[논문 리뷰] Coding for Two-User SISO and MIMO Multiple Access Channels

J. Harshan, B. Sundar Rajan|ArXiv.org|2009. 01. 01.

Advanced Wireless Communication Techniques참고 문헌 22인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 유한한 수의 볼테이션을 가진 두 사용자 SISO 및 MIMO 다중접근 채널(MAC)에 대해 기반으로 한 신호 전송 및 토레스 코딩 변조(TCM) 기법을 제안하며, 거의 최대의 합산 속도를 달성하고 최대우도(ML) 복호화 복잡도를 크게 감소시킨다. SISO MAC의 경우, 볼테이션 제약된(CC) 용량 영역을 최대화하기 위해 볼테이션 지표를 도입하고, 볼테이션된 M-PAM 쌍에 대해 Ungerboeck 레이블링이 합산 트렐리스 거리의 최소값을 최대화함을 증명한다. MIMO MAC의 경우, 실수 직교 설계(ROD)에서 유도된 공간-시간 블록 코드(STBC) 쌍을 설계하여 단일 기호 복호화가 가능하고 완벽한 간섭 제거를 실현하며, BER 시뮬레이션을 통해 기존 설계 대비 뛰어난 성능을 입증한다.

ABSTRACT

Constellation Constrained (CC) capacity regions of a two-user SISO Gaussian Multiple Access Channel (GMAC) with finite complex input alphabets and continuous output are computed in this paper. When both the users employ the same code alphabet, it is well known that an appropriate rotation between the alphabets provides unique decodability to the receiver. For such a set-up, a metric is proposed to compute the angle(s) of rotation between the alphabets such that the CC capacity region is maximally enlarged. Subsequently, code pairs based on Trellis Coded Modulation (TCM) are designed for the two-user GMAC with $M$-PSK and $M$-PAM alphabet pairs for arbitrary values of $M$ and it is proved that, for certain angles of rotation, Ungerboeck labelling on the trellis of each user maximizes the guaranteed squared Euclidean distance of the extit{sum trellis}. Hence, such a labelling scheme can be used systematically to construct trellis code pairs for a two-user GMAC to achieve sum rates close to the sum capacity of the channel. More importantly, it is shown for the first time that ML decoding complexity at the destination is significantly reduced when $M$-PAM alphabet pairs are employed with extit{almost} no loss in the sum capacity. \indent A two-user Multiple Input Multiple Output (MIMO) fading MAC with $N_{t}$ antennas at both the users and a single antenna at the destination has also been considered with the assumption that the destination has the perfect knowledge of channel state information and the two users have the perfect knowledge of only the phase components of their channels. For such a set-up, two distinct classes of Space Time Block Code (STBC) pairs derived from the well known class of real orthogonal designs are proposed such that the STBC pairs are information lossless and have low ML decoding complexity.

연구 동기 및 목표

• 유한한 복소 입력 알파벳과 연속적인 출력을 가진 두 사용자 SISO 가우시안 MAC의 볼테이션 제약된(CC) 용량 영역을 계산하는 것.
• M-PSK 및 M-PAM 입력 알파벳에 대해 CC 합산 용량에 가까운 합산 속도를 달성하는 TCM 기반 코드 쌍을 설계하는 것.
• 두 사용자 SISO 및 MIMO MAC에서 수신기의 최대우도(ML) 복호화 복잡도를 알파벳 회전 및 신호 집합 설계를 통해 감소시키는 것.
• 단일 안테나 수신기와 완벽한 위상-CSI를 가진 두 사용자 MIMO fading MAC에 대해 단일 기호 복호화를 가능하게 하는 STBC 쌍을 제안하는 것.
• 제안된 기법의 이론적 및 시뮬레이션 기반 성능 향상을 CC 용량, 코딩 이득 및 BER 측면에서 확립하는 것.

제안 방법

• SISO MAC에서 두 사용자 간 동일한 신호 집합(예: M-PSK 또는 M-PAM) 간 최적의 회전 각도를 계산하기 위한 지표를 제안하여 CC 용량 영역을 최대화한다.
• 트렐리스에 Ungerboeck 분할을 적용한 TCM 기반 코드 쌍을 설계하고, 특정 회전 각도에서 합산 트렐리스의 최소 제곱 유클리드 거리가 최대화됨을 증명한다.
• 회전된 볼테이션을 가진 M-PAM 신호 집합을 사용하여, 복소 볼테이션 대비 상당히 감소된 ML 복호화 복잡도로 거의 CC 용량을 달성한다.
• 각 사용자당 Nt개의 안테나와 단일 안테나 수신기를 가진 두 사용자 MIMO MAC에 대해 실수 직교 설계(ROD)에서 유도된 두 종류의 STBC 쌍을 제안한다.
• 실수 기호 각각이 R에서 독립적으로 복호 가능하도록 STBC 쌍을 설계하여 단일 기호 ML 복호화를 가능하게 하고, 상호 사용자 간섭을 제거한다.
• Nt = 2 및 Nt = 4인 레이일리 fading 채널에서 BER 시뮬레이션을 통해 제안된 STBC 쌍의 성능을 검증하며, ROD 기반 및 SOD 기반 설계를 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 두 사용자 간 동일한 볼테이션 집합이 있는 SISO MAC에서 볼테이션 제약된(CC) 용량 영역을 최대화하기 위해 최적의 회전 각도는 무엇인가?
• RQ2 회전된 M-PAM 볼테이션을 가진 사용자들의 트렐리스에 Ungerboeck 레이블링을 적용하면, 합산 트렐리스의 최소 제곱 유클리드 거리가 최대화되어 코딩 이득이 향상되는가?
• RQ3 복소 볼테이션 대비 M-PAM을 사용할 경우, 합산 용량에 손실 없이 SISO MAC에서 ML 복호화 복잡도가 얼마나 감소하는가?
• RQ4 사용자 측에 위상-CSI가 있고 수신기 측에 완벽한 위상-CSI가 있는 두 사용자 MIMO MAC에 대해 실수 직교 설계(ROD)에서 유도된 STBC 쌍을 구성하여 단일 기호 복호화를 가능하게 할 수 있는가?
• RQ5 ROD 기반 STBC 쌍의 BER 성능은 SOD 기반 STBC 쌍과 비교해 어떤가? 코딩 이득 및 복호화 복잡도 측면에서 설명하라.

주요 결과

• 제안된 회전 지표는 동일한 M-PSK 및 M-PAM 볼테이션을 가진 두 사용자 SISO MAC에서 CC 용량 영역을 최대화하는 데 성공적으로 각도를 식별한다.
• 최적의 회전 각도를 가진 M-PAM 알파벳 쌍의 경우, 개별 트렐리스에 Ungerboeck 레이블링을 적용하면 합산 트렐리스의 보장된 최소 제곱 유클리드 거리가 최대화되어 강력한 오류 성능을 보장한다.
• 적절한 회전 각도를 가진 M-PAM 신호 집합을 사용하면, 복소 볼테이션 대비 수신기에서 ML 복호화 복잡도가 최대 4배까지 감소하며, 합산 용량 손실은 거의 없어진다.
• 실수 직교 설계(ROD)에서 유도된 STBC 쌍은 두 사용자 MIMO MAC에서 양측 모두에 대해 단일 기호 최대우도 복호화를 가능하게 하여 최대 다양성도를 달성하고 상호 사용자 간섭을 완전히 제거한다.
• BER 시뮬레이션 결과, ROD 기반 STBC 쌍은 Nt=2 및 Nt=4 모두에서 SOD 기반 STBC 쌍보다 뛰어난 성능을 보이며, 이는 독립적인 실수 기호 복호화와 간섭의 부재로 인한 것이다.
• 제안된 기법들은 특히 최적의 회전 각도와 Ungerboeck 레이블링을 사용할 경우, 채널의 이론적 CC 합산 용량에 매우 가까운 합산 속도를 달성한다.