[論文レビュー] BER Analysis of Decision-Feedback Multiple Symbol Detection in Noncoherent MIMO Ultra-Wideband Systems

Taotao Wang, Tiejun Lv+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 5, 2013

Ultra-Wideband Communications Technology参考文献 20被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、微分空間時間ブロックコード（DSTBC）を用いた非相関MIMO超広帯域（UWB）システムにおける意思決定フィードバック多重記号検出（DF-MSD）方式を提案し、計算量を低減しつつビット誤り率（BER）性能を向上させる。過去に検出された記号をフィードバックすることで検索空間を制約することで、DF-MSDは完全なMSDに近い最適性能を著しく低い計算コストで達成する。理論的BER解析およびシミュレーションにより、10⁻⁶ BERにおける理想Rake受信に3 dB以内の性能を達成することが検証された。

ABSTRACT

In this paper, we investigate noncoherent multiple-input multiple-output (MIMO) ultra-wideband (UWB) systems where the signal is encoded by differential space-time block code (DSTBC). DSTBC enables noncoherent MIMO UWB systems to achieve diversity gain. However, the traditional noncoherent symbol-by-symbol differential detection (DD) for DSTBC-UWB suffers from performance degradation compared with the coherent detection. We introduce a noncoherent multiple symbol detection (MSD) scheme to enhance the performance of DSTBC-UWB system. Although the MSD scheme can boost the performance more as the observation window size gets to larger, the complexity of the exhaustive search for MSD also exponentially increases in terms of the window size. To decrease the computational complexity, the concept of decision-feedback (DF) is introduced to MSD for DSTBC-UWB in this paper. The resultant DF-MSD yields reasonable complexity and also solid performance improvement. We provide the bit error rate (BER) analysis for the proposed DF-MSD. Both theoretical analysis and simulation results validate the proposed scheme.

研究の動機と目的

• 非相関MIMO UWBシステムにおける全記号検出（MSD）の高い計算量を軽減すること。
• チャネル状態情報が不要な状態で、従来の記号単位の微分検出（DD）よりもBER性能を向上させること。
• 実用的UWBシステムへの実装に適した低計算量・高性能な検出方式を開発すること。
• 提案されたDF-MSDのBERに対する理論的下限を導出することにより、将来のソフト検出設計の指針とする。

提案手法

• 過去に検出された記号を代入することで検索空間を制限する意思決定フィードバック（DF）機構を多重記号検出（MSD）に導入し、検出メトリックにおける計算量を低減する。
• UWB信号の時間的相関を活用し、サイズMのスライディングウインドウを用いて複数記号を同時に検出する。
• フィードバックを用いた最大尤度（ML）シーケンス検出原理を適用し、計算量を低減しつつ最適MSDに近い性能を実現する。
• 完全なフィードバックを仮定したジェイン・エイデッドDF-MSDの理論的BER下限を導出し、性能ベンチマークとして用いる。
• メトリックにおける誤差項にガウス近似を適用し、解析的BER導出を可能にする。
• シミュレーションを用いて本方式を検証し、DD、MSD、および理想Rake受信と性能を比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 意思決定フィードバック多重記号検出（DF-MSD）は、非相関MIMO UWBシステムにおけるMSDの計算量を著しく低減しつつ、高い性能を維持できるか？
• RQ2 DSTBCを用いたUWBシステムにおいて、DF-MSDのBER性能は従来の微分検出（DD）および完全なMSDと比べてどの程度か？
• RQ3 フィードバックループにおける誤り伝搬は、実際のDF-MSDの性能をジェイン・エイデッド（理想）バージョンと比較してどの程度制限するか？
• RQ4 DF-MSDに対して導出した理論的BER下限は、実装された実際のシステムの性能を正確に予測できるか？
• RQ5 観測ウインドウサイズMを増加させた場合、DF-MSDの性能は理想Rake受信にどの程度近づけるか？

主な発見

• 提案されたDF-MSDは、誤り伝搬によるわずかな性能劣化を除き、完全なMSDに非常に近いBER性能を達成する。
• 観測ウインドウサイズM=20の場合、10⁻⁶ BERにおけるDF-MSDのBERは理想Rake受信に3 dB以内に収束する。
• ジェイン・エイデッドDF-MSDの理論的BER下限はシミュレーション結果とよく一致し、実際のDF-MSD性能をタイトに近似する。
• 低SNR領域では、誤ったフィードバック決定による誤り伝搬が原因で、実際のDF-MSDとジェイン・エイデッドDF-MSDの性能差が拡大する。
• DF-MSDの計算量はウインドウサイズMに依存せず、Mを増加させることで計算量の指数的増加なしにスケーラブルな性能向上が可能である。