[論文レビュー] An interleaver design for polar codes over slow fading channels

Saurabha Tavildar|arXiv (Cornell University)|Oct 16, 2016

Error Correcting Code Techniques参考文献 8被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、信頼性の高い極化ビットチャネルのビット反転マッピングを活用して、遅い fading チャネルにおける性能を向上させるための多様性インターリーブおよび多様性極化符号設計を提案する。この手法は、近似アウトージー性能（~2 dB以内）を達成し、特にブロックレイリーおよび周波数ホッピングOFDM環境下でランダムインターリーブよりも顕著な性能向上を実現する。

ABSTRACT

We consider the problem of using polar codes over slow fading wireless channels. For design, we focus on a parallel slow fading channel with 2 blocks, and polar codes with rate <= 1/2. Motivated by Arikan's systematic polar code construction, we propose an interleaver design for a general polar code. The interleaver comprises of using the bit reversal of the order of polarized bit channels. This interleaver is called a diversity interleaver. In addition to the diversity interleaver, a diversity polar code is proposed to further increase the diversity gain. The proposed designs are evaluated via link simulations for AWGN and fading channels. The simulation results show a performance close to the outage probability (within 2 dB) and significant gains over using a random interleaver.

研究の動機と目的

• 展開状況や移動性に応じて変動する fading 分布を考慮した、遅い fading 無線チャネル向けの極化符号設計の課題に対処すること。
• ブロック fading 環境下で多様性ゲインを最大限に引き出せない既存のインターリーブ（例：ランダム、一様）の限界を克服すること。
• 特定の fading 分布に依存しないユニバーサルな符号設計を実現し、最も深刻なフェード（ディープフェード）状況下での多様性ゲインを最大化すること。
• 片方のブロックが深刻なフェードを経験しても、両方の符号サブセットが逐次取消しデコードにおいて自己復帰可能であることを保証すること。
• 一つの堅牢な極化符号設計により、AWGN、レイリー、OFDM などの多様な無線環境で性能を向上させること。

提案手法

• N/2 個の最も信頼性の高い極化ビットチャネル（集合 A）とその補集合（Aᶜ）を、ビット反転マッピング B を用いてマッピングし、B(A) をブロック1に、B(Aᶜ) をブロック2に送信する多様性インターリーブを提案する。
• 情報ビット集合 A を制約することで多様性極化符号を導入し、各インデックス i に対して i と N+1−i の両方が情報ビットとならないようにする。この制約により |Aᶜ| = N+1−|A| を満たす。
• ビット反転マッピング B を用いて B(A) と B(Aᶜ) の対称性を確保し、両サブセットが逐次取消しデコードにおいて自己復帰可能であると仮定する。
• BI-AWGN チャネルを想定し、密度推移を用いて極化符号を設計し、式 (1) に示す多様性制約を組み込むことで、fading 条件下でも性能を維持する。
• 3 種類のチャネルモデル（AWGN、ブロックレイリー fading（2 ブロック）、LTE ナロロジーを用いた周波数ホッピングOFDM）を用いて性能を評価する。
• 均一、ランダム、および提案された多様性インターリーブの3 種類のインターリーブを比較し、受信側に完全な CSI を想定した BPSK 調制を用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 信頼性の高い極化ビットチャネルのビット反転マッピングに基づく体系的なインターリーブ設計は、遅い fading チャネルにおける多様性ゲインを向上させることができるか？
• RQ2 提案された多様性インターリーブは、逐次取消しデコードにおいて両サブセット（B(A) および B(Aᶜ)）が自己復帰可能であることを保証するか？
• RQ3 式 (1) に示される制約を課えた多様性極化符号設計は、標準の極化符号と比較して、fading 環境下でも性能をどの程度維持できるか？
• RQ4 ブロックレイリーおよびOFDM fading チャネル下でのBLER性能において、提案された設計はランダムおよび均一インターリーブと比較してどの程度優れているか？
• RQ5 提案された設計は、複数の無線展開環境において、アウトージー確率の限界に近い性能を達成できるか？

主な発見

• 多様性インターリーブを備えた多様性極化符号は、ブロックレイリー fading チャネルにおいて、アウトージー確率の限界から約 2 dB の範囲内での性能を達成する。
• N=1024 および N=256 の場合、多様性符号に多様性インターリーブを適用したものは、レイリー fading 環境下でランダムおよび均一インターリーブを用いた AWGN 符号よりも優れた性能を示す。
• AWGN チャネルでは、多様性符号は標準の AWGN 設計極化符号とほぼ同一の性能を示し、多様性制約による性能損失は最小限であることが示された。
• ブロックレイリー fading 環境下では、多様性インターリーブがランダムインターリーブよりも顕著な利得をもたらし、SNR が高くなるほど利得が増大する。
• 周波数ホッピングOFDMシステム（EPA-5、1x2 MIMO）では、多様性インターリーブが良好な性能を維持するが、ブロックレイリー fading ほど大きな利得は得られない。
• 均一インターリーブは、すべてのチャネルモデルで一貫して最も性能が低く、fading 環境下での構造的インターリーブの必要性を裏付けた。