[論文レビュー] Low Complexity Receiver for Uplink SCMA System via Expectation Propagation

Xiangming Meng, Yiqun Wu+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 5, 2017

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 6被引用数 9

ひとこと要約

本稿では、上行スパース・コード多重アクセス（SCMA）システム向けに期待値伝搬に基づくリセプタ（EPA）を提案する。MPA（従来のメッセージパッシングアルゴリズム）の指数的計算量を線形に削減するため、メッセージパッシングをガウス的信念伝搬で近似することで実現する。EPAは、シミュレーションにより従来のMPAリセプタと同等のBLER性能を達成するが、はるかに低い計算コストで実現され、近似的に最大尤度性能に近い性能を示す。

ABSTRACT

Sparse code multiple access (SCMA) scheme is considered to be one promising non-orthogonal multiple access technology for the future fifth generation (5G) communications. Due to the sparse nature, message passing algorithm (MPA) has been used as the receiver to achieve close to maximum likelihood (ML) detection performance with much lower complexity. However, the complexity order of MPA is still exponential with the size of codebook and the degree of signal superposition on a given resource element. In this paper, we propose a novel low complexity iterative receiver based on expectation propagation algorithm (EPA), which reduces the complexity order from exponential to linear. Simulation results demonstrate that the proposed EPA receiver achieves nearly the same block error rate (BLER) performance as the conventional message passing algorithm (MPA) receiver with orders less complexity.

研究の動機と目的

• コードブックサイズとユーザー多重数に伴い指数関数的に増加する従来のMPAの高い計算複雑性に対処すること。
• 上行SCMA向けに低複雑性の検出手法を開発し、近最適な誤り率性能を維持すること。
• 反復的検出の複雑性を指数的から線形に低減しつつ、システムの信頼性を保持すること。
• 特に式（20）および（23）に見られるタイプミスを是正し、正確性と再現可能性を確保すること。

提案手法

• SCMAにおける送信信号の事後分布を近似するために期待値伝搬（EP）を適用し、正確な推論を繰り返しのガウス近似に置き換える。
• EPの原則に基づきメッセージ更新ルールを導出することで、計算負荷を低減した反復的ソフトインプット・ソフトアウトプット検出を可能にする。
• 複数ユーザー干渉をガウス分布で近似することで、MPAの指数的複雑性を線形複雑性に置き換える。
• 真の事後分布と近似事後分布のKullback-Leibler発散を最小化するため、変分推論フレームワークを用いてユーザー信号の推定値を繰り返し精緻化する。
• 各ユーザーの信号推定値を、他のユーザーからの外生情報に基づいて更新する反復的検出プロセスを実装し、EPに基づく更新を用いる。
• 改訂版では式（20）および（23）を是正し、メッセージ更新式における数学的正確性を保証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 期待値伝搬は、SCMA検出の複雑性を低減しつつ、近最適な性能を維持するために効果的に適用可能か？
• RQ2 上行SCMAシステムにおいてMPAをEPベースのリセプタに置き換えた場合、どの程度の複雑性低減が達成可能か？
• RQ3 同一のシステム条件下で、EPAリセプタのBLER性能は従来のMPAリセプタと比べてどの程度か？
• RQ4 以前のバージョンにおける式の誤植が、提案アルゴリズムの信頼性および正確性にどのような影響を与えるか？

主な発見

• EPAリセプタは、従来のMPAリセプタとほぼ同一のブロック誤り率（BLER）性能を達成しており、近似的に最大尤度検出の正確性を示している。
• EPAリセプタの複雑性は、ユーザー数およびコードブックサイズに対して線形に増加するが、MPAとは異なり指数関数的増加とはならない。
• 提案手法により計算複雑性が複数桁のオーダー低減され、実用的な5G上行リンクSCMA展開に適している。
• 式（20）および（23）の重大なタイプミスを是正した改訂版により、アルゴリズムの数学的妥当性と再現可能性が保証された。
• シミュレーション結果により、EPAリセプタはユーザー負荷や信号対雑音比のさまざまな条件下でも、頑健な性能を維持することが確認された。