プロトコルよりも少ないチャネル利用回数で完全なダイバーシティを達成できるか？
• RQ2 GNAFプロトコルでは、シンボル倍長を要せず正方複素直交設計を用いて完全なダイバーシティを達成できるか？
• RQ3 パワー割り当ておよびリレー行列設計が符号化ゲインと誤り性能に与える影響は何か？
• RQ4 単一アンテナ受信機でも、GNAFにおける球体デコーディングの複雑さは指数的でないままであるか？
• RQ5 GNAFは、JingとHassibiプロトコルと比べて、ダイバーシティゲインおよび誤り率性能で優れているか？

主な発見

• GNAFプロトコルは協調フェーズでR回のチャネル利用でダイバーシティ次数R+1を達成し、従来のR+1回を要するプロトコルを上回る性能を示す。
• GNAFに使用される任意の正方複素直交設計は、シンボル数を倍長する必要なく完全なダイバーシティを達成できる。
• 単一アンテナ受信機を含むいかなるGNAF-DSTCに対しても、平均球体デコーダー複雑さは指数的でない。
• シミュレーション結果から、GNAF-IIは符号誤り率およびシンボル誤り率の両面でJingとHassibiプロトコルを上回り、誤り率の低下が速い。
• 高SNRでは、行列A0およびパワー割り当て係数π1, π2, π3を最適化することで符号化ゲインが最大化され、|M|の値が従来プロトコルを上回る高いゲインを示す。
• 低SNRでは設計基準がTr(M′)の最大化を優遇し、GNAF-IはGNAF-IIIおよびJing-Hassibiプロトコルよりも優れた性能を示す。これはソース伝送の完全な利用に起因する。