[論文レビュー] Space-Time Coding over Fading Channels with Stable Noise

Junghoon Lee, Cihan Tepedelenlioğlu|arXiv (Cornell University)|Feb 16, 2011

Advanced Wireless Communication Techniques参考文献 20被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、実世界の干渉をモデル化する対称安定的α分布（SαS）インパルス性ノイズによって劣化する fading チャネルにおける空間時間符号化の性能解析と受信機設計を提案する。ジェイン・アided 受信機を用いて直交 STBC の対間誤り確率（PEP）を導出するとともに、ノイズパラメータに依存せず、計算が効率的な漸近的最適受信機（AOR）を提案し、解析的およびシミュレーション結果によりインパルス性ノイズ下でも高いロバストネスを確認した。

ABSTRACT

This paper addresses the performance of space-time coding over fading channels with impulsive noise which is known to accurately capture network interference. We use the symmetric alpha stable noise distribution and adopt two models which assume dependent and independent noise components across receive antennas. We derive pairwise error probability (PEP) of orthogonal space-time block codes (STBC) with a benchmark genie-aided receiver (GAR), or the minimum distance receiver (MDR) which is optimal in the Gaussian case. For general space-time codes we propose a maximum-likelihood (ML) receiver, and its approximation at high signal-to-noise ratio (SNR). The resulting asymptotically optimal receiver (AOR) does not depend on noise parameters and is computationally simple. Monte-Carlo simulations are used to supplement our analytical results and compare the performance of the receivers.

研究の動機と目的

• インパルス性ノイズが MIMO システムの性能を低下させることに対処し、ガウス分布仮定では正確にモデル化できない現実の干渉を扱う。
• 文献における空白を埋めるために、実世界の干渉をよりよくモデル化する対称安定的α分布（SαS）ノイズを伴う fading チャネルにおける空間時間符号化の性能を分析する。
• 特に直交空間時間ブロック符号（STBC）を対象として、SαS ノイズ環境下での実用的かつ最適な受信機を設計する。
• SαS ノイズ下での対間誤り確率（PEP）およびシンボル誤り率（SER）の閉形式表現を導出することで、従来のガウスベースの解析を拡張する。
• ノイズパラメータの知識を必要とせず、計算が危しい漸近的最適受信機（AOR）を提案し、高SNRにおいても性能を維持する。

提案手法

• i.i.d. レイリー fading を有する MIMO フラットフェージングチャネルモデルを採用し、SαS分布に従う加法的ノイズを仮定する。ここで α ∈ (0,2] はインパルス性の度合いを制御する。
• SαS ノイズ下で、ベンチマーク用のジェイン・アided 受信機（GAR）および最小距離受信機（MDR）を用いて、直交 STBC の対間誤り確率（PEP）を導出する。
• 一般空間時間符号を対象とした最大尤度（ML）受信機を提案し、その高SNR近似を導出し、漸近的最適受信機（AOR）を導出する。
• AOR はノイズパラメータ（α, σ）に依存せず、SNR とチャネル統計情報のみに依存するため、低複雑度の検出が可能であることが示された。
• 順序統計とガンマ関数およびポリガンマ関数を用いた積分表現を用いて、SαS ノイズ分布上での PEP 積分を評価する。
• モンテカルロシミュレーションを用いて解析結果を検証し、異なる受信機およびノイズ環境下での性能を比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 対称安定的α分布（SαS）ノイズは、fading MIMO チャネルにおける直交空間時間ブロック符号（STBC）の対間誤り確率（PEP）にどのように影響を与えるか？
• RQ2 SαS ノイズ下でジェイン・アided 受信機（GAR）および最小距離受信機（MDR）の性能はどのようになるか？ また、最適 ML 検出と比較してどうなるか？
• RQ3 一般空間時間符号を対象とした、ノイズパラメータに依存しない低複雑度の漸近的最適受信機（AOR）を導出できるか？
• RQ4 SαS ノイズ下で、STBC のコーディングゲインは送信アンテナ数 Nt に対してどのようにスケーリングされるか？ また、単調かつ凸的か？
• RQ5 SαS ノイズを伴う fading チャネルにおける STBC の PEP の閉形式表現は何か？ また、特性指数 α および SNR にどのように依存するか？

主な発見

• 漸近的最適受信機（AOR）は ML 受信機の高SNR近似として導出され、SαS ノイズパラメータ（α, σ）に依存せず、低複雑度の検出が可能である。
• SαS ノイズ下で、直交 STBC のコーディングゲインは送信アンテナ数 Nt に関して単調に減少し、かつ凸関数であることが証明された。
• 積分変換およびガンマ関数の恒等式を用いて、直交 STBC の PEP を閉形式で導出し、主要項が ρ^(-α/2) に比例することを示した。これはガウスノイズ下よりも誤りの減少が遅いことを示している。
• AOR は高SNRにおいて ML 受信機に近い性能を達成し、特に α < 2 のインパルス性ノイズ環境下では MDR や GAR よりも優れた性能を示した。
• モンテカルロシミュレーションにより、解析的 PEP 表現が妥当であることが確認され、α や SNR の異なる値において AOR が近似的に最適な性能を維持することが示された。
• SαS ノイズ下での STBC の PEP 表現は、数値積分および漸近的解析により検証され、高SNR近似と整合的であることが確認された。