[論文レビュー] Low Complexity Iterative Receiver Design for Sparse Code Multiple Access

Fan Wei, Wen Chen|arXiv (Cornell University)|Feb 27, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 35被引用数 109

ひとこと要約

本論文は、MPAの複雑性を実質的に低減しつつ性能低下を最小限に抑えるため、SCMA向けの低複雑度リスト球デコード（LSD）ベースの反復多ユーザ検出器を提案する。

ABSTRACT

Sparse code multiple access (SCMA) is one of the most promising methods among all the non-orthogonal multiple access techniques in the future 5G communication. Compared with some other non-orthogonal multiple access techniques such as low density signature (LDS), SCMA can achieve better performance due to the shaping gain of the SCMA codewords. However, despite of the sparsity of the codewords, the decoding complexity of the current message passing algorithm (MPA) utilized by SCMA is still prohibitively high. In this paper, by exploring the lattice structure of SCMA codewords, we propose a low complexity decoding algorithm based on list sphere decoding (LSD). The LSD avoids the exhaustive search for all possible hypotheses and only considers signal within a hypersphere. As LSD can be viewed a depth-first tree search algorithm, we further propose several methods to prune the redundancy visited nodes in order to reduce the size of the search tree. Simulation results show that the proposed algorithm can reduce the decoding complexity substantially while the performance loss compared with the existing algorithm is negligible.

研究の動機と目的

• SCMAを5Gおよびそれ以降世代に向けた有望な非正交多重アクセス技術として位置づける。
• SCMAコードワードの格子構造を利用してデコードの複雑さを低減する。
• ノード剪定を伴うLSDベースのMPA検出器を開発して探索空間を縮小する。
• BER性能を改善するため、反復検出およびデコードにLSDを組み込む。
• シミュレーションを通じて、複雑さ削減と性能低下のトレードオフを評価する。

提案手法

• アップリンクSCMAシステムとその因子グラフ表現をモデル化する。
• SCMAコードワードを疎な多次元格子点として定式化する。
• 各サブキャリアについて、ハイパースフィア内で深さ優先木探索を実行するためにリスト球デコード（LSD）を適用する。
• 検索の複雑さを低減するために、ノード剪定とQM/Schnorr-Euchner（SE）列挙戦略を導入する。
• M-PAM信号を一貫したLSD適用を可能にするために2値列に分解する。
• 外部LLRを算出するためのリストベース近似としてMPA内にLSDを組み込む。
• LSDベースMPA検出のアルゴリズム（Algorithm 1）を提供し、複雑さ/パラメータT_maxのトレードオフについて論じる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 リスト球デコーディングベースの検出器は、従来のMPAと比較してSCMAのデコード複雑さを大幅に低減しつつ性能を維持できるか。
• RQ2 格子構造とノード剪定をどう活用して、SCMAのLSDにおける探索木を剪定できるか。
• RQ3 推論検出とデコードにLSDを組み込むことがSCMAのBER性能に与える影響は。
• RQ4 定数モジュールとPAM表現をどのように扱ってSCMAコードワードで効率的なLSDを実現すべきか。

主な発見

• LSDベースの検出器は、標準のMPAと比較してデコードの複雑さを大幅に低減しつつ、性能低下はごくわずかである。
• 球デコーディングは、問題を各サブキャリア上の衝突ユーザの格子探索として再定式化することでSCMAに適合させる。
• ノード剪定、SE列挙、および半径ベースの候補リスト（T_max）は、正確さを維持しつつ複雑さを制御する。
• M-PAMをBPSK成分へ分解することにより、SCMAコードワードに対して一貫したLSD動作を可能にする。
• アルゴリズムは、LSDをMPAと反復検出・デコードの枠組みに組み込み、Extrinsic LLRを計算する。
• シミュレーション結果は、MPAと比較して顕著な複雑さの低減を示し、BER劣化は最小限である。