[논문 리뷰] Iterative Turbo Receiver for LDPC-Coded MIMO Systems Based on Semi-definite Relaxation

Kun Wang, Zhi Ding|arXiv (Cornell University)|2018. 03. 15.

Advanced Wireless Communication Techniques참고 문헌 16인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 정규화된 최적화 문제를 통한 반복적 터보 수신기의 새로운 방법을 제안한다. 이 방법은 반복적 검출 최적화 과정에 직접적으로 전방 오류 정정(FEC) 코드를 통합하여 외부 정보 신뢰도를 향상시킨다. 주요 기여는 한 코드워드당 단 하나의 SDR 문제를 해결하는 간소화된 SDR 터보 수신기로, 이는 기존의 SDR 기반 방법에 비해 복잡도를 크게 감소시키면서도 거의 용량 성능에 도달한다.

ABSTRACT

In this work, we develop a new iterative turbo receiver for LDPC-coded multi-antenna systems based on semidefinite relaxation (SDR). For a classical turbo receiver, forward error correction (FEC) code is only used at decoder. Nonetheless, by taking advantage of FEC code in the detection stage, our proposed SDR detector can output extrinsic information with much improved reliability to the decoder. We also propose a simplified SDR turbo receiver that solves only one SDR problem per codeword instead of solving multiple SDR problems 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 in the sense that it is applicable to any list-based iterative receivers.

연구 동기 및 목표

• 반복적 터보 수신기를 개발하여 LDPC 코딩된 MIMO 시스템에서 검출 신뢰도를 향상시킨다.
• 한 코드워드당 해결하는 SDR 문제의 수를 최소화하여 SDR 기반 터보 수신기의 계산 복잡도를 감소시킨다.
• FEC 코드 제약 조건을 검출 단계에 통합하여 반복 디코딩을 위한 외부 정보 품질을 향상시킨다.
• 한 코드워드당 단 하나의 SDR 문제만 해결하는 고성능을 유지하는 간소화된 수신기를 설계한다.
• 제안된 방법이 기존의 SDR 기반 수신기보다 비트 오류율(BER)과 복잡도의 상호 보완 관계에서 뛰어난 성능을 보임을 입증한다.

제안 방법

• LDPC 코드 제약 조건을 검출 최적화 문제에 직접 통합하여 외부 정보의 신뢰도를 향상시키는 공동 SDR 검출기를 제안한다.
• 다항식 시간 복잡도와 유한 오차를 가진 최대우도(ML) 검출을 근사하기 위해 준형식 해석(SDR)을 사용한다.
• 첫 번째 반복에서만 공동 MAP-SDR 검출기를 실행하고, 이후 반복에서는 저복잡도 근사 방법을 사용하는 간소화된 터보 수신기를 도입한다.
• 추가적인 랜덤화 또는 비트 뒤집기 단계 없이 해밍 거리 기반 리스트 생성 방법을 사용하여 후보 기호를 생성한다.
• 반복적 터보 처리 프레임워크 내에서 SDR 검출기와 LDPC 디코더 간의 외부 정보 교환을 활용한다.
• 복소수 MIMO 신호 모델을 실수 영역에서 효율적으로 SDR 설정을 가능하게 하기 위해 실수 값 변환을 적용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 FEC 코드 제약 조건을 SDR 검출 과정에 통합하면 터보 수신기에서 외부 정보의 신뢰도가 향상되는가?
• RQ2 한 코드워드당 단 하나의 SDR 문제만 해결해도 거의 용량 성능을 유지하면서 복잡도를 크게 감소시킬 수 있는가?
• RQ3 제안된 간소화된 SDR 터보 수신기의 성능은 전체 리스트 및 다중 반복 SDR 기반 수신기와 비교해 어떻게 되는가?
• RQ4 제안된 공동 SDR 검출기는 랜덤화 또는 리스트 강화에 의존하는 기존의 SDR 기반 수신기보다 우수한가?
• RQ5 해밍 거리 및 클리핑 파라미터는 간소화된 수신기의 수렴성과 오류 성능에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 공동 MAP-SDR 터보 수신기는 저신호대역비(SNR) 영역에서 첫 번째 반복에서 전체 리스트 터보 수신기보다 더 우수한 BER 성능을 달성한다.
• 후속 반복에서 공동 MAP-SDR 수신기의 성능은 전체 리스트 수신기와 수렴함을 보여주며, 효과적인 반복 수렴이 이루어짐을 시사한다.
• 한 코드워드당 단 하나의 SDR 문제만 해결하는 간소화된 단일 공동 SDR 수신기는 다중 반복 SDR 수신기와 비교해 유사한 BER 성능을 달성한다.
• 제안된 단일 공동 SDR 수신기는 각 반복에서 SDR를 해결하는 'Mehran List SDR' 수신기보다 특히 BER = 1e-4 근처에서 뛰어난 성능을 보인다.
• 신뢰할 수 있는 초기 SDR 해를 사용함으로써 계산 복잡도를 크게 감소시키면서도 높은 신뢰도를 유지한다.
• 리스트 생성 과정에서 랜덤화 또는 비트 뒤집기 단계가 제거되어 검출 파이프라인의 단순화와 효율성 향상이 이루어진다.