[論文レビュー] Joint LDPC and Physical-layer Network Coding for Asynchronous Bi-directional Relaying

Xiaofu Wu, Chunming Zhao+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 28, 2011

Cooperative Communication and Network Coding参考文献 12被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、シンボル非同期複数アクセスチャネル（MAC）上で効率的なデコードを可能にするため、一般化された和積アルゴリズム（Log-G-SPA）を対数ドメインに適用した、非同期双方向リレーシングのための連携LDPCおよび物理層ネットワークコーディング（PNC）方式を提案する。さらに、フレーム非同期性を解消するための巡回LDPCコードとCRCを導入し、フレームずれ下でも0.2 dB未満のSNR損失で近似的最適性能を達成する。

ABSTRACT

In practical asynchronous bi-directional relaying, symbols transmitted by two sources cannot arrive at the relay with perfect frame and symbol alignments and the asynchronous multiple-access channel (MAC) should be seriously considered. Recently, Lu et al. proposed a Tanner-graph representation of the symbol-asynchronous MAC with rectangular-pulse shaping and further developed the message-passing algorithm for optimal decoding of the symbol-asynchronous physical-layer network coding. In this paper, we present a general channel model for the asynchronous MAC with arbitrary pulse-shaping. Then, the Bahl, Cocke, Jelinek, and Raviv (BCJR) algorithm is developed for optimal decoding of the asynchronous MAC channel. For Low-Density Parity-Check (LDPC)-coded BPSK signalling over the symbol-asynchronous MAC, we present a formal log-domain generalized sum-product-algorithm (Log-G-SPA) for efficient decoding. Furthermore, we propose to use cyclic codes for combating the frame-asynchronism and the resolution of the relative delay inherent in this approach can be achieved by employing the simple cyclic-redundancy-check (CRC) coding technique. Simulation results demonstrate the effectiveness of the proposed approach.

研究の動機と目的

• 送信元間のシンボルおよびフレーム非同期性によって引き起こされる双方向リレーシングの性能劣化を解消すること。
• 直交パルス形状に限定された先行研究を拡張し、任意のパルス形状を許容する一般化された非同期MACのチャネルモデルを構築すること。
• 任意のモデュレーションおよび符号化をサポートする非同期MACにおける最適デコードを可能にするBCJRアルゴリズムの定式化を実現すること。
• ソース符号語の結合確率を活用した、非同期MAC上での効率的LDPCデコードを実現する対数ドメイン一般化和積アルゴリズム（Log-G-SPA）の設計。
• フレーム同期を必要としない、巡回LDPCコードとCRCベースの遅延解消を用いたフレーム非同期性の解消により、システムの耐障害性を向上させること。

提案手法

• 任意のパルス形状を許容する一般化された非同期MACモデルを定式化し、ベクトルシンボル干渉（ISI）チャネルとしてモデル化する。
• 重み付きメトリックフィルタリング（WMF）技術を適用して、非同期MACをBCJR適用に適した等価なベクトルISIチャネルに変換する。
• 非同期MACにおける最適事後確率（APP）を計算するBCJRアルゴリズムを導出する。これにより最適デコードが可能になる。
• ソース符号語の結合確率を活用した、非同期MAC上でのLDPCデコードに適した正式な対数ドメイン一般化和積アルゴリズム（Log-G-SPA）を提案する。
• 未知の相対遅延を扱えるように、代数的構造を活用した巡回LDPCコードを導入し、フレーム非同期性への耐性を向上させる。
• 成功したLDPCデコード後にパリティ条件をチェックすることで、未知の相対遅延（ι）を解消するため、送信元にCRC-16符号化を統合する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 任意のパルス形状を許容する非同期MACの一般化されたチャネルモデルをどのように定式化すれば、最適デコードを可能にするか？
• RQ2 BPSK信号を用いたLDPC符号化非同期MACにおいて、最適デコードアルゴリズムは何か？ また、その対数ドメインにおける効率的実装法は？
• RQ3 フレーム同期を必要とせずに、双方向リレーシングにおけるフレーム非同期性を効果的に緩和する方法は？
• RQ4 シンボル非同期性が存在する状況下で、提案されたLog-G-SPAデコードは、従来の共同チャネルデコード（JCNC）に比べてどの程度の性能向上を達成するか？
• RQ5 巡回LDPCコードとCRCベースの遅延解消を組み合わせることで、大きなフレームずれ下でもロバストな性能を達成できるか？

主な発見

• 提案されたLog-G-SPAデコードは、特にシンボル非同期性下で従来のJCNCに比べて顕著な性能向上を示し、位相ずれ（Δθ）に対する耐性も向上している。
• （1008,504）Mackay-Neal LDPCコードでは、4回の外側反復（no. of B_MAC iterations）を実行したLog-G-SPAが、最小限の性能損失で近似的最適性能を達成する。
• フレームずれ（ι ∈ [-8,8]）下での（1365,765）巡回LDPCコードのBER性能は、同期状態と比較して0.2 dB未満の低下にとどまる。
• CRC-16ベースの遅延解消機構は、すべての誤りなしデコードケースで相対遅延ιを正常に回復し、シミュレーションで失敗は観測されなかった。
• Log-G-SPAの計算量は、置換ステップが不要なため、非バイナリLDPCのLog-SPAに比べて低く抑えられつつ、高い性能を維持している。
• 位相ずれ（Δθ = π/4）に対してもシステムはロバストであり、Log-G-SPAは非同期状態下でもJCNCを上回る性能を示している。