[論文レビュー] Distributed Space Time Codes with Low Decoding Complexity for Asynchronous Relay Networks

G. Susinder Rajan, B. Sundar Rajan|ArXiv.org|Sep 18, 2007

Cooperative Communication and Network Coding参考文献 10被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、OFDMと構造的空間時間符号を活用することで、低復号複雑性で完全な協調ダイバーシティを達成する非同期リレーネットワーク向けの分散空間時間符号化方式を提案する。Li-Xia方式を4群可解符号を用いて任意の数のリレーユーザーをサポートするように拡張し、受信側でのチャネル情報やタイミング知識がなくても動作可能な微分符号化を統合することで、性能を実現する。

ABSTRACT

Recently Li and Xia have proposed a transmission scheme for wireless relay networks based on the Alamouti space time code and orthogonal frequency division multiplexing to combat the effect of timing errors at the relay nodes. This transmission scheme is amazingly simple and achieves a diversity order of two for any number of relays. Motivated by its simplicity, this scheme is extended to a more general transmission scheme that can achieve full cooperative diversity for any number of relays. The conditions on the distributed space time code (DSTC) structure that admit its application in the proposed transmission scheme are identified and it is pointed out that the recently proposed full diversity four group decodable DSTCs from precoded co-ordinate interleaved orthogonal designs and extended Clifford algebras satisfy these conditions. It is then shown how differential encoding at the source can be combined with the proposed transmission scheme to arrive at a new transmission scheme that can achieve full cooperative diversity in asynchronous wireless relay networks with no channel information and also no timing error knowledge at the destination node. Finally, four group decodable distributed differential space time codes applicable in this new transmission scheme for power of two number of relays are also provided.

研究の動機と目的

• 従来の協調ダイバーシティ方式の性能劣化を引き起こす非同期リレーネットワークにおけるタイミングオフセットの課題に対処する。
• 非同期リレー動作下でも任意の数のリレーユーザーに対して完全な協調ダイバーシティを達成する送信方式を開発する。
• 構造的空間時間符号設計により1シンボル復号を可能にすることで、最大尤度復号の複雑性を低減する。
• 受信側でのチャネル状態情報およびタイミング誤差知識がなくても動作可能な微分符号化を用いることで、ロバストな性能を実現する。
• 従来の同期分散STC設計を非同期ネットワークに拡張しつつ、完全なダイバーシティと低復号複雑性を維持する。

提案手法

• 送信側にOFDMを適用し、リレーノードで時間反転／複素共役処理を施すことにより、タイミングオフセットを低減する。
• リレー処理行列を適切に選択することで、受信側での有効チャネルが1シンボル復号可能な構造的空間時間符号となる一般化された送信フレームワークを設計する。
• プリコーディング付き座標インタリーブ直交設計および拡張クライフ・代数を用いた4群可解分散空間時間符号を活用し、リレー処理下でも必要な不変性条件を満たす。
• ユニタリ符号語行列を用いた微分符号化を送信側に統合し、受信側でのチャネル状態情報の必要性を排除する。
• 文献[7]の4群可解分散微分STCを提案手法に適用し、2のべき乗のリレー数に適用可能であることを保証する。
• リレー処理行列が符号行列と可換または反可換となるように設計し、符号構造を保持するとともに、低複雑性復号を実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 分散空間時間符号化方式は、非同期リレーネットワークで低復号複雑性を実現しながら完全な協調ダイバーシティを達成できるか？
• RQ2 提案された送信方式と互換性を持つために、分散空間時間符号が満たすべき構造的条件は何か？
• RQ3 微分符号化は、本手法と効果的に組み合わせられ、受信側でのチャネル状態情報およびタイミング誤差知識の必要性を排除できるか？
• RQ4 既存の4群可解分散STCは、本提案の非同期送信フレームワークに適用可能か？
• RQ5 符号のゲインとSNRの観点から、チャネル知識と微分送信の間の性能トレードオフは何か？

主な発見

• 提案された送信方式は、任意の数のリレーユーザーに対して非同期ネットワークで完全な協調ダイバーシティを達成し、クラスタリングベースの方式のダイバーシティ制限を克服する。
• 文献[4,5,6]の4群可解分散STCは、必要な不変性条件を満たしており、本手法に直接適用可能であり、低復号複雑性を実現する。
• 微分符号化の統合により、受信側でのチャネル状態情報およびタイミングオフセットの知識がなくても完全なダイバーシティ性能が達成可能である。
• シミュレーション結果から、微分符号化による信号セットの変更とレート損失のため、微分方式はコherent方式と比較して約5 dB性能が劣ると判明した。
• 本手法は大きなコherence区間を必要とし、循環プリフィックスのためレート損失が生じるが、FFTサイズNを増加させることで両者を最小限に抑えることができる。
• 本フレームワークは周波数オフセットの状況にも拡張可能であるが、これは今後の課題として残っている。