[논문 리뷰] A Non-Orthogonal Distributed Space-Time Coded Protocol Part I: Signal Model and Design Criteria

G. Susinder Rajan, B. Sundar Rajan|ArXiv.org|2006. 10. 29.

Cooperative Communication and Network Coding참고 문헌 1인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 지연을 감소시키고 코딩 이득을 향상시키는 분산 성간 코드화를 가능하게 하는 일반화된 비직교 수신-증폭-전송(GNAF) 협업 다변화 프로토콜을 제안한다. 수신기들이 수신한 기호와 그 켤레의 선형 조합을 전송하도록 허용함으로써, GNAF는 협업 단계에서 R번의 채널 사용만으로도 전체 다변화 순서 R+1을 달성하며, 오류율에서 이전 프로토콜을 능가하고, 단일 안테나 수신기 조건에서도 지수적일 수 없는 구형 디코딩 복잡도를 보장한다.

ABSTRACT

In this two-part series of papers, a generalized non-orthogonal amplify and forward (GNAF) protocol which generalizes several known cooperative diversity protocols is proposed. Transmission in the GNAF protocol comprises of two phases - the broadcast phase and the cooperation phase. In the broadcast phase, the source broadcasts its information to the relays as well as the destination. In the cooperation phase, the source and the relays together transmit a space-time code in a distributed fashion. The GNAF protocol relaxes the constraints imposed by the protocol of Jing and Hassibi on the code structure. In Part-I of this paper, a code design criteria is obtained and it is shown that the GNAF protocol is delay efficient and coding gain efficient as well. Moreover GNAF protocol enables the use of sphere decoders at the destination with a non-exponential Maximum likelihood (ML) decoding complexity. In Part-II, several low decoding complexity code constructions are studied and a lower bound on the Diversity-Multiplexing Gain tradeoff of the GNAF protocol is obtained.

연구 동기 및 목표

• 기존 협업 다변화 방식을 통합하고 개선하는 일반화된 수신-증폭-전송 프로토콜을 개발하는 것.
• 협업 단계에서의 채널 사용 횟수를 최소화하여 협업 전송의 지연을 감소시키는 것.
• 전체 다변화를 달성하기 위한 쌍별 오류 확률(PEP) 분 析 기반의 코드 설계 기준을 수립하는 것.
• 단일 안테나 수신기 조건에서도 구형 디코더 복잡도가 지수적일 수 없음을 입증하는 것.
• 정사각형 복소 수직 행렬 설계가 GNAF 프로토콜 하에서 기호를 두 배로 늘리지 않아도 전체 다변화를 달성할 수 있음을 보여주는 것.

제안 방법

• 방송 단계(T1 사용)와 협업 단계(T2 사용)로 구성된 이중 단계 GNAF 프로토콜을 제안하며, 소스와 리레이어가 함께 분산 성간 코드를 전송한다.
• 리레이어는 수신 기호와 그 켤레의 복소수 선형 조합을 전송하기 위해 리레이어 행렬 쌍 (Ai, Bi)을 사용한다.
• 수신기가 소스와 리레이어로부터 신호를 수신하며 복합 채널 행렬 S와 유효 채널 H를 형성하는 신호 모델을 유도한다.
• PEP 분 析 기반의 코드 설계 기준을 수립하며, T2 = R일 때 전체 다변화 순서 R+1을 달성할 수 있음을 보여준다.
• GNAF 하에서 어떤 정사각형 복소 수직 행렬도 기호 수를 두 배로 늘리지 않아도 전체 다변화를 달성할 수 있음을 입증한다. 이는 이전 프로토콜에서 요구된 기능을 제거한다.
• 디코딩 복잡도를 분석하고, 평균 구형 디코더 복잡도가 리레이어 수나 코드 구조에 관계없이 지수적이지 않음을 증명한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 일반화된 비직교 수신-증폭-전송 프로토콜이 기존 프로토콜보다 더 적은 채널 사용 횟수로 전체 다변화를 달성할 수 있는가?
• RQ2 GNAF 프로토콜 하에서 정사각형 복소 수직 설계를 사용할 경우 기호를 두 배로 늘리지 않아도 전체 다변화를 달성할 수 있는가?
• RQ3 전력 할당 및 리레이어 행렬 설계가 코딩 이득과 오류 성능에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ4 단일 안테나 수신기 조건에서도 GNAF에서 구형 디코딩 복잡도가 지수적이지 않게 유지될 수 있는가?
• RQ5 GNAF는 Jing과 Hassibi 프로토콜에 비해 다변화 이득과 오류율 성능에서 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• GNAF 프로토콜은 협업 단계에서 R번의 채널 사용만으로도 다변화 순서 R+1을 달성하며, 이는 이전 프로토콜이 R+1번의 사용이 필요로 하는 것과 비교해 뛰어난 성능을 보인다.
• GNAF에서 사용되는 모든 정사각형 복소 수직 설계는 기호 수를 두 배로 늘리지 않아도 전체 다변화를 달성할 수 있다. 이는 이전 기법에서 요구된 조치를 제거한다.
• 단일 안테나 수신기 조건에서도 GNAF-DSTC의 평균 구형 디코더 복잡도는 지수적이지 않게 유지된다.
• 시뮬레이션 결과, GNAF-II는 기호 오류율과 코드어 오류율 양면에서 Jing과 Hassibi 프로토콜을 능가하며, 오류 감쇠 속도도 더 빠르다.
• 고 SNR 영역에서 코딩 이득은 행렬 A0와 전력 할당 요소 π1, π2, π3를 최적화함으로써 최대화되며, |M|은 이전 프로토콜보다 더 높은 이득을 제공한다.
• 저 SNR 영역에서는 Tr(M′)의 최대화가 설계 기준을 지배하며, GNAF-I는 GNAF-III 및 Jing-Hassibi보다 더 뛰어난 성능을 보인다. 이는 소스 전송의 전체 활용 덕분이다.