[論文レビュー] Near Capacity Signaling over Fading Channels using Coherent Turbo Coded OFDM and Massive MIMO

K. Vasudevan|arXiv (Cornell University)|Nov 28, 2017

Advanced Wireless Communication Techniques参考文献 40被引用数 34

ひとこと要約

この論文は、巨大MIMOと周波数分散を用いた、コherent turbo符号化OFDMを用いたフェージングチャネル向けの近チャネル容量信号方式を提案し、128の受信アンテナと2本の送信アンテナを備えた状態で、ビットごとの平均SNRが1.25 dBのとき、ビット誤り率（BER）が$2 \times 10^{-5}$に達することを示した。周波数帯域を各送信アンテナに異なる周波数で割り当てることで、BERの劣化を伴わずにスペクトル効率を向上させられることを実証した。

ABSTRACT

The minimum average signal-to-noise ratio (SNR) per bit required for error-free transmission over a fading channel is derived, and is shown to be equal to that of the additive white Gaussian noise (AWGN) channel, which is $-1.6$ dB. Discrete-time algorithms are presented for timing and carrier synchronization, as well as channel estimation, for turbo coded multiple input multiple output (MIMO) orthogonal frequency division multiplexed (OFDM) systems. Simulation results show that it is possible to achieve a bit error rate of $10^{-5}$ at an average SNR per bit of 5.5 dB, using two transmit and two receive antennas. We then propose a near-capacity signaling method in which each transmit antenna uses a different carrier frequency. Using the near-capacity approach, we show that it is possible to achieve a BER of $2 imes 10^{-5}$ at an average SNR per bit of just 2.5 dB, with one receive antenna for each transmit antenna. When the number of receive antennas for each transmit antenna is increased to 128, then a BER of $2 imes 10^{-5}$ is attained at an average SNR per bit of 1.25 dB. In all cases, the number of transmit antennas is two and the spectral efficiency is 1 bit/transmission or 1 bit/sec/Hz. In other words, each transmit antenna sends 0.5 bit/transmission. It is possible to obtain higher spectral efficiency by increasing the number of transmit antennas, with no loss in BER performance, as long as each transmit antenna uses a different carrier frequency. The transmitted signal spectrum for the near-capacity approach can be restricted by pulse-shaping. In all the simulations, a four-state turbo code is used. The corresponding turbo decoder uses eight iterations. The algorithms can be implemented on programmable hardware and there is a large scope for parallel processing.

研究の動機と目的

• 周波数選択的レイリーフェージングチャネルにおける、ターボ符号化MIMO-OFDMシステムのための離散時間アルゴリズムを、コherent検出のために開発すること。
• フェージングチャネルにおける誤りなし伝送に必要な最小平均ビットあたりSNRを導出することにより、AWGN限界値の-1.6 dBと一致することを示すこと。
• 各送信アンテナが異なる搬送周波数を使用する、新しい信号方式を用いて、近チャネル容量性能を実証すること。
• 各送信アンテナに異なる搬送周波数を割り当てることで、BERの劣化を伴わずにスペクトル効率を向上させること。
• パルス整形を用いてスペクトルを制限し、並列処理能力を持つプログラマブルハードウェアとの互換性を確保すること。

提案手法

• ターボ符号化MIMO-OFDMシステムにおける、タイミングとキャリア同期、およびチャネル推定のための離散時間アルゴリズムを提案する。
• 周波数選択的フェージングチャネルを平坦フェージングサブキャリアに変換するために、直交周波数分割多重（OFDM）を用いる。
• 受信機で8回の反復を行う4状態のターボ符号を採用し、信頼性の高い通信を実現する。
• 各送信アンテナが異なる搬送周波数で送信する、近チャネル容量信号方式を導入し、周波数分散を活用する。
• 上行リンク環境における干渉を低減するために、信号スペクトルを制限するためのパルス整形を適用する。
• チャネル容量の式を導出し、式 $ C = \log_2(1 + C \cdot \text{SNR}_{\text{av},b}) $ を用いて、ビットあたり平均SNRと関連付ける。これにより、$ C \to 0 $ のとき、最小 $ \text{SNR}_{\text{av},b} \to \ln(2) \approx -1.6 $ dB となることが導かれる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 周波数選択的レイリーフェージングMIMOチャネルにおける誤りなし伝送に必要な最小平均ビットあたりSNRは何か？
• RQ2 ターボ符号化MIMO-OFDMシステムのコherent検出アルゴリズムは、近チャネル容量性能を達成できるように設計可能か？
• RQ3 各送信アンテナに異なる搬送周波数を割り当てることで、スペクトル効率とBER性能にどのような影響を与えるか？
• RQ4 巨大MIMOを用い、周波数分散伝送を行う場合、低SNRビットあたりの実現可能なBERはどの程度か？
• RQ5 パルス整形を用いることで、高スペクトル効率を維持したまま、送信信号スペクトルを効果的に制限できるか？

主な発見

• フェージングチャネルにおける誤りなし伝送に必要な最小平均ビットあたりSNRは$-1.6$ dBであり、これはAWGNチャネルの限界値と一致する。
• 2×2 MIMO-OFDMシステムでは、ビット誤り率（BER）が5.5 dBの平均ビットあたりSNRで$10^{-5}$に達する。
• 2本の送信アンテナと、各送信アンテナごとに1本の受信アンテナを備えた場合、提案された近チャネル容量方式により、ビットあたり平均SNRが2.5 dBのときBERが$2 \times 10^{-5}$に達する。
• 各送信アンテナごとに受信アンテナを128本に増加させた場合、ビットあたり平均SNRが1.25 dBのとき、BERは$2 \times 10^{-5}$に達する。
• 各送信アンテナが異なる搬送周波数で送信するようにすることで、送信アンテナを追加することによりスペクトル効率を向上させられ、BER性能の劣化を伴わずに実現できる。
• 本システムは高スペクトル効率を実現でき、並列処理能力を有するプログラマブルハードウェアへの実装に適している。