[論文レビュー] Iterative Turbo Receiver for LDPC-Coded MIMO Systems Based on Semi-definite Relaxation

Kun Wang, Zhi Ding|arXiv (Cornell University)|Mar 15, 2018

Advanced Wireless Communication Techniques参考文献 16被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、半正定値緩和（SDR）を用いたLDPC符号化MIMOシステム向けに、新たな反復的ターボ受信機を提案する。この受信機は、前方誤り訂正（FEC）符号を検出最適化に直接統合することで、外的情報の信頼性を向上させる。主な貢献は、1符号語あたり1回のSDR問題を解くことで、従来のSDRベースの手法と比較して著しく複雑性を低減した簡素化されたSDRターボ受信機を実現し、ほぼ容量性能を達成することである。

ABSTRACT

In this work, we develop a new iterative turbo receiver for LDPC-coded multi-antenna systems based on semidefinite relaxation (SDR). For a classical turbo receiver, forward error correction (FEC) code is only used at decoder. Nonetheless, by taking advantage of FEC code in the detection stage, our proposed SDR detector can output extrinsic information with much improved reliability to the decoder. We also propose a simplified SDR turbo receiver that solves only one SDR problem per codeword instead of solving multiple SDR problems in the iterative turbo processing. This scheme significantly reduces the time complexity of SDR turbo receiver, while the error performance remains similar as before. In fact, our simplified scheme is generic in the sense that it is applicable to any list-based iterative receivers.

研究の動機と目的

• 半正定値緩和（SDR）を用いたLDPC符号化MIMOシステム向けに、検出の信頼性を向上させる新しい反復的ターボ受信機を開発すること。
• 1符号語あたりのSDR問題の解法回数を最小限に抑えることで、SDRベースのターボ受信機の計算複雑性を低減すること。
• FEC符号の制約を検出段階に統合することで、反復的復号における外的情報の品質を向上させること。
• 1符号語あたり1回のSDR問題を解くことで、高い性能を維持する簡素化された受信機を設計すること。
• 提案手法が、ビット誤り率（BER）と複雑性のトレードオフにおいて、既存のSDRベースの受信機を上回ることを実証すること。

提案手法

• LDPC符号の制約を検出最適化問題に直接組み込んだ共同SDR検出器を提案し、外的情報の信頼性を向上させる。
• 多項式時間の複雑性と有界な誤差を備えた最大尤度（ML）検出の近似として、半正定値緩和（SDR）を用いる。
• 最初の反復でのみ共同MAP-SDR検出器を実行し、以降の反復では低複雑性の近似手法を用いる、簡素化されたターボ受信機を導入する。
• 追加のランダム化やビット反転ステップを用いずに、ハミング距離に基づくリスト生成手法を用いて候補シンボルを生成する。
• 反復的ターボ処理フレームワーク内において、SDR検出器とLDPC復号器の間で外的情報を交換する。
• 複素数MIMO信号モデルを実数領域に変換することで、効率的なSDR定式化を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 FEC符号の制約をSDR検出プロセスに統合することで、ターボ受信機における外的情報の信頼性が向上するか？
• RQ2 1符号語あたり1回のSDR問題を解くことで、ほぼ容量性能を維持しながら複雑性を著しく低減できるか？
• RQ3 提案された簡素化されたSDRターボ受信機の性能は、フルリスト型および複数反復型SDRベースの受信機と比べてどうか？
• RQ4 提案された共同SDR検出器は、ランダム化やリスト強化に依存する既存のSDRベースの受信機を上回る性能を示すか？
• RQ5 ハミング距離およびクリッピングパラメータの影響は、簡素化された受信機の収束性と誤り性能にどう現れるか？

主な発見

• 共同MAP-SDRターボ受信機は、特に低SNR領域において、最初の反復でフルリストターボ受信機よりも優れたBER性能を達成する。
• 後続の反復において、共同MAP-SDR受信機の性能はフルリスト受信機に収束し、効果的な反復的収束が実現していることが示された。
• 1符号語あたり1回のSDR問題を解く単一の共同SDR受信機は、複数反復型SDR受信機と同等のBER性能を達成する。
• 提案された単一の共同SDR受信機は、各反復でSDRを解く「Mehran List SDR」受信機を、特にBER = 1e-4付近で上回る。
• 信頼性の高い初期SDR解法を用いることで、計算複雑性を著しく低減しながらも、高い信頼性を維持できる。
• リスト生成においてランダム化やビット反転ステップの必要性が排除され、検出パイプラインが簡素化され、効率性が向上した。