[論文レビュー] Analysis of Network Coding Schemes for Differential Chaos Shift Keying Communication System

Georges Kaddoum, Mohammed El‐Hajjar|arXiv (Cornell University)|May 12, 2015

Cooperative Communication and Network Coding参考文献 45被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、多径レイノルズフェイジングチャネルにおける干渉を低減するため、微分カオスシフトキーイング（DCSK）通信システム向けの新規ネットワーク符号化方式を提案する。リレ−でのユーザー信号の分離に時間分割多重または周波数分割多重を用いることで、従来の物理層ネットワーク符号化（PNC）およびアナログネットワーク符号化（ANC）を上回るビット誤り率（BER）性能を達成し、高いスループットとスペクトル効率を実現しながら、低複雑性を維持する。

ABSTRACT

In this paper we design network coding schemes for Differential Chaos Shift Keying (DCSK) modulation. In this work, non-coherent chaos-based communication system is used due to its simplicity and robustness to multipath propagation effects, while dispensing with any channel state information knowledge at the receiver. We propose a relay network using network coding and DCSK, where we first present a Physical layer Network Coding (PNC) scheme with two users, $\mathcal{A}$ and $\mathcal{B}$, sharing the same spreading code and bandwidth, while synchronously transmitting their signals to the relay node $\mathcal{R}$. We show that the main drawback of this design in multipath channels is the high level of interference in the resultant signal, which severely degrades the system performance. Hence, in order to address this problem, we propose two coding schemes, which separate the users' signals in the frequency or the time domains. We show also in this paper that the performance of the Analog Network Coding (ANC) with DCSK modulation suffers from the same interference problem as the PNC scheme. We present the analytical bit error rate performance for multipath Rayleigh fading channel for the different scenarios and we analyse these schemes in terms of complexity, throughput and link spectral efficiency.

研究の動機と目的

• 多径レイノルズフェイジングチャネルにおいて、従来のPNC-DCSKおよびANC-DCSK方式で生じる信号重畳による高干渉を是正すること。
• リレーでのユーザー信号分離により、ビット誤り率（BER）、スループット、スペクトル効率の面でシステム性能を向上させること。
• 時間分割多重および周波数分割多重ネットワーク符号化方式の性能を、既存のPNCおよびANC手法と比較・分析すること。
• 実際のフェイジング条件下で、解析的BER式の妥当性をモンテカルロシミュレーションにより検証すること。
• 時間領域または周波数領域における信号分離が、DCSKベースの協調ネットワークにおけるシステムの信頼性および効率を顕著に向上させることを示すこと。

提案手法

• ユーザーが別々の時間スロットで順次リレーに送信することで、分離された復調と再送信が可能となる、時間多重ネットワーク符号化方式（方式2）を提案する。
• 各ユーザーに異なる周波数帯域を割り当てることで、リレーでの直交的信号分離を可能にする周波数多重ネットワーク符号化方式（方式3）を導入する。
• 多径レイノルズフェイジング下での全方式について、チャネル利得および遅延スプレッドを考慮した、エンドツーエンドのビット誤り率（BER）の解析的式を導出する。
• スプリーディング因子（β = 25, 50）および異なるチャネル条件下で、理論的BER性能の妥当性をモンテカルロシミュレーションにより検証する。
• 時間分割多重と周波数分割多重方式の間で、スループットおよびリンクスペクトル効率を比較し、データレートとスペクトル効率のトレードオフを明らかにする。
• PNCにおけるXORベースのリレー伝送およびANCにおける増幅・再送信の原則を標準的なネットワーク符号化手法として採用し、非コherent DCSK変復調フレームワークに適応する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 従来のPNC-DCSKおよびANC-DCSK方式における信号重畳が、多径レイノルズフェイジングチャネルで性能をどのように劣化させるか？
• RQ2 リレーでの時間分割または周波数分割多重を用いることで、DCSKベースのネットワーク符号化における干渉低減とBER性能向上が達成可能か？
• RQ3 DCSK用ネットワーク符号化における時間多重方式と周波数多重方式の間で、スループットとスペクトル効率のトレードオフはどのように変化するか？
• RQ4 実際のフェイジング条件下で、提案方式の解析的BER式とシミュレーション結果の一致度はどの程度か？
• RQ5 時間領域または周波数領域における信号分離は、DCSKベースの協調ネットワークにおける従来のPNCおよびANCをどれほど上回るか？

主な発見

• PNC-DCSK方式では、ユーザーのデータとリファレンス信号の間のクロス積項が深刻な干渉を引き起こし、多径環境下で高いBERを生じる。
• 提案された時間多重方式（方式2）は、PNC-DCSKおよびANC-DCSKを上回るBER性能を達成し、BER = 10^-3における3 dBのSNRゲインを示す。
• 周波数多重方式（方式3）は、時間多重方式（方式2）に比べ1.5倍のスループットを達成するが、スペクトル効率は0.75低下する。
• シミュレーションにより、解析的BER式がスプリーディング因子（β = 25, 50）および異なるチャネルパラメータ下でモンテカルロ結果と良好に一致することが確認された。
• ANC-DCSK方式は、リレーでのノイズ増幅と伝搬が多径フェイジング環境で干渉を悪化させるため、PNC-DCSK方式よりも性能が劣る。
• 時間領域または周波数領域における信号分離は、システムの信頼性を顕著に向上させ、従来のPNCおよびANCの制限を克服する有効な解決策である。