[論文レビュー] L2 OSTC-CPM: Theory and design

Matthias Hesse, Jérôme Lebrun+1 more|ArXiv.org|Jun 17, 2008

Advanced Wireless Communication Techniques参考文献 13被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、MIMOシステムにおける連続位相変調（CPM）のためのL²直交空間時間ブロックコード（STBC）を提案し、全レート、全分岐、低複雑性の最大尤度検出を実現する。点における直交性からL²条件への一般化と位相補正因子の導入により、特に初期位相を最適化した2および3アンテナ構成において、最小限のスペクトル拡張でほぼ理想に近いビット誤り率性能を達成する。

ABSTRACT

The combination of space-time coding (STC) and continuous phase modulation (CPM) is an attractive field of research because both STC and CPM bring many advantages for wireless communications. Zhang and Fitz [1] were the first to apply this idea by constructing a trellis based scheme. But for these codes the decoding effort grows exponentially with the number of transmitting antennas. This was circumvented by orthogonal codes introduced by Wang and Xia [2]. Unfortunately, based on Alamouti code [3], this design is restricted to two antennas. However, by relaxing the orthogonality condition, we prove here that it is possible to design L2-orthogonal space-time codes which achieve full rate and full diversity with low decoding effort. In part one, we generalize the two-antenna code proposed by Wang and Xia [2] from pointwise to L2-orthogonality and in part two we present the first L2-orthogonal code for CPM with three antennas. In this report, we detail these results and focus on the properties of these codes. Of special interest is the optimization of the bit error rate which depends on the initial phase of the system. Our simulation results illustrate the systemic behavior of these conditions.

研究の動機と目的

• CPMベースのMIMOシステムにおける低複雑性、全レート、全分岐の空間時間符号の設計。
• STBCにおける点ごとの直交性をL²直交性に一般化し、より効率的な符号化と性能向上を実現すること。
• CPMを用いた2アンテナから3アンテナへの直交STBC設計の拡張を、位相補正因子を導入することで実現すること。
• 初期位相設定を最適化し、ビット誤り率を最小化するとともにスペクトルのcompactさを維持すること。
• L²直交符号がCPMのスペクトル効率を保持しつつ、低複雑性のコherent検出を可能にすることを示すこと。

提案手法

• WangとXiaの2アンテナSTBCを一般化し、点ごとの直交性をL²直交性条件に置き換えることで、効率的な符号化を可能にする。
• CPMの位相遷移に補正因子c_{mr}(t)を導入し、L²直交性を満たすとともに連続的位相遷移を維持する。
• 各送信アンテナがd_{mr}^{(i)}および補正項で定義される位相遷移を持つCPM変調信号を放射する、時間連続信号モデルを用いる。
• pM^{γ−1}状態を持つトレリスを用いたコherent検出フレームワークを適用し、Viterbiアルゴリズムを用いてMLSEを実現するが、計算量を管理可能に保つ。
• 特に3アンテナシステムにおいて、ビット誤り率を最小化するため、初期位相値θ_i(0)を最適化する。
• Welchアルゴリズムを用いてスペクトル効率を分析し、位相補正による帯域拡張を定量的に評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 L²直交性は、2アンテナケースを超えて、全分岐と低複雑性を達成できるか？
• RQ2 補正因子c_{mr}(t)は、連続位相変調を維持しつつ、どのようにL²直交性を実現するか？
• RQ3 初期位相設定θ_i(0)は、3アンテナSTBC-CPMシステムにおけるビット誤り率性能にどのような影響を及えるか？
• RQ4 位相補正因子の導入により、CPMベースのSTBCにおけるスペクトル帯域がどの程度拡張されるか？
• RQ5 L²直交STBC-CPMの性能は、従来の手法と比較してコーディングゲインおよびスペクトル効率の面でどの程度優れているか？

主な発見

• 2アンテナ用に提案されたL²直交STBCは、WangとXiaのコードを一般化し、わずかに高いコーディングゲインと全分岐を達成するとともに、検出複雑性を低減する。
• 3アンテナの場合、初のL²直交STBC-CPMが構築され、適切な初期位相選択のもとで全レートおよび全分岐を達成する。
• ビット誤り率性能は初期位相値θ_i(0)に強く依存し、最適な設定により、オフセットおよび線形並列CPM（offPCおよびlinPC）の両方で最小BERが達成される。
• スペクトル解析により、位相補正因子による帯域拡張が最小限であることが示され、2アンテナL²直交システムとほぼ同等の水準に抑えられ、CPMのスペクトル効率が維持されている。
• offPCバージョンはBER性能においてlinPCを上回り、異なるアルファベットセットを有する2つの従来のCPM信号としてより直感的な解釈が可能である。
• シミュレーション結果により、最適な初期位相が使用された場合、offPCおよびlinPCの両方が全分岐を達成し、ほぼ同一の性能を示すことが確認された。