[논문 리뷰] Joint Network and LDPC Coding for Bi-directional Relaying

Xiaofu Wu, Weijun Zeng외 2명|arXiv (Cornell University)|2011. 05. 12.

Cooperative Communication and Network Coding참고 문헌 7인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 실수 및 복소 다중접속 채널에서 노이즈 제거 및 전달 방식을 사용한 이중 방향 릴레이 전송을 위한 공동 네트워크 및 LDPC 코딩 방식을 제안하며, XOR 코딩된 코드워드에 대한 폐쇄형 최대우도비(Log-likelihood ratio, LLR) 표현식을 유도한다. 이는 릴레이가 등가 비대칭 채널을 관측함으로써 단일 사용자 디코딩 방법에 비해 성능 향상을 이룰 수 있음을 보여준다.

ABSTRACT

In this paper, we consider joint network and LDPC coding for practically implementing the denosie-and-forward protocol over bi-directional relaying. the closed-form expressions for computing the log-likelihood ratios of the network-coded codewords have been derived for both real and complex multiple-access channels. It is revealed that the equivalent channel observed at the relay is an asymmetrical channel, where the channel input is the XOR form of the two source nodes.

연구 동기 및 목표

• 이중 방향 릴레이 시스템에서 네트워크 코딩과 채널 코딩을 통합하는 데 있어 실용적 구현 과제를 해결한다.
• 릴레이에서 단일 사용자 디코딩의 한계를 극복하기 위해 XOR 코딩된 코드워드의 공동 디코딩을 가능하게 한다.
• 실수 및 복소 다중접속 fading 채널에서 네트워크 코딩된 코드워드에 대한 분석적 LLR 표현식을 유도한다.
• XOR 연산으로 인해 릴레이에서 관측하는 등가 채널을 비대칭 기억이 없는 채널로 특성화한다.
• 유도된 등가 채널 모델을 기반으로 LDPC 코드와 반복적 디코딩을 사용한 시뮬레이션을 통해 성능 향상을 입증한다.

제안 방법

• 두 소스의 겹쳐진 신호를 이용하여 릴레이에서 네트워크 코딩된 코드워드의 로그우도비(Log-likelihood ratio, LLR)에 대한 폐쇄형 표현식을 유도한다.
• 릴레이의 등가 채널을 입력이 두 소스 코드워드의 XOR인 기억이 없는 비대칭 채널로 모델링한다.
• 복소 채널 이득과 노이즈 분산을 바탕으로 조건부 확률 밀도 함수를 이용해 등가 채널을 수립한다.
• 성능 손실 최소화로 효율적인 LDPC 디코딩을 위해 스케일링 인자가 0.85인 정규화된 최소합 알고리즘(NMSA)을 활용한다.
• 시뮬레이션을 위해 길이 4096인 (3,6)-정규 LDPC 코드를 점진적 에지 성장 알고리즘을 사용해 구성한다.
• 부호 검사 행렬의 Tanner 그래프를 기반으로 반복적 디코딩을 수행하여 릴레이에서 XOR 코드워드를 추정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 노이즈 제거 및 전달 방식을 사용하는 이중 방향 릴레이 전송에서 효율적 디코딩을 가능하게 하기 위해 공동 네트워크 및 LDPC 코딩은 어떻게 설계할 수 있는가?
• RQ2 복소 다중접속 채널에서 LDPC 코딩된 신호에 네트워크 코딩을 적용했을 때, 릴레이에서 관측하는 등가 채널 모델은 무엇인가?
• RQ3 채널 이득과 위상 오프셋은 등가 릴레이 채널의 비대칭성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 복소 fading과 가우시안 복합 노이즈가 존재하는 조건에서 XOR 코딩된 코드워드에 대한 폐쇄형 LLR 표현식을 도출할 수 있는가?
• RQ5 릴레이에서 공동 디코딩을 통해 단일 사용자 디코딩 대비 어떤 성능 향상이 달성될 수 있는가?

주요 결과

• 두 소스의 코드워드에 XOR 연산을 적용함으로써 릴레이에서 관측하는 등가 채널은 비대칭 기억이 없는 채널이다.
• 실수 및 복소 다중접속 채널 모두에 대해 폐쇄형 LLR 표현식을 도출하여 효율적인 소프트 인풋 디코딩을 가능하게 한다.
• XOR 코드워드의 LLR는 수신 신호, 채널 계수, 노이즈 분산의 함수로 표현되며, 실수부와 쌍곡 cosine 항을 포함한 특수한 형태를 가진다.
• 시뮬레이션 결과, 제안된 공동 코딩 방식이 단일 사용자 디코딩 방식보다 유의미하게 뛰어난 성능을 보이며, 특히 위상 오프셋이 존재할 경우 두드러진 성능 향상을 보인다.
• (3,6)-정규 LDPC 코드가 비대칭 채널에 최적화되지 않았음에도 불구하고, 공동 방식은 양호한 비트 오류율(Bit Error Rate, BER) 성능을 달성한다.
• 스케일링 인자가 0.85인 정규화된 최소합 알고리즘을 통해 빠른 수렴이 가능하며, 시뮬레이션에서 성능 저하가 거의 없이 구현된다.