[論文レビュー] On Interleaving Techniques for MIMO Channels and Limitations of Bit Interleaved Coded Modulation

D.M. Ionescu, D.N. Doan+1 more|ArXiv.org|Oct 24, 2005

Advanced Wireless Communication Techniques参考文献 20被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、MIMOチャネルにおけるビットインターリーブドコーデッドモデュレーション（BICM）の一般化として、座標インターリーブ（CI）を提案し、最適な信号マッピングを用いる場合、CIがBICMよりも高い相互情報量を達成することを示している。SISOシステムとは異なり、MIMOではCMとBICMの相互情報量曲線が乖離し、CIは複数のアンテナに跨る実部および虚部の協調的インターリーブにより、改善されたダイバーシティゲインと制限付き容量を実現する。

ABSTRACT

It is shown that while the mutual information curves for coded modulation (CM) and bit interleaved coded modulation (BICM) overlap in the case of a single input single output channel, the same is not true in multiple input multiple output (MIMO) channels. A method for mitigating fading in the presence of multiple transmit antennas, named coordinate interleaving (CI), is presented as a generalization of component interleaving for a single transmit antenna. The extent of any advantages of CI over BICM, relative to CM, is analyzed from a mutual information perspective; the analysis is based on an equivalent parallel channel model for CI. Several expressions for mutual information in the presence of CI and multiple transmit and receive antennas are derived. Results show that CI gives higher mutual information compared to that of BICM if proper signal mappings are used. Effects like constellation rotation in the presence of CI are also considered and illustrated; it is shown that constellation rotation can increase the constrained capacity.

研究の動機と目的

• 複数入力複数出力（MIMO）のフェージングチャネルにおいて、SISO系と同様にBICMがCMと同等の相互情報量を達成できないというBICMの限界を解消すること。
• 単一アンテナ系における成分インターリーブを多アンテナ系へ拡張する一般化されたインターリーブ技術「座標インターリーブ（CI）」を考案すること。
• 等価並列チャネルモデルを用いて、MIMOチャネルにおけるCIの相互情報量性能をBICMおよびCMと比較して分析すること。
• CIベースのMIMOシステムにおけるコンステレーション回転が制限付き容量に与える影響を調査すること。
• CIが座標別ハミング距離の制御を活用することで、符号冗長度に依存せずにダイバーシティを向上させ、BICMを上回る相互情報量を達成できることを示すこと。

提案手法

• 複数の送信アンテナからの複素シンボルの実部および虚部を独立してインターリーブする座標インターリーブ（CI）を導入し、直交性を保持するとともに、ダイバーシティゲインを実現する。
• CIを用いたMIMOチャネルを等価並列チャネルとしてモデル化し、相互情報量の式を導出することで、BICMおよびCMとの解析的比較を可能にする。
• 信号対雑音比およびチャネル状態情報に応じて、条件付き確率およびインターリーブ成分の周辺化を用いて、MIMOシステムにおけるCIの相互情報量式を導出する。
• 代数的数論的枠組みを用いて、コンステレーション回転が最小座標別ハミング距離および制限付き容量に与える影響を分析する。
• 非一様入力分布を考慮し、受信シンボル、インターリーブ成分、チャネル状態の同時確率式を導出し、性能を評価する。
• 適切な信号マッピングを用いる場合、CIがBICMを上回ることを実証し、特にダイバーシティを向上させるためにコンステレーション回転を組み合わせた場合に顕著である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SISO系と同様に、MIMOチャネルにおいてビットインターリーブドコーデッドモデュレーション（BICM）は、コーディングモデュレーション（CM）と同等の相互情報量を達成するか？
• RQ2 座標インターリーブ（CI）は、SISO系からMIMO系へ一般化可能であり、BICMを上回るダイバーシティおよび相互情報量を実現できるか？
• RQ3 コンステレーション回転は、CIベースのMIMOシステムの制限付き容量にどのように影響するか？
• RQ4 MIMOフェージングチャネルにおいて、CIの相互情報量性能はBICMおよびCMと比べてどうなるか？
• RQ5 CI設計により、最小座標別ハミング距離を制御可能か。これにより、システムのダイバーシティおよび信頼性が向上するか？

主な発見

• SISO系とは異なり、MIMOチャネルではCMとBICMの相互情報量曲線が重ならないことが判明し、BICMがMIMOにおいて劣化していることを示している。
• 適切な信号マッピングを用いる場合、座標インターリーブ（CI）はBICMを上回る相互情報量を達成する。特にコンステレーション回転を組み合わせた場合に顕著である。
• CIはインターリーバ設計により最小座標別ハミング距離を制御可能であり、これにより符号冗長度に依存せずにダイバーシティゲインを向上させることができる。
• CIを用いる場合、コンステレーション回転により受信側での有効な信号分離が向上し、MIMOシステムの制限付き容量が向上する。
• CIの等価並列チャネルモデルにより、相互情報量式の正確な導出が可能となり、フェージングMIMO環境下でのBICMに対する優位性を確認した。
• 非一様入力分布およびフェージング状態下において、相互情報量解析を通じてCIがBICMを上回る性能向上を定量的に示した。