[論文レビュー] Nonlinear Trellis Description for Convolutionally Encoded Transmission Over ISI-channels with Applications for CPM

Fabian Schuh, Johannes B. Huber|arXiv (Cornell University)|May 31, 2012

Advanced Wireless Communication Techniques参考文献 12被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、非線形トレリス符号化器を用いたマッチドデコード方式を提案し、符号化畳み込みチャネルとシンボル間干渉（ISI）チャネルを同時にモデル化することで、符号化連続位相変調（CPM）におけるトレリスの状態数を著しく削減しつつ、性能に損なわれることなく実現する。符号化器とISIチャネルを統合した非線形2値トレリスにすることで、複雑さを低減した最大尤度系列推定が可能となり、特に差動検出を伴う非coherent受信において有効である。

ABSTRACT

In this paper we propose a matched decoding scheme for convolutionally encoded transmission over intersymbol interference (ISI) channels and devise a nonlinear trellis description. As an application we show that for coded continuous phase modulation (CPM) using a non-coherent receiver the number of states of the super trellis can be significantly reduced by means of a matched non-linear trellis encoder.

研究の動機と目的

• ISIチャネル上での畳み込み符号化伝送におけるスーパートレリスデコードの状態複雑さを低減すること。
• 畳み込み符号化器とISIチャネルを1つの非線形トレリスに統合することで、非coherent CPMにおける効率的なマッチドデコードを可能にすること。
• 状態数の削減が性能劣化を伴わずに可能であることを示すこと、特に差動検出を伴う非coherent CPMシステムにおいて。
• 複雑さとビット誤り率（BER）の観点から、従来のスーパートレリスデコード（STD）、決定フィードバック系列推定（DFSE）、BCJRアルゴリズムと比較して、提案手法の性能を評価すること。
• ノイズホワイトニングフィルタとISI長さが受信機の複雑さと性能に与える影響を評価すること。

提案手法

• 畳み込み符号化器とISIチャネルを、符号化器の2値出力とM値ISI応答を組み合わせることで、1つの非線形2値トレリス符号化器としてモデル化する。
• M値チャネルインパルス応答を log₂(M) 個の並列2値畳み込みに分解することで、統合された非線形トレリス記述が可能となる、修正されたトレリス構造を用いる。
• Viterbiアルゴリズムを用いて、削減された状態トレリス上で畳み込み符号とISIチャネルを同時にデコードするマッチドデコード（MD）戦略を採用する。
• 決定フィードバックに類似した構造に基づく状態空間の分割を用いることで、再帰的システム的ソフト出力Viterbiアルゴリズム（RSSE）を適用し、さらに複雑さを低減する。
• 非coherent CPMにおけるスペクトル成形効果を軽減するため、ノイズホワイトニングフィルタを統合するが、同時に差動検出およびマッチドフィルタリングと互換性を保つ。
• モンテカルロシミュレーションを用いて、STD、DFSE、BCJR、および提案手法MD/RSSEの間でBER性能を比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ISIチャネル上での畳み込み符号化伝送におけるスーパートレリスの複雑さは、性能損なわれることなく低減可能か？
• RQ2 提案された非線形トレリス符号化器は、従来のスーパートレリスデコードと比較して、BERと状態数の観点でどのように異なるか？
• RQ3 マッチドデコードと再帰的システム的ソフト出力Viterbi推定（RSSE）を用いることで、受信機の複雑さはどの程度低減可能か？
• RQ4 ISIチャネル長とノイズホワイトニングフィルタの有無が、性能-複雑さトレードオフに与える影響は？
• RQ5 提案手法は、差動検出を伴う非coherent CPMシステムに効果的に適用可能か？

主な発見

• 提案されたマッチドデコード（MD）は、従来のスーパートレリスデコード（STD）と同等のビット誤り率（BER）性能を達成するが、状態数は著しく削減されている（例：1つのシミュレーションで1024状態から8状態に）。
• M=4で3-RCパルス整形を用いた非coherent CPMでは、8状態トレリスを用いたMDは、1024状態のSTDを上回り、64状態のDFSEと同等の性能を達成する。
• DFSEに類似した分割構造を用いたRSSEを適用すると、受信機の複雑さを4状態まで低減可能であり、BER = 10⁻³を達成する。これは、より多くの符号化器状態を有するシステムを上回る性能を示す。
• ISI長を延長（例：L=10）することで得られる性能向上は、符号化器状態数の増加によるものよりも顕著であり、長時間のISIチャネルは高レート符号化器よりも有益であることが示唆される。
• MDはSTDと比較して複雑さを最大99%まで低減可能であり、MDは8状態で14 dB Eb/N0でBER = 10⁻³を達成するが、STDは1024状態を必要とする。
• 本手法はビットインタリーブと互換性がない。これは、符号化器とチャネル状態を直接連結する必要があるためであり、インタリーブ符号化変調方式への適用が制限される。