[論文レビュー] Low Complexity Decoding for Punctured Trellis-Coded Modulation Over Intersymbol Interference Channels

Fabian Schuh, Johannes B. Huber|arXiv (Cornell University)|Dec 5, 2013

Error Correcting Code Techniques参考文献 9被引用数 3

ひとこと要約

この論文では、トレリス符号化変調（TCM）における非整数伝送レートを実現するための低複雑性デコーディング手法を提案する。この手法は、畳み込み符号の puncturing を用いて時間変動トレリスを形成し、その上で低状態系列推定（RSSE）を統合することで、計算量を著しく削減しながら近似的最適性能を達成する。このアプローチにより、TCMシステムにおける柔軟な非整数レート伝送が可能になる。

ABSTRACT

Classical trellis-coded modulation (TCM) as introduced by Ungerboeck in 1976/1983 uses a signal constellation of twice the cardinality compared to an uncoded transmission with one bit of redundancy per PAM symbol, i.e., application of codes with rates $\frac{n-1}{n}$ when $2^{n}$ denotes the cardinality of the signal constellation. The original approach therefore only comprises integer transmission rates, i.e., $R=\left\{ 2,\,3,\,4\,\ldots ight\}$, additionally, when transmitting over an intersymbol interference (ISI) channel an optimum decoding scheme would perform equalization and decoding of the channel code jointly. In this paper, we allow rate adjustment for TCM by means of puncturing the convolutional code (CC) on which a TCM scheme is based on. In this case a nontrivial mapping of the output symbols of the CC to signal points results in a time-variant trellis. We propose an efficient technique to integrate an ISI-channel into this trellis and show that the computational complexity can be significantly reduced by means of a reduced state sequence estimation (RSSE) algorithm for time-variant trellises.

研究の動機と目的

• パッチド畳み込み符号を用いることで、トレリス符号化変調（TCM）における非整数伝送レートを実現すること。
• 計算量を低減するという課題を提示しながら、ISI路における等化とデコーディングの統合を解決すること。
• パッチドTCMに起因する時間変動トレリスに低状態系列推定（RSSE）を統合する効率的なデコーディングアルゴリズムを設計すること。
• 実装に適した低複雑性を維持しつつ、結合等化とデコーディングに近い性能を達成すること。

提案手法

• パッチド畳み込み符号（CC）を用いることで、スペクトル効率を調整し、TCMにおける非整数レートを可能にする。
• パッチドCCは、符号出力の非一様な信号点へのマッピングにより、時間変動トレリスを生成する。
• 時間変動トレリスに対して低状態系列推定（RSSE）を適用することで、状態空間と計算負荷を低減する。
• ISI環境における誤り性能を向上させるために、遅延決定フィードバック系列推定（DDFSE）構造を統合する。
• 誤り率を最小限に抑えつつ複雑性を維持するため、状態設計と状態分割を最適化する。
• 等化とデコーディングを1つのトレリスベースのフレームワーク内で統合し、別個の等化とデコーディング段階を回避する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ISI路において、パッチド畳み込み符号を効果的にTCMに統合し、非整数伝送レートを実現する方法は何か？
• RQ2 パッチドTCMにおける時間変動トレリス構造が、デコーディングの複雑性と性能に与える影響は何か？
• RQ3 低状態系列推定（RSSE）は、時間変動トレリスに適応可能であり、近似的最適性能を達成する低複雑性デコーディングを実現できるか？
• RQ4 本手法は、結合等化とデコーディングと比較して、計算量とビット誤り率（BER）性能の両面でどのように差がつくか？
• RQ5 パッチドTCMにおける時間変動トレリスにおいて、複雑性を最小限に抑えつつ誤り率性能を維持するための状態設計と分割戦略は何か？

主な発見

• 提案されたRSSEベースのデコーディングは、完全なビタビデコーディングと比較して著しく計算量を削減しながら、近似的最適性能を達成する。
• パッチングに起因する時間変動トレリス構造により、2.5 や 3.5 ビット/シンボルといった整数でない値を含む柔軟な伝送レートが実現可能である。
• RSSEフレームワークに遅延決定フィードバックを統合することで、特に高ISI環境下でも誤り性能が向上する。
• 状態分割と最適化された状態設計により、トレリスに必要な状態数が削減され、デコーディングの複雑さが顕著に低減される。
• 数値結果から、提案手法は中程度から高SNR領域において、結合等化とデコーディングの性能と1 dB以内の差に収束することが示された。
• 帯域制限のあるシステムで高スペクトル効率と低遅延を必要とする実用的応用に適している。