[논문 리뷰] Low Complexity Receiver for Uplink SCMA System via Expectation Propagation

Xiangming Meng, Yiqun Wu외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 01. 05.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 6인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 상향링크 스퍼스 코드 다중접속(SCMA) 시스템을 위한 기대치 전파 기반 수신기(EPA)를 제안하며, 메시지 전파를 가우시안 신뢰도 전파로 근사화하여 검출 복잡도를 지수적에서 선형으로 감소시킨다. EPA는 근사 최대우도 성능을 달성하면서도 계산 비용을 크게 낮추며, 시뮬레이션을 통해 기존 MPA 수신기와 유사한 BLER 성능을 보여줌으로써 검증되었다.

ABSTRACT

Sparse code multiple access (SCMA) scheme is considered to be one promising non-orthogonal multiple access technology for the future fifth generation (5G) communications. Due to the sparse nature, message passing algorithm (MPA) has been used as the receiver to achieve close to maximum likelihood (ML) detection performance with much lower complexity. However, the complexity order of MPA is still exponential with the size of codebook and the degree of signal superposition on a given resource element. In this paper, we propose a novel low complexity iterative receiver based on expectation propagation algorithm (EPA), which reduces the complexity order from exponential to linear. Simulation results demonstrate that the proposed EPA receiver achieves nearly the same block error rate (BLER) performance as the conventional message passing algorithm (MPA) receiver with orders less complexity.

연구 동기 및 목표

• 코드북 크기와 사용자 다중접속에 따라 지수적으로 증가하는 기존 메시지 전파 알고리즘(MPA)의 높은 계산 복잡도 문제를 해결한다.
• 상향링크 SCMA에서 근사 최적 오류율 성능을 유지하면서 저복잡도 검출 방법을 개발한다.
• 반복 검출의 복잡도 순서를 지수적에서 선형으로 감소시키면서도 시스템 신뢰성을 유지한다.
• 이전 버전에서 발견된 수식 (20) 및 (23)의 오타를 수정하여 알고리즘의 정확성과 재현 가능성을 확보한다.

제안 방법

• SCMA에서 전송된 신호의 사후 분포를 근사하기 위해 기대치 전파(EP)를 적용하여 정확한 추론을 반복적인 가우시안 근사로 대체한다.
• EP 원리에 기반한 메시지 업데이트 규칙을 유도하여 계산 부담을 줄인 반복적 소프트인풋 소프트아웃 검출을 가능하게 한다.
• 다중 사용자 간섭을 가우시안 분포로 근사함으로써 MPA의 지수적 복잡도를 선형 복잡도로 대체한다.
• 변분 추론 프레임워크를 사용하여 진짜 사후분포와 근사 사후분포 간의 쿨백-라이블러 발산을 최소화하는 방식으로 사용자 신호 추정치를 반복적으로 개선한다.
• 각 사용자에 대한 신호 추정치를 다른 사용자로부터의 외부 정보에 기반하여 EP 기반 업데이트를 통해 반복적으로 갱신하는 반복 검출 과정을 구현한다.
• 수정된 버전에서 수식 (20) 및 (23)을 수정하여 메시지 업데이트 식의 수학적 정확성을 확보한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기대치 전파가 SCMA 검출의 복잡도를 줄이면서도 근사 최적 성능을 유지하는 데 효과적으로 적용될 수 있는가?
• RQ2 상향링크 SCMA 시스템에서 MPA를 EP 기반 수신기로 대체할 경우, 도달 가능한 복잡도 감소 수준은 어느 정도인가?
• RQ3 동일한 시스템 조건 하에서 EPA 수신기의 BLER 성능은 기존 MPA 수신기와 비교해 어떻게 되는가?
• RQ4 이전 버전에서 발견된 수식 오류가 제안된 알고리즘의 신뢰성과 정확성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• EPA 수신기는 기존 MPA 수신기와 거의 동일한 블록 오류율(BLER) 성능을 달성하여 근사 최대우도 검출 정확도를 입증한다.
• EPA 수신기의 복잡도는 사용자 수와 코드북 크기와 선형적으로 증가하는 반면, MPA는 지수적으로 증가한다.
• 제안된 방법은 계산 복잡도를 수개의 주요 단위로 감소시켜 실용적인 5G 상향링크 SCMA 구현에 적합하다.
• 수정된 버전은 수식 (20) 및 (23)의 핵심 오타를 수정하여 알고리즘의 수학적 타당성과 재현 가능성을 보장한다.
• 시뮬레이션 결과는 EPA 수신기가 다양한 사용자 부하 및 신호 대 잡음비 조건에서도 견고한 성능을 유지함을 확인한다.