[논문 리뷰] Integrated Semi-definite Relaxation Receiver for LDPC-Coded MIMO Systems

Kun Wang, Zhi Ding|arXiv (Cornell University)|2018. 06. 12.

Advanced Wireless Communication Techniques참고 문헌 26인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 LDPC 코딩된 MIMO 시스템을 위한 통합된 준정방형 회귀(정규화된 SDR) 수신기를 제안하며, 터보 처리를 통해 코딩 제약 조건과 소프트 정보를 동시에 활용한다. 코딩 제약 조건을 SDR 검출 공식에 통합하고, 반복적인 외부 정보 교환을 수행하는 MAP-SDR 검출기를 사용함으로써, 전체 목록 기반 SDR 터보 수신기 대비 상당히 감소된 복잡도로 근접-ML 성능을 달성한다. 한편 단일 SDR 버전은 런타임을 극적으로 낮추면서도 near-optimal 성능을 유지한다.

ABSTRACT

Semi-definite relaxation (SDR) detector has been demonstrated to be successful in approaching maximum likelihood (ML) performance while the time complexity is only polynomial. We propose a new receiver jointly utilizing the forward error correction (FEC) code information in the SDR detection process. Strengthened by code constraints, the joint SDR detector substantially improves the overall receiver performance. For further performance boost, the ML-SDR detector is adapted to MAP-SDR detector by incorporating a priori information in the cost function. Under turbo principle, MAP-SDR detector takes in soft information from decoder and outputs extrinsic information with much improved reliability. We also propose a simplified SDR turbo receiver that solves only one SDR per codeword instead of solving multiple SDRs in the iterative turbo processing. This scheme significantly reduces the time complexity of SDR turbo receiver, while the error performance remains similar as before. In fact, our simplified scheme is generic and it can be applied to any list-based iterative receivers.

연구 동기 및 목표

• MIMO 시스템에서 최대우도(ML) 검출의 높은 계산 복잡도 문제를 해결하면서도 근사 최적 성능를 유지하고자 한다.
• 정방향 오류정정(FEC) 코딩 제약 조건을 직접 검출 최적화 문제에 통합하여 SDR 검출 성능을 향상시키고자 한다.
• 각 코드워드당 첫 번째 반복에서 한 번의 SDR만 해결함으로써 반복적 SDR 터보 수신기의 시간 복잡도를 감소시키고자 한다.
• 후속 반복에서 외부 정보 생성을 위한 일반화된 저복잡도 근사 기법을 개발하여 성능를 유지하고자 한다.
• 공통 코딩-SDR 검출이 기존의 SDR 및 목록 기반 터보 수신기보다 비트 오류율(BER)과 계산 효율성 측면에서 뛰어난 성능을 보임을 입증하고자 한다.

제안 방법

• LDPC 코딩 제약 조건을 SDR 검출 문제에 통합하여 공동 ML-SDR 검출기를 구성함으로써, 코딩 구조를 활용하여 검출 신뢰도를 향상시킨다.
• 비용 함수에 사전 정보를 통합함으로써 ML-SDR 검출기를 MAP-SDR 검출기로 변형하여 소프트 인풋-소프트 아웃 처리를 가능하게 한다.
• 터보 처리 프레임워크를 적용하여, MAP-SDR 검출기가 디코더로부터 소프트 입력을 받고 반복적 정밀도 향상을 위한 외부 정보를 출력한다.
• 첫 번째 반복에서 각 코드워드당 한 번의 SDR만 해결하는 단순화된 SDR 터보 수신기를 제안하며, 후속 반복에서는 저복잡도 근사 기법을 사용하여 외부 정보를 생성한다.
• 기본 SDR 행렬 해의 마지막 열을 심볼 추정치로 사용하여 무작위화 또는 랭크-1 근사 기법을 피한다.
• 초기 로그-우도비(LLR)와 디코더 피드백 LLR를 기반으로 한 하미ング 반경 기반 목록 생성 방법을 적용하여 최소한의 계산으로 성능를 유지한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 FEC 코딩 제약 조건을 SDR 검출에 통합함으로써 MIMO 시스템의 비트 오류율(BER) 성능을 상당히 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 전체 목록 기반 SDR 터보 수신기 대비 공동 MAP-SDR 검출기의 BER 및 복잡도 측면에서 성능는 어떻게 비교되는가?
• RQ3 각 코드워드당 한 번의 SDR만 해결하는 단순화된 SDR 터보 수신기가 전체 목록 방법에 근접한 성능를 달성하면서도 런타임을 극적으로 줄일 수 있는가?
• RQ4 제안된 외부 정보 근사 기법은 다양한 목록 기반 반복적 MIMO 수신기에서 일반화되고 효과적인가?
• RQ5 반복 처리에서 각 코드워드당 하나의 SDR를 사용하는 것과 다수의 SDR를 사용하는 것 사이의 성능와 복잡도 간의 트레이드오프는 어떠한가?

주요 결과

• 코딩 제약 조건을 통합한 공동 ML-SDR 검출기는 코드 통합 없이 기존 SDR 검출기보다 상당히 향상된 BER 성능를 달성한다.
• 공동 MAP-SDR 터보 수신기는 전체 목록 기반 SDR 터보 수신기와 동등한 성능를 보이며, 상당히 낮은 시간 복잡도를 갖는다.
• 단순화된 단일 공동 SDR 터보 수신기는 특히 고 SNR 영역에서 전체 목록 방법과 거의 동일한 BER 성능를 유지하며, 런타임이 크게 감소한다.
• (256,128) LDPC 코딩된 MIMO 시스템에서 제안된 단일 SDR 수신기는 Mehran의 목록 기반 SDR 방법 대비 평균 런타임을 50% 이상 감소시키며, 성능 손실는 최소한이다.
• BER ≈ 1e-4에서 제안된 공동 SDR 수신기는 Mehran의 목록 및 단일 SDR 수신기보다 성능가 뛰어나 오류 평면 영역에서 명확한 성능 우월성을 입증한다.
• EXIT 차트 분석을 통해 공동 MAP-SDR 수신기는 낮은 사전 상호정보량에서 전체 목록 방법보다 더 높은 외부 상호정보량을 생성함을 확인하였으며, 이는 초기 반복에서 더 빠른 수렴을 의미한다.