[論文レビュー] Phase Noise Estimation for Uncoded/Coded SISO and MIMO Systems

Arif Önder Isikman, Hani Mehrpouyan+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 23, 2012

Advanced Wireless Communication Techniques参考文献 32被引用数 3

ひとこと要約

本学位論文は、非符号化および符号化されたSISOおよびMIMOシステムにおける位相ノイズ推定とデータ検出を統合的に処理する、期待値最大化（EM）フレームワークおよび拡張カルマンフィルタ（EKF）に基づく低複雑性反復受信機アルゴリズムを提案する。主な貢献は、EKFスムージング（EKFS）に基づくEMアルゴリズムであり、低〜中程度のSNRにおいて、理想的な位相ノイズの事前知識に近い性能を達成する。特に、ソフト決定を改善するために低レートのLDPC符号を用いる場合に顕著である。

ABSTRACT

Non-ideal oscillators both at the transmitter and the receiver introduces time varying phase noise which interacts with the transmitted data in a non-linear fashion. Phase noise becomes a detrimental problem and needs to be estimated and compensated. In this thesis receiver algorithms are derived and evaluated to mitigate the effects of the phase noise in digital communication systems. In Chapter 3 phase noise estimation in single-input single-output (SISO) systems is investigated. First, a hard decision directed extended Kalman filter (EKF) is applied to an uncoded system. Next, an iterative receiver algorithm performing code-aided turbo synchronization is derived using the expectation maximization (EM) framework for a coded system. Two soft-decision directed estimators in the literature based on Kalman filtering are evaluated. Low density parity check (LDPC) codes are proposed to calculate marginal a posteriori probabilities and to construct soft decision symbols. Error rate performance of both estimators are compared through simulations. In Chapter 4 phase noise estimation in multi-input multi-output (MIMO) systems is investigated. First, a low complexity hard decision directed EKF is applied to an uncoded system. Next, a new receiver algorithm based on the EM framework for joint estimation and detection in coded MIMO systems is proposed. A low complexity soft decision directed extended Kalman filter and smoother (EKFS) that tracks the phase noise parameters over a frame is proposed in order to carry out the maximization step. The proposed EKFS based approach is combined with an iterative detector that utilizes bit interleaved coded modulation and employs LDPC codes. Finally, simulation results confirm that the error rate performance of the proposed EM-based approach is close to the scenario of perfect knowledge of phase noise at low-to-medium signal-to-noise ratios.

研究の動機と目的

• 高スルーレートのデジタル通信システム、特に高周波帯のマイクロ波バックホールリンクにおいて、時間変動する位相ノイズが及える悪影響を是正すること。
• SISOおよびMIMOシステムにおいて、位相ノイズを推定し、送信シンボルを検出する低複雑性の反復受信機アルゴリズムを開発すること。
• ブロック長や変調方式などのさまざまなシステムパラメータを想定した、ソフト決定指向推定器（KS-MLAおよびEKS）の性能を評価・比較すること。
• ビットインタリーブド符号化変調（BICM）とLDPC符号を用いて、符号化MIMOシステムへのEMフレームワークの拡張により、信頼性を向上させること。
• 実用的システム設計における、性能、複雑性、符号化レートのトレードオフを調査すること。

提案手法

• 非符号化SISOおよびMIMOシステムにおける位相ノイズ追跡のためのハード決定指向拡張カルマンフィルタ（EKF）を導出する。
• 符号化SISOシステムのための反復的EMベース受信機を提案し、Eステップで事後確率を計算し、Mステップでソフト決定指向EKFスムージング（EKFS）を用いて位相ノイズ推定値を更新する。
• LDPC符号を用いてソフト決定シンボルの周辺事後確率を計算し、推定精度を向上させる。
• 符号化MIMOシステムにおける位相ノイズ追跡とデータ検出を統合的に処理する、低複雑性のソフト決定指向EKFおよびスムージング（EKFS）を提案する。
• ビットインタリーブド符号化変調（BICM）とLDPCデコードを用いて、反復的位相ノイズ推定のための信頼性の高いソフト決定を生成する。
• コンピュータシミュレーションを用いて、さまざまなSNRおよび位相ノイズ分散レベルにおける誤りビット率（BER）、フレーム誤り率（FER）、位相ノイズ推定の平均二乗誤差（MSE）を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ソフト決定指向推定器（KS-MLAおよびEKS）の性能は、ブロック長や変調方式などのシステムパラメータにどのように依存するか？
• RQ2 EKFスムージング（EKFS）を用いたEMベースの反復受信機は、符号化SISOおよびMIMOシステムにおいて、ほぼ完璧な位相ノイズ補償を達成できるか？
• RQ3 符号化レートおよびデコーダの反復回数は、位相ノイズ推定精度と誤り率性能にどのような影響を与えるか？
• RQ4 提案されたEKFSアルゴリズムの推定精度はEM反復の進行に従ってどのように変化するか。収束特性はいかなるものか？
• RQ5 位相ノイズ推定誤差が全体のシステム性能に与える影響はどの程度か。受信機設計により、その影響はどのように軽減できるか？

主な発見

• EKFスムージング（EKFS）に基づくEMアルゴリズムは、低〜中程度のSNRにおいて、符号化MIMOシステムでほぼ完璧な位相ノイズ補償を達成し、完全な位相ノイズ知識がある場合に近い性能を示す。
• 高い位相ノイズの変動分散または長いブロック長の条件下では、KS-MLA推定器は信頼性の低いソフト決定のため著しく性能が低下するが、EKSはこうした状況下でも良好な性能を示す。
• FER性能はEM反復ごとに低下しており、効果的な統合推定と検出が行われていることを示している。ただし、収束が達成されない場合にはビット誤り数が単調に減少しない可能性がある。
• 高SNR領域に誤り床（error floor）が現れるが、デコーダの反復回数を増やすか、符号化レートを低下させることで、ソフト決定の信頼性を向上させることでこれを軽減できる。
• 低レートのLDPC符号を用いることで、ソフト決定の品質が向上し、FER性能が顕著に改善されるが、スペクトル効率が低下するという代償がある。
• 提案されたEKFSベースのアルゴリズムは、広範な位相ノイズ分散範囲においても高いロバスト性を示し、実用的な高周波MIMOシステムに適している。