[논문 리뷰] Near Capacity Approaching for Large MIMO Systems by Non-Binary LDPC Codes with MMSE Detection

Puripong Suthisopapan, Kenta Kasai외 2명|arXiv (Cornell University)|2012. 03. 05.

Advanced Wireless Communication Techniques참고 문헌 30인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 저복잡도 MMSE 검출을 갖춘 비이진 LDPC 코딩 대규모 MIMO 시스템을 제안하여 근접-용량 성능을 달성한다. GF(2^8)에서의 중간 길이 비이진 LDPC 코딩과 소프트아웃풋 MMSE 검출을 활용함으로써, 16-QAM을 사용하는 600×600 MIMO 시스템에서 이론적 MIMO 용량과 3.4 dB 이내의 비트 오류율을 달성하였으며, 기존 터보코딩 및 이진 LDPC 코딩 시스템보다 6 dB 이상의 SNR 이득을 확보하였다.

ABSTRACT

In this paper, we have investigated the application of non-binary LDPC codes to spatial multiplexing MIMO systems with a large number of low power antennas. We demonstrate that such large MIMO systems incorporating with low-complexity MMSE detector and non-binary LDPC codes can achieve low probability of bit error at near MIMO capacity. The new proposed non-binary LDPC coded system also performs better than other coded large MIMO systems known in the present literature. For instance, non-binary LDPC coded BPSK-MIMO system with 600 transmit/receive antennas performs within 3.4 dB from the capacity while the best known turbo coded system operates about 9.4 dB away from the capacity. Based on the simulation results provided in this paper, the proposed non-binary LDPC coded large MIMO system is capable of supporting ultra high spectral efficiency at low bit error rate.

연구 동기 및 목표

• 코딩된 대규모 MIMO 시스템과 이론적 MIMO 용량 사이의 성능 격차를 해소하기 위해.
• 저복잡도 검출을 갖춘 비이진 LDPC(NBLDPC) 코딩의 대규모 MIMO 시스템에서의 실현 가능성과 성능를 조사하기 위해.
• 고차원 MIMO 환경에서 NBLDPC 디코딩을 위한 소프트인풋 소스로서의 MMSE 검출의 효과성을 평가하기 위해.
• 미래의 코딩된 대규모 MIMO 시스템 설계를 위한 기준 성능를 수립하기 위해.

제안 방법

• 고차원 변조에서의 오류 정정 성능 향상을 위해 GF(2^8)에서의 희박한 패리티체크 행렬을 갖춘 비이진 LDPC 코딩 설계.
• 최적 검출의 지수적 복잡도를 피하기 위해 NBLDPC 디코더에 소프트인풋을 제공하기 위한 저복잡도 MMSE 검출기 구현.
• 수신 기호의 조건부 확률에 기반한 로그우도비 지표를 사용하여 MMSE 검출기로부터 소프트아웃풋 LLR 값 유도.
• NBLDPC 코딩의 팩터 그래프에서 메시지 전파를 통한 반복 디코딩과 MMSE 소프트아웃풋 통합.
• 성능와 복잡도의 균형을 맞추기 위해 고정된 반복 횟수를 갖는 반복 검출-디코딩 사용.
• 대규모 MIMO 구성(예: 600×600)에서 Rayleigh fading 채널과 16-QAM 변조를 기반으로 시뮬레이션 수행.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비이진 LDPC 코딩은 저복잡도 MMSE 검출을 동반한 대규모 MIMO 시스템에서 근접-용량 성능를 달성할 수 있는가?
• RQ2 비이진 LDPC 코딩된 대규모 MIMO 시스템의 성능는 기존의 터보코딩 및 이진 LDPC 코딩 시스템과 비교해 비트 오류율과 용량까지의 SNR 갭 측면에서 어떻게 다른가?
• RQ3 MMSE 검출기는 비록 비코딩 성능이 열악하나, NBLDPC 디코딩과 조합될 경우 왜 뛰어난 코딩 성능를 제공하는가?
• RQ4 고차원 MIMO 시스템에서 MMSE 검출의 소프트아웃풋 생성 품질은 전체 시스템 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 최적 검출이 필요 없이 중간 길이의 NBLDPC 코딩은 대규모 MIMO 시스템에서 근접-용량 성능를 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 NBLDPC 코딩 대규모 MIMO 시스템은 16-QAM과 코드율 R=1/3을 사용하는 600×600 MIMO 시스템에서 이론적 MIMO 용량과 3.4 dB 이내의 비트 오류율을 달성하였다.
• 동일 조건에서 용량과 9.4 dB 떨어지는 최고의 알려진 터보코딩 대규모 MIMO 시스템보다 SNR에서 6 dB 이상 우수한 성능를 확보하였다.
• 모든 시뮬레이션된 SNR 영역에서 이진 LDPC 코딩 및 터보코딩 시스템보다 NBLDPC 코딩 대규모 MIMO 시스템이 더 우수한 비트 오류율 성능를 보였다.
• 낮은 다변화 차수를 지닌 MMSE 검출기의 소프트아웃풋 품질은 NBLDPC 디코딩과 조합될 경우, 특히 코딩 시스템의 저SNR 영역에서 근사 최적의 성능를 제공한다.
• 이전 연구에 비해 용량까지의 갭이 크게 감소하였으며, NBLDPC-MMSE 시스템은 문헌에 보고된 바 있는 최고의 성능를 보이는 코딩된 대규모 MIMO 구성으로서의 위치를 확립하였다.
• 결과적으로 NBLDPC 코딩은 고차원 변조가 사용될 경우 대규모 MIMO 시스템에 있어 열등한 채널 코딩 선택보다 훨씬 우수한 선택임을 입증하였다.