[논문 리뷰] An interleaver design for polar codes over slow fading channels

Saurabha Tavildar|arXiv (Cornell University)|2016. 10. 16.

Error Correcting Code Techniques참고 문헌 8인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 느린 fading 채널에서 성능을 향상시키기 위해 다양성 인터리버와 다양성 펄스 코드 설계를 제안한다. 이는 신뢰도가 높은 펄스화된 비트 채널의 비트 뒤집기 매핑을 기반으로 하며, 근사적으로 외상 성능(약 2 dB 이내)을 달성하고, 특히 블록 Rayleigh 및 주파수 히프팅 OFDM 환경에서 무작위 인터리버보다 뚜렷한 성능 향상을 이룬다.

ABSTRACT

We consider the problem of using polar codes over slow fading wireless channels. For design, we focus on a parallel slow fading channel with 2 blocks, and polar codes with rate <= 1/2. Motivated by Arikan's systematic polar code construction, we propose an interleaver design for a general polar code. The interleaver comprises of using the bit reversal of the order of polarized bit channels. This interleaver is called a diversity interleaver. In addition to the diversity interleaver, a diversity polar code is proposed to further increase the diversity gain. The proposed designs are evaluated via link simulations for AWGN and fading channels. The simulation results show a performance close to the outage probability (within 2 dB) and significant gains over using a random interleaver.

연구 동기 및 목표

• 배포 및 이동성에 따라 변하는 fading 분포를 고려한 느린 fading 무선 채널에서 펄스 코드 설계의 과제를 해결한다.
• 기존 인터리버(예: 무작위, 균일)의 한계를 극복하여, 블록 fading 환경에서 다양성 이득을 최대화하지 못하는 문제를 해결한다.
• 특정 fading 분포에 종속되지 않는 보편적인 코드 설계를 개발하며, 악성 페이드(심한 페이드) 상황에서 다양성 이득을 최대화하는 데 초점을 맞춘다.
• 심화 페이드가 발생하는 한 블록에서도 두 코드 서브셋이 순차적 취소 디코딩 하에 자가 디코딩 가능한 상태를 유지하도록 보장한다.
• 단일 강력한 펄스 코드 설계를 통해 다양한 무선 환경(AWGN, Rayleigh, OFDM)에서 성능을 향상시킨다.

제안 방법

• N/2개의 가장 신뢰도가 높은 펄스화된 비트 채널(집합 A)과 그 보완(Aᶜ)을 비트 뒤집기 매핑을 통해 인터리빙하여, B(A)를 블록 1으로, B(Aᶜ)를 블록 2로 전송한다.
• 정보 비트 집합 A를 제약 조건에 따라 설정함으로써 다양성 펄스 코드를 도입한다. 즉, 각 인덱스 i에 대해 i 또는 N+1−i 중 최대 하나만 정보 비트가 되도록 하며, 이때 |Aᶜ| = N+1−|A|를 만족한다.
• 비트 뒤집기 매핑 B를 사용하여 B(A)와 B(Aᶜ) 간의 대칭성을 확보하고, 순차적 취소 디코딩 하에 두 서브셋이 자가 디코딩 가능할 것이라 추측한다.
• BI-AWGN 채널을 대상으로 밀도 진동 기법을 활용해 펄스 코드를 설계하며, 성능을 다양한 fading 조건에서 유지하기 위해 다양성 제약 조건(식 1)을 통합한다.
• 세 가지 채널 모델에서 성능을 평가한다: AWGN, 블록 Rayleigh fading(2개 블록), LTE 노미널로지 적용된 주파수 히프팅 OFDM.
• 세 가지 인터리버(균일, 무작위, 제안된 다양성 인터리버)를 비교하며, 수신기에서 완벽한 CSI를 가정하고 BPSK 변조를 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 신뢰도가 높은 펄스화된 비트 채널의 비트 뒤집기 매핑 기반 체계적 인터리버 설계가 느린 fading 채널에서 다양성 이득을 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 제안된 다양성 인터리버가 순차적 취소 디코딩 하에 두 서브셋(B(A) 및 B(Aᶜ))이 모두 자가 디코딩 가능한 상태를 유지하는가?
• RQ3 식 (1)에 의해 제약된 다양성 펄스 코드 설계가 표준 펄스 코드 대비 페이딩 환경에서 성능을 얼마나 잘 유지하는가?
• RQ4 블록 Rayleigh 및 OFDM 페이딩 채널에서 제안된 설계가 무작위 및 균일 인터리버 대비 BLER 성능에서 얼마나 우수한가?
• RQ5 제안된 설계가 다양한 무선 배포 환경에서 외상 확률 한계에 근접한 성능을 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 다양성 펄스 코드에 다양성 인터리버를 적용한 경우, 블록 Rayleigh 페이딩 채널에서 외상 확률 한계에 약 2 dB 이내로 성능을 달성한다.
• N=1024 및 N=256일 때, 다양성 코드에 다양성 인터리버를 적용한 경우, Rayleigh 페이딩 환경에서 무작위 및 균일 인터리버를 사용한 AWGN 코드보다 우수한 성능을 보인다.
• AWGN 채널에서는 다양성 코드가 표준 AWGN 설계 펄스 코드와 거의 동일한 성능를 보이며, 다양성 제약 조건으로 인한 성능 손실이 최소한임을 시사한다.
• 블록 Rayleigh 페이딩 환경에서 다양성 인터리버는 무작위 인터리버 대비 뚜렷한 성능 향상을 제공하며, SNR가 높을수록 성능 향상이 커진다.
• 주파수 히프팅 OFDM 시스템(EPA-5, 1x2 MIMO)에서는 다양성 인터리버가 강력한 성능 유지를 보이나, 블록 Rayleigh 페이딩에 비해 성능 향상은 더 작다.
• 균일 인터리버는 모든 채널 모델에서 일관되게 가장 열 劣한 성능를 보이며, 페이딩 환경에서 구조적 인터리빙의 필요성을 확인한다.