[논문 리뷰] Low Complexity Decoding for Punctured Trellis-Coded Modulation Over Intersymbol Interference Channels

Fabian Schuh, Johannes B. Huber|arXiv (Cornell University)|2013. 12. 05.

Error Correcting Code Techniques참고 문헌 9인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 훈련된 코딩 패턴의 흐름을 통해 형성된 시간에 따라 변하는 트렐리스에 감소된 상태 추정(RSSE)을 통합함으로써, 부호화된 트렐리스 코딩 변조(TCM)를 인터심볼 간섭(ISI) 채널에서 저복잡도로 복호화하는 기법을 제안한다. 이 방법은 상태 분할과 지연된 결정 피드백을 활용하여 복잡도를 크게 줄이며, TCM 시스템에서 비정수 전송 속도를 유연하게 구현함으로써 거의 최적의 성능를 달성한다.

ABSTRACT

Classical trellis-coded modulation (TCM) as introduced by Ungerboeck in 1976/1983 uses a signal constellation of twice the cardinality compared to an uncoded transmission with one bit of redundancy per PAM symbol, i.e., application of codes with rates $\frac{n-1}{n}$ when $2^{n}$ denotes the cardinality of the signal constellation. The original approach therefore only comprises integer transmission rates, i.e., $R=\left\{ 2,\,3,\,4\,\ldots ight\}$, additionally, when transmitting over an intersymbol interference (ISI) channel an optimum decoding scheme would perform equalization and decoding of the channel code jointly. In this paper, we allow rate adjustment for TCM by means of puncturing the convolutional code (CC) on which a TCM scheme is based on. In this case a nontrivial mapping of the output symbols of the CC to signal points results in a time-variant trellis. We propose an efficient technique to integrate an ISI-channel into this trellis and show that the computational complexity can be significantly reduced by means of a reduced state sequence estimation (RSSE) algorithm for time-variant trellises.

연구 동기 및 목표

• 펄스 코딩된 컨volution 코딩을 사용하여 TCM에서 비정수 전송 속도를 가능하게 하기 위해.
• ISI 채널에서 복합적인 균형 조정과 복호화를 저복잡도로 해결하기 위해.
• 펄스 코딩된 TCM에서 유래된 시간에 따라 변하는 트렐리스에 감소된 상태 추정(RSSE)을 통합한 효율적인 복호화 알고리즘을 설계하기 위해.
• 실제 구현에 적합한 낮은 복잡도를 유지하면서도, 공동 균형 조정과 복호화에 가까운 성능를 달성하기 위해.

제안 방법

• 스펙트럼 효율성을 조절하고 TCM에서 비정수 속도를 가능하게 하기 위해 컨volution 코딩(CC)의 펄스링을 사용한다.
• 비균일한 코드 출력에서 신호점으로의 매핑으로 인해 펄스링된 CC는 시간에 따라 변하는 트렐리스를 생성한다.
• 상태 공간과 계산 부담을 줄이기 위해 시간에 따라 변하는 트렐리스에 감소된 상태 추정(RSSE)을 적용한다.
• ISI 환경에서 오류 성능을 향상시키기 위해 지연된 결정 피드백 추정(DDFSE) 구조를 통합한다.
• 오류율을 최소화하면서도 낮은 복잡도를 유지하기 위해 상태 설계와 상태 분할을 최적화한다.
• 채널 균형 조정과 복호화를 별도의 단계 없이 단일 트렐리스 기반 프레임워크에서 통합한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 ISI 채널에서 비정수 전송 속도를 위한 펄스링된 컨volution 코딩을 TCM에 효과적으로 통합하는 방법은 무엇인가?
• RQ2 ISI 채널에서 TCM의 경우 시간에 따라 변하는 트렐리스 구조가 복호화 복잡도와 성능에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ3 감소된 상태 추정(RSSE)이 시간에 따라 변하는 트렐리스에 적응하여 저복잡도 복호화와 거의 최적의 성능를 달성할 수 있는가?
• RQ4 제안된 방법은 복잡도와 비트 오류율(BER) 성능 측면에서 공동 균형 조정과 복호화와 비교해 어떻게 성능를 내는가?
• RQ5 ISI 채널에서 펄스링된 TCM에서 복잡도를 최소화하면서도 오류율 성능를 유지하기 위한 상태 설계 및 분할 전략은 무엇인가?

주요 결과

• 제안된 RSSE 기반 복호화는 전체 비터비 복호화에 비해 상당히 낮은 계산 복잡도로 거의 최적의 성능를 달성한다.
• 펄스링으로 인한 시간에 따라 변하는 트렐리스 구조는 2.5 또는 3.5 비트/기호와 같은 정수 이외의 전송 속도를 가능하게 하여 전송 유연성을 제공한다.
• RSSE 프레임워크에 지연된 결정 피드백을 통합함으로써 오류 성능이 향상되며, 특히 고강도 ISI 환경에서 뚜렷한 개선 효과가 있다.
• 상태 분할과 최적화된 상태 설계로 인해 트렐리스에서 필요한 상태 수가 감소하여 복호화 복잡도가 크게 감소한다.
• 수치적 결과는 제안된 방법이 중간에서 높은 신호 대 잡음비(SNR)에서 공동 균형 조정과 복호화에 비해 1 dB 이내의 BER 성능를 확보함을 보여준다.
• 이 방법은 높은 스펙트럼 효율성과 낮은 지연을 요구하는 대역폭 제약이 있는 시스템에서 실용적인 구현에 적합하다.