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

Xiaofu Wu, Weijun Zeng+2 more|arXiv (Cornell University)|May 12, 2011

Cooperative Communication and Network Coding参考文献 7被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、ノイズ除去およびフォワーディングを用いた双方向リレーシステムにおける、ネットワークとLDPC符号化の統合手法を提案し、実および複素数の複数アクセスチャネル上でXOR符号化された符号語の閉形式LLR式を導出する。リレ一が観測する等価チャネルは非対称的であることが明らかとなり、性能向上を実現する反復的デコードが可能になる。

ABSTRACT

In this paper, we consider joint network and LDPC coding for practically implementing the denosie-and-forward protocol over bi-directional relaying. the closed-form expressions for computing the log-likelihood ratios of the network-coded codewords have been derived for both real and complex multiple-access channels. It is revealed that the equivalent channel observed at the relay is an asymmetrical channel, where the channel input is the XOR form of the two source nodes.

研究の動機と目的

• 双方向リレーシステムにおけるネットワーク符号化とチャネル符号化を統合する実装上の課題に対処する。
• リレーでの単一ユーザー符号化の限界を克服し、XOR符号化された符号語の統合的デコードを可能にする。
• 実および複素数の複数アクセスフェージングチャネル上でのネットワーク符号化符号語の解析的LLR式を導出する。
• XOR演算に起因するため、リレーで観測される等価チャネルを非対称的かつ記憶なしチャネルとして特徴付ける。
• 導出した等価チャネルモデルに基づき、LDPC符号と反復的デコードを用いたシミュレーションにより、性能向上を示す。

提案手法

• 2つの送信元からの重畳信号を用いて、リレーにおけるネットワーク符号化符号語の対数尤度比（LLR）の閉形式式を導出する。
• リレーの等価チャネルを、2つの送信元符号語のXORが入力となる記憶なし非対称チャネルとしてモデル化する。
• 複素数チャネル利得とノイズ分散に基づく条件付き確率密度関数を用いて等価チャネルを定式化する。
• 性能損失を最小限に抑えるために、スケーリング係数0.85を用いた正規化最小和アルゴリズム（NMSA）を用いて効率的なLDPCデコードを実現する。
• シミュレーションのため、長さ4096の(3,6)-正則LDPC符号を構築するためにプログレッシブエッジ成長アルゴリズムを適用する。
• パリティーチェック行列のタンナーグラフ上で反復的デコードを実行し、リレーにおけるXOR符号語の推定を実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ノイズ除去およびフォワーディングを用いた双方向リレーシステムにおいて、効率的デコードを実現するためのネットワーク符号化とLDPC符号化の統合設計はどのように行えるか？
• RQ2 複素数複数アクセスチャネル上でのLDPC符号化信号にネットワーク符号化を適用した場合、リレーで観測される等価チャネルモデルは何か？
• RQ3 チャネル利得と位相オフセットは、等価リレー・チャネルの非対称性にどのように影響を与えるか？
• RQ4 複素数フェージングおよび加法性ノイズの存在下でも、XOR符号化符号語の閉形式LLR式を導出可能か？
• RQ5 リレーでの統合的デコードは、単一ユーザー符号化と比較してどの程度の性能向上を実現できるか？

主な発見

• 2つの送信元からの符号語のXOR演算に起因し、リレーで観測される等価チャネルは非対称的かつ記憶なしチャネルである。
• 実および複素数の複数アクセスチャネルの両方に対して、閉形式LLR式が導出され、効率的なソフトインプットデコードが可能になる。
• XOR符号語のLLRは、受信信号、チャネル係数、ノイズ分散の関数として表現され、実部と双曲線余弦関数を含む特定の形を取る。
• シミュレーション結果から、提案された統合符号化方式は単一ユーザー符号化手法を著しく上回り、特に位相オフセットが存在する状況で顕著な性能向上が得られる。
• 非対称チャネルに最適化されていない(3,6)-正則LDPC符号を用いても、統合方式は良好なビット誤り率（BER）性能を達成する。
• スケーリング係数0.85を用いた正規化最小和アルゴリズムにより、シミュレーションでわずかな性能劣化で高速収束が実現される。