[논문 리뷰] Decode-and-Forward Based Differential Modulation for Cooperative Communication System with Unitary and Non-Unitary Constellations

Manav R. Bhatnagar|arXiv (Cornell University)|2012. 04. 11.

Cooperative Communication and Network Coding참고 문헌 21인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 복소수 단위 및 비단위 성질을 가진 조합을 사용하는 차등 변조를 적용한 디코딩-프wd(DF) 협동 통신 시스템을 대상으로 최대우도(ML) 및 저복잡도(piecewise linear, PL) 디코더를 제안한다. PL 디코더는 ML 대비 상당히 감소된 복잡도로 전체 2차 다중성 이득을 달성하며, 수신단에서 채널 상태 정보(CSI)가 없더라도 신뢰할 수 있는 고속도 전송을 가능하게 한다.

ABSTRACT

In this paper, we derive a maximum likelihood (ML) decoder of the differential data in a decode-and-forward (DF) based cooperative communication system utilizing uncoded transmissions. This decoder is applicable to complex-valued unitary and non-unitary constellations suitable for differential modulation. The ML decoder helps in improving the diversity of the DF based differential cooperative system using an erroneous relaying node. We also derive a piecewise linear (PL) decoder of the differential data transmitted in the DF based cooperative system. The proposed PL decoder significantly reduces the decoding complexity as compared to the proposed ML decoder without any significant degradation in the receiver performance. Existing ML and PL decoders of the differentially modulated uncoded data in the DF based cooperative communication system are only applicable to binary modulated signals like binary phase shift keying (BPSK) and binary frequency shift keying (BFSK), whereas, the proposed decoders are applicable to complex-valued unitary and non-unitary constellations suitable for differential modulation under uncoded transmissions. We derive a closedform expression of the uncoded average symbol error rate (SER) of the proposed PL decoder with M-PSK constellation in a cooperative communication system with a single relay and one source-destination pair. An approximate average SER by ignoring higher order noise terms is also derived for this set-up. It is analytically shown on the basis of the derived approximate SER that the proposed PL decoder provides full diversity of second order. In addition, we also derive approximate SER of the differential DF system with multiple relays at asymptotically high signal-to-noise ratio of the source-relay links.

연구 동기 및 목표

• 고차원 복소수 조합을 사용하는 DF 기반 협동 시스템에서 차등 변조에 효과적인 디코더 부족 문제를 해결하기 위해.
• 높은 다중성 이득을 유지하면서도 차등 DF 협동 시스템의 디코딩 복잡도를 감소시키기 위해.
• 이전에 이진 변조 방식(예: BPSK, BFSK)에 국한되어 있던 기존의 ML 및 PL 디코더를 복소수 단위 및 비단위 조합으로 확장하기 위해.
• 제안된 PL 디코더에 대해 심볼 오류율(SER)의 폐쇄형 표현식을 유도하고 다중성 순서를 증명하기 위해.
• PL 디코더가 단일 리레이 및 다중 리레이 협동 시스템 모두에서 최대 가능한 다중성을 달성하는지 검증하기 위해.

제안 방법

• 비코드 전송 조건 하에서, 복소수 단위 및 비단위 조합을 사용하는 DF 기반 협동 시스템의 차등 데이터에 대해 최대우도(ML) 디코더를 유도한다.
• ML 디코더 대비 상당히 감소된 디코딩 복잡도를 달성하면서도 성능을 유지하는 조각별 선형(PL) 디코더를 제안한다.
• 도착지에서의 결정 통계량을 기술하기 위해 이차 가우시안 혼합 모델을 사용하여 오류 확률 표현식을 도출할 수 있도록 한다.
• 점근적 분석과 근사 기법을 적용하여 M-PSK 조합을 사용하는 PL 디코더의 평균 심볼 오류율(SER)에 대한 폐쇄형 표현식을 유도한다.
• 특수 함수인 불완전 감마 함수 및 관련 라거르 다항식을 사용하여 SER 항을 해석적으로 표현한다.
• 이론적 SER 표현식을 시뮬레이션을 통해 검증하고, 단일 리레이 및 다중 리레이 환경 모두에서 다중성 이득을 입증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 차등 변조를 사용하는 DF 기반 협동 시스템에서 복소수 단위 및 비단위 조합을 사용할 경우, 최대우도 디코더를 유도할 수 있는가?
• RQ2 이러한 시스템에서 계산 부담을 줄이면서도 높은 성능을 유지할 수 있는 저복잡도 PL 디코더를 설계할 수 있는가?
• RQ3 제안된 PL 디코더는 M-PSK 변조를 사용하는 단일 리레이 DF 협동 시스템에서 전체 2차 다중성을 달성하는가?
• RQ4 단일 리레이 환경에서 M-PSK 조합을 사용하는 PL 디코더의 근사 평균 심볼 오류율(SER)은 얼마인가?
• RQ5 원천-리레이 링크에서 고신호대역비(SNR) 조건에서 다중 리레이 DF 협동 시스템에서 PL 디코더가 최대 다중성을 달성하는가?

주요 결과

• 유도된 근사 SER 표현식을 통해 분석적으로 증명된 바와 같이, 제안된 PL 디코더는 M-PSK 조합을 사용하는 단일 리레이 DF 협동 시스템에서 전체 2차 다중성을 달성한다.
• M-PSK 조합을 사용하는 PL 디코더의 근사 SER는 폐쇄형으로 유도되었으며, 몬테카를로 시뮬레이션 없이도 성능 평가가 가능해졌다.
• PL 디코더는 성능 손실가능성이 극히 낮은 상태에서 ML 디코더 대비 상당히 감소된 디코딩 복잡도를 제공한다.
• 시뮬레이션 결과는 원천-리레이 링크에서 고신호대역비 조건에서 다중 리레이 DF 협동 시스템에서 PL 디코더가 최대 가능한 다중성 순서를 달성함을 확인한다.
• 유도된 SER 표현식은 정확하며 수치 결과를 통해 검증되었으며, 시뮬레이션 곡선과 밀도 있는 일치를 보였다.
• 제안된 디코더들은 DF 기반 협동 시스템에서 고차원 조합을 사용한 차등 변조의 적용 가능성을 확장하여 스펙트럼 효율성 향상을 가능하게 한다.