[論文レビュー] Near Capacity Approaching for Large MIMO Systems by Non-Binary LDPC Codes with MMSE Detection

Puripong Suthisopapan, Kenta Kasai+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 5, 2012

Advanced Wireless Communication Techniques参考文献 30被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、低複雑度のMMSE検出を用いた非2進数LDPC符号化大規模MIMOシステムを提案し、ほぼ容量性能を達成する。GF(2^8)上での中程度長さの非2進数LDPC符号とソフト出力MMSE検出を活用することで、16-QAMを用いた600×600 MIMOシステムにおいて、MIMO容量から3.4 dB以内のビット誤り率を達成し、従来のターボ符号化および2進数LDPC符号化システムよりも6 dB以上のSNRゲインを達成する。

ABSTRACT

In this paper, we have investigated the application of non-binary LDPC codes to spatial multiplexing MIMO systems with a large number of low power antennas. We demonstrate that such large MIMO systems incorporating with low-complexity MMSE detector and non-binary LDPC codes can achieve low probability of bit error at near MIMO capacity. The new proposed non-binary LDPC coded system also performs better than other coded large MIMO systems known in the present literature. For instance, non-binary LDPC coded BPSK-MIMO system with 600 transmit/receive antennas performs within 3.4 dB from the capacity while the best known turbo coded system operates about 9.4 dB away from the capacity. Based on the simulation results provided in this paper, the proposed non-binary LDPC coded large MIMO system is capable of supporting ultra high spectral efficiency at low bit error rate.

研究の動機と目的

• 符号化大規模MIMOシステムと理論的MIMO容量との間の性能ギャップを埋めること。
• 低複雑度検出を伴う非2進数LDPC（NBLDPC）符号の実現可能性と性能を調査すること。
• 高次元MIMO環境下におけるNBLDPCデコードのソフトインプット源としてのMMSE検出の有効性を評価すること。
• 今後の符号化大規模MIMOシステム設計のベンチマーク性能を確立すること。

提案手法

• 高次モード分離に適したスパースなパリティーチェック行列を有するGF(2^8)上での非2進数LDPC符号の設計により、誤り補正性能を向上させる。
• 最適検出の指数的複雑度を回避するため、NBLDPCデコーダにソフトインプットを提供する低複雑度MMSE検出器の実装。
• 受信シンボルの条件付き確率に基づく対数尤度比指標を用いて、MMSE検出器からソフト出力LLR値を導出する。
• NBLDPC符号の因子グラフ上でメッセージパッシングによる反復デコードにより、MMSEのソフト出力を統合する。
• 性能と複雑度のバランスを図るため、固定回数の反復検出-デコードを用いる。
• 大規模MIMO構成（例：600×600）におけるRayleigh fadingチャネルと16-QAM変調を想定したシステムのシミュレーション。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非2進数LDPC符号は、低複雑度のMMSE検出を用いても大規模MIMOシステムで近接容量性能を達成できるか？
• RQ2 NBLDPC符号化大規模MIMOシステムのビット誤り率と容量へのSNRギャップは、従来のターボ符号化および2進数LDPC符号化システムと比較してどの程度か？
• RQ3 MMSE検出器は、符号化されていない状態では性能が低いにもかかわらず、なぜNBLDPCデコードと組み合わせると優れた符号化性能を示すのか？
• RQ4 高次元MIMOシステムにおける、MMSE検出からのソフト出力生成品質が、全体のシステム性能に与える影響は何か？
• RQ5 最適検出を必要とせず、中程度長さのNBLDPC符号が大規模MIMOシステムで近接容量性能を達成できるか？

主な発見

• 提案されたNBLDPC符号化大規模MIMOシステムは、16-QAMとコードレートR=1/3を用いた600×600 MIMOシステムにおいて、理論的MIMO容量から3.4 dB以内のビット誤り率を達成する。
• 同じ条件下で、容量から9.4 dB離れているとされる最良の既知のターボ符号化大規模MIMOシステムよりも、SNRで6 dB以上優れた性能を示す。
• MMSE検出を用いたNBLDPC符号化システムは、すべてのシミュレートされたSNR領域において、2進数LDPC符号化およびターボ符号化システムよりも優れたビット誤り率性能を達成する。
• 低分散次数であっても、MMSE検出器のソフト出力品質は、NBLDPCデコードと組み合わせることで、符号化システムの低SNR領域においてほぼ最適性能を実現する。
• 先行研究と比較して、容量へのギャップが顕著に縮小され、NBLDPC-MMSEシステムは文献に報告された中で最も優れた性能を示す符号化大規模MIMO構成であることが立証された。
• 結果から、特に高次モード分離が用いられる場合、NBLDPC符号は大規模MIMOシステムにおける優れたチャネル符号化選択肢であることが示された。