[論文レビュー] Two Methods for Decreasing the Computational Complexity of the MIMO ML Decoder

Takayuki Fukatani, Ryutaroh Matsumoto+1 more|ArXiv.org|Oct 18, 2004

Advanced Wireless Communication Techniques参考文献 13被引用数 27

ひとこと要約

本稿では、MIMO最大尤度（ML）スフィアデコーディングの計算複雑度を低減するための2つの手法—ソート付きQR分解とダイクストラ法—を提案する。QRソートは検出順序を再配置して探索空間を最小化し、ダイクストラ法は木探索における経路選択を最適化する。シミュレーションにより、26 dB SNRにおける8アンテナシステムでは、合計デコーディング複雑度が最大65%低減された。

ABSTRACT

We propose use of QR factorization with sort and Dijkstra's algorithm for decreasing the computational complexity of the sphere decoder that is used for ML detection of signals on the multi-antenna fading channel. QR factorization with sort decreases the complexity of searching part of the decoder with small increase in the complexity required for preprocessing part of the decoder. Dijkstra's algorithm decreases the complexity of searching part of the decoder with increase in the storage complexity. The computer simulation demonstrates that the complexity of the decoder is reduced by the proposed methods significantly.

研究の動機と目的

• 完全なCSIを前提とした多アンテナシステムにおけるMIMO MLデコーディングの指数的計算複雑度に対処する。
• ML最適性を損なわずにスフィアデコーダーの探索フェーズの高い計算コストを低減する。
• 前処理フェーズと探索フェーズを独立して最適化することで、合計デコーディング遅延を最小化する。
• より多くの送信アンテナを有するMIMOシステムにおけるML検出の実用的実装を可能にする。

提案手法

• R行列の基底ベクトルのノルムに基づいて、送信シンボルの検出順序を再配置する、ソート付きQR分解を適用する。
• 標準的な深さ優先木探索を置き換えるために、候補ノードの優先度キューを維持するダイクストラの最短経路アルゴリズムを用いる。
• スフィアデコーダーを前処理（QR分解）と探索（格子点探索）フェーズに分解し、独立した最適化を可能にする。
• 受信信号からの部分距離が小さいノードを優先する、修正された探索戦略を導入し、訪問する格子点数を削減する。
• 真の送信信号がスフィア内にある確率が99%以上となるようにスフィア半径を設定し、ML性能を保証する。
• QRソートとダイクストラ法の両手法を相乗的に組み合わせ、単独で用いた場合よりも顕著な複雑度低減を達成する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 QR分解に伴うソートを用いた検出順序の再配置により、スフィアデコーダーにおける探索される格子点の平均数を低減できるか？
• RQ2 ダイクストラ法をスフィアデコーダーの木探索フェーズに効果的に適用することで、計算複雑度を低減できるか？
• RQ3 スフィアデコーダーにおけるダイクストラ法の適用に伴う、探索複雑度の低減とストレージコストの増加のトレードオフは何か？
• RQ4 個別に適用した場合と併用した場合の、提案手法による複雑度低減の比較は？
• RQ5 実用的なシステムサイズ（例：8送信アンテナ）において、性能損なわずにMIMO MLデコーディングの合計計算複雑度をどの程度低減できるか？

主な発見

• 8送信アンテナ、26 dB SNRにおけるQR分解に伴うソートにより、探索フェーズの複雑度が約55%低減されたが、前処理複雑度はわずか10%増加した。
• 同じ fading 矩陣を用いた10回の送信において、QRソート単独で合計デコーディング複雑度が約60%低減された。
• ダイクストラ法単独では、26 dB SNRにおけるオリジナルのスフィアデコーダーと比較して、探索フェーズの複雑度が約25%低減された。
• QRソートとダイクストラ法を併用することで、オリジナルのスフィアデコーダーと比較して、探索フェーズの複雑度が最大65%低減された。
• 低SNRでは、より優れた経路選択により、ダイクストラ法が標準的なスフィアデコーダーを著しく上回る探索効率を示した。
• ダイクストラ法における優先度キューのサイズの累積分布は、管理可能なストレージオーバーヘッドを示しており、実用的実装可能性が裏付けられた。