[論文レビュー] Adaptive and Iterative Multi-Branch MMSE Decision Feedback Detection Algorithms for MIMO Systems

Rodrigo C. de Lamare|arXiv (Cornell University)|Aug 13, 2013

Advanced Wireless Communication Techniques参考文献 67被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、MIMO空間多重通信システム向けに、適応的で反復的な多分支最小分散誤差決定フィードバック（MB-MMSE-DF）検出アルゴリズムを提案する。共通の行列逆行列から導かれる制約付きMMSEフィルタを有する複数のキャンセレーション分岐を活用することで、従来の検波器と比較して著しく低い複雑さで最大尤度に近い性能を達成するとともに、完全な diversity gain を維持し、効率的な適応的およびソフト出力実装を可能にする。

ABSTRACT

In this work, decision feedback (DF) detection algorithms based on multiple processing branches for multi-input multi-output (MIMO) spatial multiplexing systems are proposed. The proposed detector employs multiple cancellation branches with receive filters that are obtained from a common matrix inverse and achieves a performance close to the maximum likelihood detector (MLD). Constrained minimum mean-squared error (MMSE) receive filters designed with constraints on the shape and magnitude of the feedback filters for the multi-branch MMSE DF (MB-MMSE-DF) receivers are presented. An adaptive implementation of the proposed MB-MMSE-DF detector is developed along with a recursive least squares-type algorithm for estimating the parameters of the receive filters when the channel is time-varying. A soft-output version of the MB-MMSE-DF detector is also proposed as a component of an iterative detection and decoding receiver structure. A computational complexity analysis shows that the MB-MMSE-DF detector does not require a significant additional complexity over the conventional MMSE-DF detector, whereas a diversity analysis discusses the diversity order achieved by the MB-MMSE-DF detector. Simulation results show that the MB-MMSE-DF detector achieves a performance superior to existing suboptimal detectors and close to the MLD, while requiring significantly lower complexity.

研究の動機と目的

• 大規模なアンテナアレイを有するMIMOシステムにおける最適最大尤度検出（MLD）の高い計算複雑さに対処すること。
• 部分最適検波器の性能限界、特に完全な受信diversityを達成できないという問題を克服すること。
• 低複雑さで近似ML性能を達成し、完全なdiversityを維持するとともに、反復的検出とソフト出力に対応できるMIMO検出方式を開発すること。
• 再帰的最小二乗法（RLS）型パrameter推定を用いて、時間変動するチャネルにおける適応的動作を可能にすること。
• 反復的検出およびデコーディングシステムへの統合を可能にするソフトインプット・ソフトアウトプット版を提供すること。

提案手法

• MB-MMSE-DF検波器は、共通の行列逆行列から導出されたフィードフォワードおよびフィードバックフィルタを有する複数の処理分岐を用い、多様な検出候補を探索する。
• フィードバックフィルタの形状および大きさに制約を課した制約付きMMSEフィルタを設計することで、性能と安定性を向上させる。
• 式（61）に基づく即時のMMSE指標を用いて、1シンボルあたりの最良の検出分岐を選択し、計算負荷を低減する。
• 適応的実装では、低フィードバックオーバーヘッドで時間変動するチャネルを追跡できるRLS型アルゴリズムを採用する。
• ソフト出力版は、畳み込み符号を用いた反復的デコーディングに適した、対数尤度比（LLRs）を複数の検出候補から生成する。
• 本手法は2次統計と分岐間で共有される1つの行列逆行列に依存しており、追加の複雑さを最小限に抑える。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 多分支決定フィードバック構造は、複雑さを低減しつつ、MIMO空間多重通信で近似ML性能を達成できるか？
• RQ2 制約付きMMSEフィルタリングは、部分最適MIMO検波器におけるdiversity gainと誤り性能を向上させられるか？
• RQ3 RLSに基づく適応的実装は、時間変動する fading チャネルでも性能を維持できるか？
• RQ4 提案された検波器は、反復的検出およびデコーディングに適したソフト出力機能をサポートできるか？
• RQ5 MB-MMSE-DF検波器は、MLDと同等の完全な受信diversity次数を達成できるか？

主な発見

• MB-MMSE-DF検波器は、さまざまなSNR領域において最適MLDと0.5 dB以内の性能差で、著しく低い複雑さを実現する。
• 検波器はMLDと同等の完全なdiversity次数を達成しており、部分最適検波器では必ずしも達成できない場合がある。
• 共通の行列逆行列と統計の共有により、従来のMMSE-DFと比較して計算複雑さはわずかに上昇する。
• 適応的RLSベース実装は、時間変動するチャネルを効果的に追跡し、最小限の性能劣化で運用可能である。
• ソフト出力版は、畳み込み符号を用いた効果的な反復的検出を可能にし、ビット誤り率性能を向上させる。
• 式（61）に示される即時のMMSE指標は、全指標（60）と同等の性能を達成しつつ計算量を削減でき、リアルタイム動作を可能にする。