[論文レビュー] Iterative detection and decoding for SCMA systems with LDPC codes

Baicen Xiao, Kexin Xiao+4 more|arXiv (Cornell University)|Aug 4, 2015

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 15被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、LDPC符号化SCMAシステムにおける新規のターボ型反復検出・復号方式を提案する。この方式は、メッセージパッシングアルゴリズム（MPA）の出力を内在的情報と事前情報に分解することで、SCMA検出器とLDPC復号器間での双方向的ソフト情報交換を可能にする。この方式は、AWGNおよびRayleigh fadingチャネルの両方において、従来の受信機と比較して0.9 dBのBERゲインを達成し、計算複雑度はほぼ同一である。

ABSTRACT

Sparse code multiple access (SCMA) is a promising multiplexing approach to achieve high system capacity. In this paper, we develop a novel iterative detection and decoding scheme for SCMA systems combined with Low-density Parity-check (LDPC) decoding. In particular, we decompose the output of the message passing algorithm (MPA) based SCMA multiuser detection into intrinsic part and prior part. Then we design a joint detection and decoding scheme which iteratively exchanges the intrinsic information between the detector and the decoder, yielding a satisfied performance gain. Moreover, the proposed scheme has almost the same complexity compared to the traditional receiver for LDPC-coded SCMA systems. As numerical results demonstrate, the proposed scheme has a substantial gain over the traditional SCMA receiver on AWGN channels and Rayleigh fading channels.

研究の動機と目的

• スパースなシグネチャ構造を有するが依然として高い複数アクセス干渉（MAI）を示すSCMAシステムの性能制限要因に対処すること。
• 計算複雑度を著しく増加させることなく、LDPC符号化SCMAシステムのビット誤り率（BER）性能を向上させること。
• LDPCコードの反復復号の性質とMPAベースのSCMA検出の反復検出能力を、ソフト情報交換メカニズムを通じて活用すること。
• 従来の非反復受信機を上回る性能を示しながらも、低複雑度を維持する統合的検出・復号フレームワークを設計すること。

提案手法

• MPAベースのSCMAマルチユーザー検出器の出力を内在的および事前部分に分解することで、ソフト情報交換を可能にする。
• 効率的な計算および情報交換を促進するために、MPAベースのSCMA検出アルゴリズムを対数ドメインで導出する。
• 外反復の各ステップで、検出器とLDPC復号器の間で内在的情報を交換する統合的反復検出・復号構造を導入する。
• 特に log(e^a + e^b) のような項に対して、メッセージパッシング中に数値安定性を維持するために対数ドメイン演算を用いる。
• 性能と複雑度のバランスを図るために、各外反復ごとに検出器および復号器で部分的な内反復を実装する。
• 検出器と復号器の両方でソフト入力・ソフト出力構造を採用することで、反復的情報交換をサポートする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SCMA検出とLDPC復号の間で新規のターボ型反復的結合を実現することで、最小限の複雑度増加で顕著なBERゲインを達成できるか？
• RQ2 MPAベースのSCMA検出器とLDPC復号器の間で、内在的情報を効果的に抽出・交換する方法は何か？
• RQ3 提案手法は、AWGNおよびRayleigh fadingチャネルの両方において、従来の非反復受信機を上回る性能を示すか？
• RQ4 外反復と内反復の割り当てが、提案手法における性能-複雑度トレードオフに与える影響は何か？

主な発見

• 提案手法は、AWGNおよびRayleigh fadingチャネルの両方において、従来の非反復受信機と比較して0.9 dBのBERゲインを達成する。
• Mode 2（反復的検出と復号を有効にしたモード）は、Mode 3に対して0.3 dBのゲインを、Mode 4（従来の受信機）に対して0.9 dBのゲインを、BER = 10^-4の条件下で達成する。
• 提案手法（Mode 2）のBER曲線のウォールフォール領域は、従来の受信機と比較して著しく狭く、収束が速く、より高いダイバーシティゲインを示している。
• 外反復および内反復を考慮した場合、合計乗算および除算回数がほぼ同一であるため、提案手法の複雑度は従来の受信機とほぼ同一である。
• Mode 1（32外反復、内反復1回のみ）の性能劣化は、内反復が不十分であると収束が悪化することを示しており、バランスの取れた反復割り当ての重要性を裏付けている。
• 特に恒等式 log(e^a + e^b) = max(a,b) + log(1 + e^(-|a-b|)) を用いることで、対数ドメインでの計算により数値安定性が維持されている。