[論文レビュー] Coding for Two-User SISO and MIMO Multiple Access Channels

J. Harshan, B. Sundar Rajan|ArXiv.org|Jan 1, 2009

Advanced Wireless Communication Techniques参考文献 22被引用数 10

ひとこと要約

本稿は、有限の信号セットを用いた2ユーザーSISOおよびMIMO多重アクセスチャネル（MAC）に対して、回転に基づくシグナリングおよびtrellis符号化変調（TCM）方式を提案し、ほぼ容量に近い和スルーレートを達成するとともに、最大尤度（ML）デコードの複雑さを顕著に低減した。SISO MACでは、信号セット制約付き（CC）容量領域を最大化するための回転メトリックを導入し、回転されたM-PAMペアにUngerboeckラベル付けを施すことで、和トレリス距離が最大化されることを証明した。MIMO MACでは、実正交設計（ROD）から得られる空間時間ブロックコード（STBC）ペアを設計し、完全な干渉キャンセリゼーションと低複雑性を実現する1シンボルデコードを可能にした。誤り率（BER）シミュレーションにより、他の設計と比較して優れた性能が確認された。

ABSTRACT

Constellation Constrained (CC) capacity regions of a two-user SISO Gaussian Multiple Access Channel (GMAC) with finite complex input alphabets and continuous output are computed in this paper. When both the users employ the same code alphabet, it is well known that an appropriate rotation between the alphabets provides unique decodability to the receiver. For such a set-up, a metric is proposed to compute the angle(s) of rotation between the alphabets such that the CC capacity region is maximally enlarged. Subsequently, code pairs based on Trellis Coded Modulation (TCM) are designed for the two-user GMAC with $M$-PSK and $M$-PAM alphabet pairs for arbitrary values of $M$ and it is proved that, for certain angles of rotation, Ungerboeck labelling on the trellis of each user maximizes the guaranteed squared Euclidean distance of the extit{sum trellis}. Hence, such a labelling scheme can be used systematically to construct trellis code pairs for a two-user GMAC to achieve sum rates close to the sum capacity of the channel. More importantly, it is shown for the first time that ML decoding complexity at the destination is significantly reduced when $M$-PAM alphabet pairs are employed with extit{almost} no loss in the sum capacity. \indent A two-user Multiple Input Multiple Output (MIMO) fading MAC with $N_{t}$ antennas at both the users and a single antenna at the destination has also been considered with the assumption that the destination has the perfect knowledge of channel state information and the two users have the perfect knowledge of only the phase components of their channels. For such a set-up, two distinct classes of Space Time Block Code (STBC) pairs derived from the well known class of real orthogonal designs are proposed such that the STBC pairs are information lossless and have low ML decoding complexity.

研究の動機と目的

• 有限の複素入力アルファベットと連続出力を持つ2ユーザーSISOガウスMACの信号セット制約付き（CC）容量領域を計算すること。
• M-PSKおよびM-PAM入力アルファベットに対して、CC和容量に近い和スルーレートを達成するTCMベースの符号ペアを設計すること。
• 2ユーザーSISOおよびMIMO MACにおける受信機での最大尤度（ML）デコードの複雑さを、アルファベットの回転と信号セット設計を活用することで低減すること。
• 片側受信機が単一アンテナで、送信側に位相のCSI（phase-CSIT）が得られる2ユーザーMIMOフェージングMACに対して、1シンボルデコードを可能にするSTBCペアを提案すること。
• 提案手法の理論的およびシミュレーション的性能向上を、CC容量、コーディングゲイン、および誤り率（BER）の観点から評価すること。

提案手法

• 2ユーザーSISO MACにおける信号セットの最適な回転角度を計算するためのメトリックを提案し、同じ信号セット（例：M-PSKまたはM-PAM）を用いる2ユーザー間のCC容量領域を最大化すること。
• トレリスにUngerboeck分割を適用したTCMベースの符号ペアを設計し、特定の回転角度において、和トレリスの最小二乗距離が最大化されることを証明した。
• 回転された信号セットを用いたM-PAM信号セットを採用することで、複素信号セットと比較してMLデコードの複雑さを顕著に低減しつつ、和スルーレートにほとんど損失がない近い性能を達成した。
• 各ユーザーにNt個のアンテナがあり、受信側が単一アンテナである2ユーザーMIMO MACに対して、実正交設計（ROD）から導出される2種類のSTBCペアを提案した。
• 各実符号がR上で独立してデコード可能となるようにSTBCペアを設計し、1シンボルMLデコードを可能にするとともに、ユーザー間干渉を完全に排除した。
• Nt = 2およびNt = 4のRayleighフェージングチャネル上でのBERシミュレーションにより、提案されたSTBCペアの性能を検証し、RODベースとSODベースの設計を比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2ユーザーSISO MACにおいて、同じM-PSKおよびM-PAM信号セットを用いる場合、信号セット制約付き（CC）容量領域を最大化するための最適な回転角度は何か？
• RQ2 回転されたM-PAM信号セットを用いるユーザーのトレリスにUngerboeckラベル付けを施すことで、和トレリスの最小二乗距離が最大化され、コーディングゲインが向上するか？
• RQ3 複素信号セットと比較して、M-PAMを用いることで、和スルーレートにほとんど損失がない状態で、2ユーザーSISO MACにおけるMLデコードの複雑さはどの程度低減されるか？
• RQ4 位相のCSIがユーザーにあり、受信側に完全な位相のCSI（perfect phase-CSIT）が得られる2ユーザーMIMO MACに対して、実正交設計（ROD）から導出されるSTBCペアを構築可能か？ また、1シンボルデコードを可能にするか？
• RQ5 RODベースのSTBCペアとSODベースのSTBCペアの間で、BER性能（コーディングゲインおよびデコードの複雑さ）にどのような差があるか？

主な発見

• 提案された回転メトリックは、同じM-PSKおよびM-PAM信号セットを用いる2ユーザーSISO MACにおいて、CC容量領域を最大化する角度を的確に特定した。
• 最適な回転角度を用いたM-PAMアルファベットペアでは、個々のトレリスにUngerboeckラベル付けを施すことで、和トレリスの保証最小二乗距離が最大化され、堅牢な誤り性能が確保された。
• 適切な回転を施したM-PAM信号セットを用いることで、複素信号セットと比較して、受信側のMLデコードの複雑さが最大4倍まで低減されたが、和スルーレートへの損失は無視できるほど小さかった。
• 実正交設計（ROD）から導出されたSTBCペアは、2ユーザーMIMO MACにおいて両ユーザーの1シンボル最大尤度デコードを可能にし、完全な分散度とゼロのユーザー間干渉を達成した。
• BERシミュレーションの結果、RODベースのSTBCペアはNt=2およびNt=4の両方において、SODベースのSTBCペアを上回る性能を示した。その利点は、独立した実符号のデコードと干渉の不在に起因する。
• 提案された手法は、特にM-PAMを最適な回転とUngerboeckラベル付けを併用した場合、チャネルの理論的CC和容量に非常に近い和スルーレートを達成した。