[論文レビュー] Joint Constellation Design for the Two-User Non-Coherent Multiple-Access Channel

Khac–Hoang Ngo, Sheng Yang+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 14, 2020

Advanced Wireless Communication Techniques参考文献 14被引用数 8

ひとこと要約

本稿は、最大尤度検出誤りを最小化するために、最小期待対応対数尤度比（PLLR）に基づく設計指標を導出することで、2ユーザー非協調MIMO多重アクセスチャネルの新しい共同信号対の設計を提案する。この手法はグラスマン多様体の信号対構造を用い、対称レートのための単一ユーザー信号対の簡単な分割構成を導入し、高SNRにおける数値評価でパイロットベースおよび先行符号化方式を上回る優れた誤り性能を達成する。

ABSTRACT

We consider the joint constellation design problem for the two-user non-coherent multiple-access channel (MAC). Based on an analysis on the non-coherent maximum-likelihood (ML) detection error, we propose novel design criteria so as to minimize the error probability. Based on these criteria, we propose a simple and efficient construction consisting in partitioning a single-user constellation. Numerical results show that our proposed metrics are meaningful, and can be used as objectives to generate constellations through numerical optimization that perform better than other schemes for the same transmission rate and power.

研究の動機と目的

• 非協調2ユーザーMIMO多重アクセスチャネルにおける有効な共同信号対設計基準の不足に対処すること。
• 高SNR領域における対応誤り確率の分析を通じて、最大尤度検出誤りを最小化すること。
• パイロットベースおよび先行符号化手法と比較して優れた性能を示す実用的で効率的な共同信号対の構成法を開発すること。
• 提案された設計指標の妥当性を数値最適化と最先端手法とのベンチマークを通じて検証すること。

提案手法

• すべての信号対ペアにおける最小期待対応対数尤度比（PLLR）に基づく設計指標を導出し、最大尤度検出誤りの代理指標として用いる。
• グラスマン多様体上での効率的最適化を可能にするために、PLLR指標の簡略化された高SNR近似を同定する。
• 対称レートケースのための構成的アプローチとして、単一ユーザーのグラスマン多様体信号対を2つのユーザー固有のサブセットに分割する。
• Manoptツールボックスを用いた多様体ベースの勾配降下法による数値最適化を実施し、パワー制約および信号対サイズ制約の下で提案指標を最大化する。
• 交互最適化を用いて共同信号対設計を改善し、反復的に誤り性能を向上させる。
• パイロットベースおよび先行符号化ベースの代替手法と比較した共同シンボル誤り率（SER）の比較を通じて、設計の妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非協調2ユーザーMIMO多重アクセスチャネルにおいて、最大尤度検出誤りを最小化する最良の設計指標は何か？
• RQ2 対称レートおよびパワー割り当てのための共同信号対設計は、どのように効果的に構成できるか？
• RQ3 PLLR指標の簡略化された高SNR近似は、信号対の数値最適化のための信頼できる目的関数として機能するか？
• RQ4 提案された分割に基づく構成法は、パイロットベースおよび先行符号化ベースの手法と比較して、誤り性能でどのように差をつけるか？
• RQ5 提案された指標は、さまざまなSNR領域において実際の検出誤り性能の指標として意味を持つのか？

主な発見

• 期待PLLRに基づく提案指標は、同じレートおよびパワー条件の下で、すべての手法の中で最良の共同シンボル誤り率（SER）性能を達成し、パイロットベースおよび先行符号化ベース手法を上回る。
• T = 5、B = 5、N = 4の場合、期待PLLR指標を用いて最適化された信号対は16 dB SNRで共同SERが10^-4未満に低下し、MLデコードを用いたパイロットベース方式を著しく上回る。
• 最小弦距離に基づく簡略化指標dmin(X)は、高SNR（≥20 dB）において期待PLLR指標とよく一致し、誤り性能の代理指標としての妥当性を裏付けている。
• 単一ユーザー信号対のランダム分割構成は、特に大規模な信号対（例：B = 8）において優れた性能を示し、中程度のSNRでもパイロットベース方式を上回る。
• 数値結果から、提案指標を用いて最適化された信号対は、SNR < 18 dBで[11]の先行符号化設計よりも低いSERを達成することが示された。
• X̸=X′∈XのE[L(X→X′)]とdmin(X)の両指標は、実際の誤り性能の指標として経験的に妥当であることが確認され、値が高くなるほどSERが低くなる傾向を示した。