[論文レビュー] Near Gaussian Multiple Access Channel Capacity Detection and Decoding

Xiaojie Wang, Sebastian Cammerer+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 27, 2018

Advanced Wireless Communication Techniques被引用数 1

ひとこと要約

本稿では、EXITチャートを用いた符号度プロファイル最適化により、インタリーブ分割多重アクセス（IDMA）システムにおけるLDPC符号の近似的にガウス多重アクセスチャネル（GMAC）容量性能を実現する手法を提案する。LDPC符号とシリアル繰り返し符号のコンカタネーションを組み合わせることで、初期段階の低レート問題を克服し、より高いコードレートと容量に近い性能を達成する。これにより、IDMAは将来の無線システムの有力候補となる。

ABSTRACT

We consider the design of low-density parity-check (LDPC) codes with close-to-capacity performance for interleave division multiple access (IDMA). The degree profile of the LDPC code is optimized using extrinsic information transfer (EXIT) charts to match an IDMA low complexity multiuser detector. Analytical EXIT functions for the IDMA system are derived while verifying that the Gaussian approximation stays valid for a sufficiently large number of users. The resulting LDPC codes are of rather low-rate (e.g., R c = 0.03 for 32 users) and thus, the practical design of such codes is quite challenging and may, due to the low code-rate, not even yield a performance close to the Gaussian multiple access channel (GMAC) capacity. Adding a serial concatenation with a simple repetition code allows to design matching LDPC codes with a higher rate and, this way, achieving closer to GMAC capacity. This makes IDMA an attractive multiple access scheme for future wireless communication systems.

研究の動機と目的

• インタリーブ分割多重アクセス（IDMA）システムにおいて、低密度パリティーチェック（LDPC）符号を用いて近似的に容量性能を達成すること。
• IDMAにおける低レートLDPC符号が、実装可能性とガウス多重アクセスチャネル（GMAC）容量に近い性能の実現を阻害するという課題に対処すること。
• 繰り返し符号とのシリアルコンカタネーションによりコードレートを向上させつつ、近似的に容量性能を維持すること。
• 十分に多くのユーザーが存在する場合に、EXIT関数解析におけるガウス近似の妥当性を検証すること。
• 低複雑性のマルチユーザ検出を備えた実用的で高レートのLDPC符号支援IDMAシステムを設計すること。

提案手法

• IDMAにおける低複雑性マルチユーザ検出器に適合させるために、外部情報伝送（EXIT）チャートを用いてLDPC符号の度プロファイルを最適化すること。
• コード設計を支援し収束を保証するために、IDMAシステムの解析的EXIT関数を導出すること。
• 十分に多くのユーザーが存在するシステムにおいて、EXIT解析におけるガウス近似の妥当性を検証すること。
• コードレートを向上させつつ近似的に容量性能を維持できるように、LDPC符号と単純な繰り返し符号のシリアルコンカタネーションを適用すること。
• イテレーティブデコードプロセスにおける符号と検出器の整合性を確保するため、EXITチャートベースの最適化を実施すること。
• イテレーティブ検出とデコードの性能を、EXITチャート収束解析を用いて評価すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LDPC符号は、どのようにしてIDMAシステムにおいて近似的にGMAC容量性能を達成できるか？
• RQ2 低コードレートが、LDPC符号を用いたIDMAにおける実装可能性と性能に与える影響は何か？
• RQ3 繰り返し符号とのシリアルコンカタネーションは、近似的に容量性能を損なわずにコードレートを有効に向上させることができるか？
• RQ4 IDMAシステムにおけるEXIT関数解析において、ガウス近似が有効に保たれる条件は何か？
• RQ5 EXITチャートベースの最適化は、どのようにしてIDMAにおけるLDPC符号とマルチユーザ検出器を整合させることができるか？

主な発見

• EXITチャートを用いた最適化度プロファイルを有するLDPC符号は、IDMAシステムにおいて近似的にGMAC容量性能を達成する。
• IDMAシステムにおいて、十分に多くのユーザーが存在する場合、EXIT関数解析で用いられるガウス近似は有効である。
• 初期のIDMA用LDPC符号は非常に低レートである（例：32ユーザーの場合、R_c = 0.03）ため、実装上の課題が生じる。
• 繰り返し符号とのシリアルコンカタネーションにより、より高いレートのLDPC符号を実現しつつ、GMAC容量に近い性能を維持できる。
• 得られたシステムは、理論的限界に近い性能を示す低複雑性マルチユーザ検出を実現する。
• EXIT最適化LDPC符号とシリアルコンカタネーションの組み合わせにより、IDMAは将来の無線システムにおける実用的で魅力的な多重アクセス方式となる。