[論文レビュー] Matched Decoding for Punctured Convolutional Encoded Transmission Over ISI-Channels

Fabian Schuh, Andreas Schenk+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 1, 2012

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

ひとこと要約

本稿では、自己干渉（ISI）チャネル上におけるパunctured畳み込み符号に対して、時間変動的で非線形なトレリス記述を導入することで、マッチドデコードを拡張する。これにより、スーパートレリスの状態数が大幅に削減され、従来のスーパートレリスデコードに比べてはるかに少ない状態数で効率的な最大尤度シーケンス推定（MLSE）が可能となり、パunctured符号のISI環境下での近似最適性能を、計算量の低減を伴って達成する。

ABSTRACT

Matched decoding is a technique that enables the efficient maximum-likelihood sequence estimation of convolutionally encoded PAM-transmission over ISI-channels. Recently, we have shown that the super-trellis of encoder and channel can be described with significantly fewer states without loss in Euclidean distance, by introducing a non-linear representation of the trellis. This paper extends the matched decoding concept to punctured convolutional codes and introduces a time-variant, non-linear trellis description.

研究の動機と目的

• ISIチャネル上におけるパunctured畳み込み符号のスーパートレリスデコードにおける高い状態数の問題に対処すること。
• インターリーブを用いずに、統一されたスーパートレリスフレームワークを用いて、等化とデコードを統合すること。
• スーパートレリスの状態数を削減しながら、ユークリッド距離と最大尤度性能を維持すること。
• 従来、非パunctured符号にのみ適用されてきたマッチドデコードの概念を、時間変動的で非線形なトレリス表現を用いて、パunctured畳み込み符号へと拡張すること。
• RSSE（低状態数シーケンス推定）とDFSEに類似した分割法を用いることで、パuncturedシステムにおける複雑さと性能のトレードオフを実現できることを示すこと。

提案手法

• パunctured畳み込み符号の符号化を記述するための時間変動的で非線形な有限状態マシン（FSM）を提案し、従来の線形トレリスモデルに置き換える。
• 時間変動的で非線形なトレリス上で動作する修正されたビタビアルゴリズム（VA）を導入し、等化とデコードを統合して行う。
• ISIチャネルインパルス応答の最小位相特性に基づく状態削減技術を用い、決定フィードバックシーケンス推定（DFSE）に類似した手法を採用する。
• 状態の分割を用いた低状態数シーケンス推定（RSSE）を適用し、複雑さと性能のバランスを図り、実装可能性を高める。
• 符号器とISIチャネルの状態を統合したスーパートレリス構造を採用するが、非線形で等価な表現を用いることで、有効な状態数を削減する。
• 符号器出力分岐数をnとすると、M = 2^nとなるようにM-ary PAM変調と互換性を持たせ、シンボルマッピングにはネイティブラベルを用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 マッチドデコードは、ISIチャネル上におけるパunctured畳み込み符号へと効果的に拡張可能か？
• RQ2 パunctured符号において、性能の損失を伴わずにスーパートレリスの状態数をどのように低減できるか？
• RQ3 時間変動的で非線形なトレリス表現は、デコードの複雑さとビット誤り率（BER）性能にどのような影響を与えるか？
• RQ4 DFSEに類似した分割法を用いたRSSEは、パuncturedシステムにおいて、複雑さと誤り性能の妥当なトレードオフを提供可能か？
• RQ5 分離された等化とデコードと比較して、統合されたスーパートレリスデコードは、BERと計算コストの点でどのように異なるか？

主な発見

• 4タップのISIチャネルとパuncturedレート4/3の畳み込みコードを用いた4値ASKシステムでは、提案手法によるマッチドデコードにより、スーパートレリスの状態数が1024から256に削減された。
• 4状態符号器と5タップのISIチャネルを用いた場合、時間変動的トレリスにおいて、マッチドデコードにより状態数が2048から512に削減された。これは、従来のスーパートレリスデコードと比較しての結果である。
• 16状態のMD-RSSEは、ハードデシジョンおよびソフトデシジョンの分離型DFSE/BCJRおよびVAデコードよりも優れたBER性能を達成しており、512状態のフルステートマッチドデコードをも上回る性能を示した。
• 本手法により、計算量の大幅な低減を伴いながらも、近似最適性能が達成可能であることが、BER曲線から明らかになった。MD-RSSEは、ハードデシジョンおよびソフトデシジョンの分離型手法を凌駆した。
• シミュレーション結果から、時間変動的で非線形なトレリス表現がユークリッド距離を保持しており、従来手法よりも少ない状態数で最大尤度シーケンス推定が可能であることが確認された。
• 256状態のISIチャネルと128状態のマッチドデコードを用いたシミュレーションにより、本手法がより大きなシステムに対してもスケーラブルであることが示された。性能の向上が維持された。