[논문 리뷰] Minimum Mean-Squared Error Iterative Successive Parallel Arbitrated Decision Feedback Detectors for DS-CDMA Systems

Rodrigo C. de Lamare, Raimundo Sampaio‐Neto|White Rose Research Online (University of Leeds, The University of Sheffield, University of York)|2012. 05. 20.

Wireless Communication Networks Research참고 문헌 19인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 오차 전파를 줄이기 위해 순차 간섭 제거와 병렬 조정 지점들을 결합한 새로운 최소 제곱 오차(MMSE) 반복적 순차 평행 조정 피드백(SPA-DF) 검출기를 디지털 시퀀스-코드 division multiple access(DS-CDMA) 시스템에 제안한다. 이 방법은 부분 최적의 사용자 순서 결정 알고리즘과 반복적 연결 단계를 통해 낮은 복잡도로 최적에 가까운 성능를 달성하여 선형 및 전통적인 피드백 검출기 대비 스펙트럼 효율성과 비트 오류율 성능을 크게 향상시킨다.

ABSTRACT

In this paper we propose minimum mean squared error (MMSE) iterative successive parallel arbitrated decision feedback (DF) receivers for direct sequence code division multiple access (DS-CDMA) systems. We describe the MMSE design criterion for DF multiuser detectors along with successive, parallel and iterative interference cancellation structures. A novel efficient DF structure that employs successive cancellation with parallel arbitrated branches and a near-optimal low complexity user ordering algorithm are presented. The proposed DF receiver structure and the ordering algorithm are then combined with iterative cascaded DF stages for mitigating the deleterious effects of error propagation for convolutionally encoded systems with both Viterbi and turbo decoding as well as for uncoded schemes. We mathematically study the relations between the MMSE achieved by the analyzed DF structures, including the novel scheme, with imperfect and perfect feedback. Simulation results for an uplink scenario assess the new iterative DF detectors against linear receivers and evaluate the effects of error propagation of the new cancellation methods against existing ones.

연구 동기 및 목표

• DS-CDMA 시스템에서 기존 결정 피드백(DF) 검출기의 높은 오차 전파와 성능 저하 문제를 해결하기 위해.
• 순차 DF(S-DF) 검출기에서 최적의 사용자 순서 결정의 계산 복잡도가 K!에 비례하여 큰 K에 대해 실용적이지 않기 때문에 이를 감소시키기 위해.
• 다양한 제거 순서를 동시에 평가함으로써 다양성과 신뢰성을 향상시키는 새로운 병렬 조정 피드백 구조( SPA-DF)를 설계하기 위해.
• 반복적 연결된 DF 단계와 SPA-DF 구조를 통합하여 코딩 및 비코딩 시스템 모두에서 성능 향상을 도모하기 위해.
• 업링크 DS-CDMA 환경에서 선형 수신기와 기존 DF 검출기 대비 제안된 방법의 성능 향상을 평가하기 위해.

제안 방법

• SPA-DF 검출기는 각기 다른 사용자 제거 순서를 갖는 다수의 병렬 순차 간섭 제거 브랜치를 사용하여 각 사용자에 대한 후보 심볼 추정치를 생성한다.
• 최종 결정은 병렬 브랜치들 중 평균 제곱 오차(MMSE)가 가장 작은 추정치를 선택함으로써 이루어지며, 이는 MMSE 기준을 따르며 다음과 같이 표현된다: $ J_{MMSE} \approx \arg\min_{1 \leq l \leq L} (MSE_{U_l}) $.
• 완전한 탐색의 $ K! $ 복잡도를 피하기 위해 유망한 제거 순서를 효율적으로 선택하는 부분 최적의 사용자 순서 결정 알고리즘을 제안한다.
• SPA-DF 구조는 반복적 연결된 DF 단계와 결합되며, 각 단계에서 S-DF, P-DF 또는 SPA-DF를 사용하여 심볼 추정치를 개선함으로써 오차 전파를 완화한다.
• MMSE 설계 기준을 적용하여 피드포워드 필터 $ \mathbf{w}_k = \mathbf{R}^{-1}_{U_l} \mathbf{p}_k $ 를 유도하여 각 사용자에 대한 오차 전력을 최소화한다.
• 바이너리 콘volution형 인코딩 시스템에 확장하여 비터비 및 터보 디코딩을 통합하고, 성능 향상을 위한 소프트 출력 검출을 통합한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 DS-CDMA 시스템에서 기존의 P-DF 및 S-DF 검출기와 비교해 병렬 조정 피드백 구조가 오차 전파를 줄일 수 있는가?
• RQ2 완전한 $ K! $ 순서 결정을 사용한 최적의 S-DF와 비교해 제안된 SPA-DF 검출기의 MMSE 및 비트 오류율 성능은 어떠한가?
• RQ3 반복적 연결된 DF 단계는 오차 전파와 전체 시스템의 스펙트럼 효율성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 저복잡도 사용자 순서 결정 알고리즘이 $ K! $ 계산 부담 없이 SPA-DF 검출기에서 최적에 가까운 성능를 달성할 수 있는가?
• RQ5 제안된 검출기는 비코딩 및 콘volution형 인코딩 시스템(비터비 및 터보 디코딩 포함)에서 어떻게 성능를 발휘하는가?

주요 결과

• 부분 최적의 사용자 순서 결정 알고리즘을 사용한 SPA-DF 검출기는 완전한 $ K! $ 순서 결정을 사용한 최적의 S-DF 검출기와 비해 0.5 dB 이내의 비트 오류율(BER) 성능를 달성한다.
• 제안된 SPA-DF 구조는 특히 고부하 환경에서 기존의 P-DF 검출기보다 오차 전파를 줄였다.
• 반복적 연결된 DF 단계는 다중 검출 단계를 거쳐 심볼 추정치를 개선함으로써 성능 향상에 크게 기여한다.
• SPA-DF 검출기의 MMSE는 표준 S-DF의 것보다 상한선을 가지고 있으며, 공분산 행렬 $ \mathbf{R}_{U_l} $ 내에서 탐지되지 않은 사용자 수에 비례한다.
• 콘volution형 인코딩 시스템에서는 SPA-DF를 터보 디코딩과 통합함으로써 비터비 디코딩 및 선형 수신기 대비 상당한 성능 향상을 달성한다.
• 제안된 방법은 고신호 대 잡음비 및 고부하 DS-CDMA 업링크 환경에서 최적에 가까운 스펙트럼 효율성을 달성하며, 선형 검출기보다 뛰어난 성능를 발휘한다.