[논문 리뷰] Low Complexity Iterative Receiver Design for Sparse Code Multiple Access

Fan Wei, Wen Chen|arXiv (Cornell University)|2020. 02. 27.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 35인용 수 109

한 줄 요약

이 논문은 MPA 복잡도를 낮추기 위해 SCMA에 대한 저복잡도 리스트 구면 디코딩(LSD) 기반의 반복 다중 사용자 검출기를 제안하여 성능 손실은 무시할 정도로 줄인다.

ABSTRACT

Sparse code multiple access (SCMA) is one of the most promising methods among all the non-orthogonal multiple access techniques in the future 5G communication. Compared with some other non-orthogonal multiple access techniques such as low density signature (LDS), SCMA can achieve better performance due to the shaping gain of the SCMA codewords. However, despite of the sparsity of the codewords, the decoding complexity of the current message passing algorithm (MPA) utilized by SCMA is still prohibitively high. In this paper, by exploring the lattice structure of SCMA codewords, we propose a low complexity decoding algorithm based on list sphere decoding (LSD). The LSD avoids the exhaustive search for all possible hypotheses and only considers signal within a hypersphere. As LSD can be viewed a depth-first tree search algorithm, we further propose several methods to prune the redundancy visited nodes in order to reduce the size of the search tree. Simulation results show that the proposed algorithm can reduce the decoding complexity substantially while the performance loss compared with the existing algorithm is negligible.

연구 동기 및 목표

• SCMA를 5G 및 그 이후를 위한 유망한 비정직교 다중접속 기술로 주목한다.
• SCMA 코드워드의 격자 구조를 활용하여 디코딩 복잡도를 줄인다.
• 노드 프루닝이 포함된 LSD 기반 MPA 검출기를 개발하여 탐색 공간을 축소한다.
• LSD를 반복 검출 및 디코딩에 통합하여 BER 성능을 향상시킨다.
• 시뮬레이션을 통해 복잡도 감소와 성능 손실 사이의 트레이드오프를 평가한다.

제안 방법

• 상향 SCMA 시스템 및 그 팩터 그래프 표현을 모델링한다.
• SCMA 코드워드를 희소한 다차원 격자점으로 형식화한다.
• 각 서브캐리어에 대해 하이퍼스피어 내에서 깊이 우선 탐색을 수행하기 위해 리스트 구면 디코딩(LSD)을 적용한다.
• 노드 프루닝과 QM/Schnorr-Euchner(SE) 열거 전략을 도입하여 탐색 복잡도를 줄인다.
• 일관된 LSD 적용을 가능하게 하기 위해 M-PAM 신호를 이진 시퀀스로 분해한다.
• extrinsic LLR를 계산하기 위해 LSD를 MPA 내에 리스트 기반 근사로 통합한다.
• LSD 기반 MPA 검출을 위한 알고리즘(Algorithm 1)을 제공하고 복잡도/매개변수 T_max의 트레이드오프를 논의한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 리스트 구면 디코딩(LSD) 기반 검출기가 기존의 MPA에 비해 SCMA 디코딩 복잡도를 크게 줄이면서 성능을 유지할 수 있는가?
• RQ2 SCMA에 대해 격자 구조와 노드 프루닝을 활용하여 LSD의 검색 트리를 어떻게 가지치기할 수 있는가?
• RQ3 LSD를 반복 검출 및 디코딩과 통합하는 것이 SCMA의 BER 성능에 어떤 영향을 주는가?
• RQ4 SCMA 코드워드를 효율적으로 LSD로 처리하기 위해 상수 모듈러스 및 PAM 표현을 어떻게 다루어야 하는가?

주요 결과

• LSD 기반 검출기가 표준 MPA에 비해 성능 저하가 거의 없이 디코딩 복잡도를 크게 감소시킨다.
• 구면 디코딩은 각 서브캐리어의 충돌 사용자들에 대한 격자 탐색 문제로 재구성하여 SCMA에 적응된다.
• 노드 프루닝, SE 열거 및 반경 기반 후보 목록(T_max)이 정확도를 유지하면서 복잡도를 제어한다.
• M-PAM을 BPSK 구성 요소로 분해하면 SCMA 코드워드에 대해 일관된 LSD 작동이 가능하다.
• 알고리즘은 반복 검출 및 디코딩 프레임워크에서 MPA와 LSD를 통합하여 Extrinsic LLR를 계산한다.
• 시뮬레이션 결과는 BER 저하 없이 MPA 대비 현저한 복잡도 감소를 보여준다.