[논문 리뷰] Nonlinear Trellis Description for Convolutionally Encoded Transmission Over ISI-channels with Applications for CPM

Fabian Schuh, Johannes B. Huber|arXiv (Cornell University)|2012. 05. 31.

Advanced Wireless Communication Techniques참고 문헌 12인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 비선형 트렐리스 인코더를 사용한 매칭 디코딩 방식을 제안하여, 성능 손실 없이 코딩된 연속형 위상 변조(CPM)의 트렐리스 상태 수를 크게 감소시킨다. 복합 인코딩과 인터심볼 간섭(ISI) 채널을 하나의 비선형 이진 트렐리스로 통합함으로써, 특히 비호모지어스 수신과 차등 검출을 사용하는 경우 최대우도 시퀀스 추정의 효율성을 높이고 복잡도를 감소시킨다.

ABSTRACT

In this paper we propose a matched decoding scheme for convolutionally encoded transmission over intersymbol interference (ISI) channels and devise a nonlinear trellis description. As an application we show that for coded continuous phase modulation (CPM) using a non-coherent receiver the number of states of the super trellis can be significantly reduced by means of a matched non-linear trellis encoder.

연구 동기 및 목표

• ISI 채널 상에서 복합 인코딩된 전송에 대해 슈퍼 트렐리스 디코딩의 상태 복잡도를 감소시키는 것.
• 복합 인코더와 ISI 채널을 하나의 비선형 트렐리스로 통합함으로써 비호모지어스 CPM에 대한 효율적인 매칭 디코딩을 가능하게 하는 것.
• 특히 차등 검출을 사용하는 비호모지어스 CPM 시스템에서 성능 저하 없이 상태 수를 감소시킬 수 있음을 입증하는 것.
• 복잡도와 비트 오류율(BER) 측면에서 기존의 슈퍼트렐리스 디코딩(STD), 결정 피드백 시퀀스 추정(DFSE), BCJR 알고리즘과의 비교를 통해 제안된 방법의 성능을 평가하는 것.
• 노이즈 화이트닝 필터와 ISI 길이가 수신기의 복잡도와 성능에 미치는 영향을 평가하는 것.

제안 방법

• 논문은 복합 인코더의 이진 출력과 M-ary ISI 응답을 결합하여 ISI 채널과 복합 인코더를 하나의 비선형 이진 트렐리스 인코더로 모델링한다.
• M-ary 채널 인과응답을 log₂(M)개의 병렬 이진 컨볼루션으로 분해함으로써 통합된 비선형 트렐리스 기술을 가능하게 하는 수정된 트렐리스 구조를 사용한다.
• 제안된 방법은 복합 코드와 ISI 채널을 동시에 디코딩하는 매칭 디코딩(MD) 전략을 적용하며, 이를 위해 감소된 상태 수의 트렐리스에서 비터비 알고리즘을 사용한다.
• 결정 피드백 유사한 구조에 기반한 상태 공간 분할을 통해 복잡도를 추가로 감소시키기 위해 재귀적 시스템적 소프트 출력 비터비 알고리즘(RSSE)을 적용한다.
• 비호모지어스 CPM에서 스펙트럼 성형 효과를 완화하기 위해 노이즈 화이트닝 필터를 통합하였으며, 동시에 차등 검출 및 매칭 필터링과의 호환성을 유지한다.
• 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 STD, DFSE, BCJR 및 제안된 MD/RSSE 수신기 간의 BER 성능을 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 ISI 채널 상에서 복합 인코딩된 전송에 대해 슈퍼 트렐리스 복잡도를 성능 손실 없이 감소시킬 수 있는가?
• RQ2 기존의 슈퍼트렐리스 디코딩과 비교할 때 제안된 비선형 트렐리스 인코더는 BER과 상태 수 측면에서 어떻게 다른가?
• RQ3 매칭 디코딩과 재귀적 시스템적 소프트 출력 비터비 추정(RSSE)을 통해 수신기의 복잡도를 어느 정도까지 감소시킬 수 있는가?
• RQ4 ISI 채널 길이와 노이즈 화이트닝 필터의 존재가 성능-복잡도 트레이드오프에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 제안된 방법은 차등 검출을 사용하는 비호모지어스 CPM 시스템에 효과적으로 적용될 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 매칭 디코딩(MD)은 기존의 슈퍼트렐리스 디코딩(STD)와 동일한 비트 오류율(BER) 성능를 달성하지만, 상태 수가 크게 감소한다. 예를 들어 한 시뮬레이션에서 1024개의 상태 대비 8개의 상태로 감소하였다.
• M=4 및 3-RC 펄스 샤피닝을 사용하는 비호모지어스 CPM의 경우, 8개 상태 트렐리스를 사용하는 MD는 1024개 상태의 STD를 능가하고, 64개 상태의 DFSE와 동일한 성능를 보였다.
• DFSE 유사한 분할 방식을 사용하는 RSSE를 적용할 경우, 수신기 복잡도를 최소 4개 상태로까지 감소시킬 수 있었으며, BER = 10⁻³을 달성하면서 더 많은 인코더 상태를 가진 시스템을 능가하였다.
• ISI 길이 증가(예: L=10)로 인한 성능 향상은 인코더 상태 수 증가로 인한 성능 향상보다 더 크며, 이는 더 긴 ISI 채널이 더 높은 전송률 인코더보다 유리함을 시사한다.
• STD 대비 복잡도를 최대 99%까지 감소시켰으며, MD는 8개 상태만으로 14 dB Eb/N0에서 BER = 10⁻³을 달성했고, STD는 1024개 상태가 필요했다.
• 이 방법은 비트 인터리빙과 호환되지 않으며, 인코더 상태와 채널 상태를 직접 연결하는 방식이므로 인터리빙된 코딩 변조 방식의 적용에 제한된다.