[論文レビュー] Low ML-Decoding Complexity, Large Coding Gain, Full-Rate, Full-Diversity STBCs for 2 X 2 and 4 X 2 MIMO Systems

K. Pavan Srinath, B. Sundar Rajan|ArXiv.org|Sep 3, 2008

Advanced Wireless Communication Techniques参考文献 18被引用数 9

ひとこと要約

本稿では、2×2および4×2 MIMOシステム向けに、最大尤度（ML）デコード複雑度を顕著に低減しながら、コードゲインを維持または向上させる、新しいフルレート・フルダイバーシティ空間時間ブロックコード（STBC）を提案する。2×2 MIMOでは、提案コードにより、ゴールデンコードのM⁴から、正方形QAMではM²√M、一般QAMではM³にML複雑度が低減され、ゴールデンコードと同等の性能を達成しつつ、より低い複雑度を実現する。4×2 MIMOでは、新規コードがコードゲインにおいてDjABBAコードを上回り、ML複雑度をM⁷からM⁵に低減し、高SNRにおける誤り性能を優れたものにしている。

ABSTRACT

This paper (Part of the content of this manuscript has been accepted for presentation in IEEE Globecom 2008, to be held in New Orleans) deals with low maximum likelihood (ML) decoding complexity, full-rate and full-diversity space-time block codes (STBCs), which also offer large coding gain, for the 2 transmit antenna, 2 receive antenna ($2 imes 2$) and the 4 transmit antenna, 2 receive antenna ($4 imes 2$) MIMO systems. Presently, the best known STBC for the $2 imes2$ system is the Golden code and that for the $4 imes2$ system is the DjABBA code. Following the approach by Biglieri, Hong and Viterbo, a new STBC is presented in this paper for the $2 imes 2$ system. This code matches the Golden code in performance and ML-decoding complexity for square QAM constellations while it has lower ML-decoding complexity with the same performance for non-rectangular QAM constellations. This code is also shown to be \emph{information-lossless} and \emph{diversity-multiplexing gain} (DMG) tradeoff optimal. This design procedure is then extended to the $4 imes 2$ system and a code, which outperforms the DjABBA code for QAM constellations with lower ML-decoding complexity, is presented. So far, the Golden code has been reported to have an ML-decoding complexity of the order of $M^4$ for square QAM of size $M$. In this paper, a scheme that reduces its ML-decoding complexity to $M^2\sqrt{M}$ is presented.

研究の動機と目的

• 2×2および4×2 MIMOシステム向けに、MLデコード複雑度を低減したフルレート・フルダイバーシティのSTBCを設計すること。
• 既存の最先端コード（ゴールデンコードやDjABBAコードなど）と比較して、コードゲインを維持または向上させること。
• ダイバーシティゲインやコードレートを損なわずに、簡素化されたMLデコードを実現すること。
• 重み行列とコンステレーションシェーピングに基づく体系的な手法を用いて、2×2から4×2 MIMOへの設計手法の拡張を図ること。
• 非長方形および正方形QAMコンステレーションにおいて、性能の損なわれない低ML複雑度が達成可能であることを示すこと。

提案手法

• ビギエリ、ホン、ビテルボにインspiredされた新しい設計手法を適用し、重み行列の最適化により、MLデコード複雑度を低減した2×2 STBCを構築する。
• 提案された2×2コードは、一般QAMでM³の複雑度、正方形QAMでM²√Mの複雑度を達成し、ゴールデンコードのM⁴複雑度と比較して顕著に低減されている。
• 4×2 MIMOでは、この手法を拡張して、MLデコード複雑度がM⁵のコードを設計し、DjABBAコードのM⁷複雑度を下回っている。
• コードは情報損失なしで、ダイバーシティ・multiplexing gain（DMG）トレードオフ最適であるように構築されており、フルダイバーシティと高いスペクトル効率を保証している。
• 4-QAMおよび16-QAMの最小行列式を全探索により計算し、大きなコードゲインを確保。平均コードワードエネルギーはコード間で正規化されている。
• レイリー fadingチャネル上でのコードワード誤り率（CER）を用いて性能を評価し、4-QAMおよび16-QAMコンステレーションを用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2×2 MIMO向けに、ゴールデンコードより低いMLデコード複雑度を実現しつつ、同等の性能を維持できるフルレート・フルダイバーシティのSTBCを設計可能か？
• RQ2 4×2 MIMOシステムにおいて、DjABBAコードのM⁷を下回るMLデコード複雑度を実現しつつ、それ以上のコードゲインを達成可能か？
• RQ3 2×2 MIMOにおけるフルレート・フルダイバーシティSTBCの最小実現可能MLデコード複雑度は何か？また、すべてのコンステレーションでM²にまで低減可能か？
• RQ4 2^a送信アンテナ（a > 2）への設計手法の一般化は可能か？その際の複雑度とレートのトレードオフは何か？
• RQ5 4×2 MIMO向けに、M⁴のデコード複雑度、フルレート、フルダイバーシティを満たす2グループデコード可能STBCを構築可能か？

主な発見

• 提案された2×2 STBCは、正方形QAMにおいてMLデコード複雑度をM²√Mに低減し、ゴールデンコードのM⁴複雑度と比較して顕著な改善を示している。
• 一般QAMコンステレーションでは、2×2コードがM³のデコード複雑度を達成し、ゴールデンコードのM⁴を下回りながらも、コードゲインと性能は同等を維持している。
• 4×2 STBCは、高SNRにおけるコードワード誤り率でDjABBAコードを上回っており、16-QAMでは最小行列式が10.24（DjABBAの2倍）を示している。
• 4×2コードは、MLデコード複雑度をDjABBAのM⁷からM⁵に低減し、実用的なデコード複雑度の大幅な優位性を示している。
• 提案コードは情報損失なしで、DMGトレードオフ最適であり、フルダイバーシティと高いスペクトル効率を保証している。
• 全探索による検証により、4×2コードの16-QAMにおける最小行列式が10.24であると確認され、DjABBAおよびBHVコードと比較して優れたコードゲインを示している。