[論文レビュー] Minimum Mean-Squared Error Iterative Successive Parallel Arbitrated Decision Feedback Detectors for DS-CDMA Systems

Rodrigo C. de Lamare, Raimundo Sampaio‐Neto|White Rose Research Online (University of Leeds, The University of Sheffield, University of York)|May 20, 2012

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ひとこと要約

本稿では、逐次干渉キャンセレーションと並列仲裁ブランチを組み合わせることで誤り伝搬を低減する、DS-CDMAシステム向けに新規な最小分散誤差（MMSE）反復的逐次並列仲裁フィードバック（SPA-DF）検出器を提案する。部分最適なユーザー順序付けアルゴリズムと反復的カスケード段階を用いることで、低複雑性で近似的最適性能を達成し、線形検出器および従来のフィードバック（DF）検出器と比較してスペクトル効率とビット誤り率性能が著しく向上する。

ABSTRACT

In this paper we propose minimum mean squared error (MMSE) iterative successive parallel arbitrated decision feedback (DF) receivers for direct sequence code division multiple access (DS-CDMA) systems. We describe the MMSE design criterion for DF multiuser detectors along with successive, parallel and iterative interference cancellation structures. A novel efficient DF structure that employs successive cancellation with parallel arbitrated branches and a near-optimal low complexity user ordering algorithm are presented. The proposed DF receiver structure and the ordering algorithm are then combined with iterative cascaded DF stages for mitigating the deleterious effects of error propagation for convolutionally encoded systems with both Viterbi and turbo decoding as well as for uncoded schemes. We mathematically study the relations between the MMSE achieved by the analyzed DF structures, including the novel scheme, with imperfect and perfect feedback. Simulation results for an uplink scenario assess the new iterative DF detectors against linear receivers and evaluate the effects of error propagation of the new cancellation methods against existing ones.

研究の動機と目的

• DS-CDMAシステムにおける従来の決定フィードバック（DF）検出器の高い誤り伝搬と性能劣化を是正すること。
• 逐次DF（S-DF）検出器における最適ユーザー順序付けの計算複雑性（K!に比例）を低減すること。
• 複数のキャンセレーション順序を並列に評価することで、多様性と信頼性を向上させる新規な並列仲裁DF構造（SPA-DF）を設計すること。
• 反復的カスケードDF段階とSPA-DF構造を統合し、符号付きおよび非符号付きシステムの両方で性能を向上させること。
• 上行リンクDS-CDMA環境下で、提案手法が線形受信機および既存のDF検出器と比較して果たす性能向上を評価すること。

提案手法

• SPA-DF検出器は、各ユーザーの異なるキャンセレーション順序を持つ複数の並列ブランチを用い、各ユーザーの推定シンボルを生成する。
• 最終的な決定は、並列ブランチから最小分散誤差（MMSE）を満たす推定値を選択することで行われる。MMSE基準は以下の通り：$ J_{MMSE} \approx \arg\min_{1 \leq l \leq L} (MSE_{U_l}) $。
• 全探索の$ K! $複雑性を回避するため、有望なキャンセレーションシーケンスを効率的に選択する近似的最適なユーザー順序付けアルゴリズムを提案する。
• SPA-DF構造は反復的カスケードDF段階と統合され、各段階でS-DF、P-DF、またはSPA-DFを用いてシンボル推定値を改善し、誤り伝搬を低減する。
• MMSE設計基準を適用して、各ユーザーのフィードフォワードフィルタ $ \mathbf{w}_k = \mathbf{R}^{-1}_{U_l} \mathbf{p}_k $ を導出する。これにより、各ユーザーの誤差パワーを最小化する。
• バーティリ・デコーダおよびターボデコーダを用いた畳み込み符号付きシステムへも拡張し、ソフト出力検出を統合することで性能を向上させる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 DS-CDMAシステムにおいて、従来のP-DFおよびS-DF検出器と比較して、並列仲裁フィードバック構造は誤り伝搬を低減できるか？
• RQ2 提案されたSPA-DF検出器の性能は、全$ K! $順序付けを用いた最適S-DFと比較して、MMSEおよびビット誤り率の観点でどの程度か？
• RQ3 反復的カスケードDF段階は誤り伝搬および全体のシステムスペクトル効率にどのような影響を及ぼすか？
• RQ4 $ K! $の計算負荷を伴わない低複雑性のユーザー順序付けアルゴリズムは、SPA-DF検出器において近似的最適性能を達成できるか？
• RQ5 提案された検出器は、非符号付きおよび畳み込み符号付きシステム（バーティリおよびターボデコーダを用いて）でどの程度の性能を示すか？

主な発見

• 部分最適なユーザー順序付けアルゴリズムを用いたSPA-DF検出器は、全$ K! $順序付けを用いた最適S-DF検出器と比較して、ビット誤り率（BER）性能が0.5 dB以内の差で達成される。
• 提案されたSPA-DF構造は、特に高負荷状態において、従来のP-DF検出器と比較して誤り伝搬を低減する。
• 反復的カスケードDF段階は、複数回の検出プロセスにわたりシンボル推定値を改善することで、性能を著しく向上させる。
• SPA-DF検出器のMMSEは、標準S-DFのMMSEによって上界で抑えられ、共分散行列$ \mathbf{R}_{U_l} $に含まれる未検出ユーザー数に比例する。
• 畳み込み符号付きシステムでは、SPA-DFとターボデコーディングの統合により、バーティリデコーディングおよび線形受信機と比較して顕著な性能向上が得られる。
• 提案手法は、高SNR・高負荷のDS-CDMA上行リンク環境下で近似的最適なスペクトル効率を達成し、線形検出を上回る性能を示す。