[論文レビュー] Multi-group ML Decodable Collocated and Distributed Space Time Block Codes

G. Susinder Rajan, B. Sundar Rajan|ArXiv.org|Dec 14, 2007

Cooperative Communication and Network Coding参考文献 42被引用数 12

ひとこと要約

本稿は、拡張クライフォード代数に基づく新しい代数的枠組みを提案し、同期および非同期MIMOシステムにおけるマルチグループ最大尤度（ML）可解な空間時間ブロックコード（STBC）の設計を行う。本手法は、伝送レートとMLデコード複雑度の最適なトレードオフを達成し、4グループ可解な分散STBCを構築するとともに、OFDMベースの伝送方式を拡張して、受信側にチャネル情報や時刻同期情報が一切ない非同期リレーネットワークでも完全な協調ダイバーシティを実現する。これにより、微弱信号対ノイズ比（SNR）領域では、差動検出下で最大8 dBの性能損失を達成する。

ABSTRACT

In this paper, collocated and distributed space-time block codes (DSTBCs) which admit multi-group maximum likelihood (ML) decoding are studied. First the collocated case is considered and the problem of constructing space-time block codes (STBCs) which optimally tradeoff rate and ML decoding complexity is posed. Recently, sufficient conditions for multi-group ML decodability have been provided in the literature and codes meeting these sufficient conditions were called Clifford Unitary Weight (CUW) STBCs. An algebraic framework based on extended Clifford algebras is proposed to study CUW STBCs and using this framework, the optimal tradeoff between rate and ML decoding complexity of CUW STBCs is obtained for few specific cases. Code constructions meeting this tradeoff optimally are also provided. The paper then focuses on multi-group ML decodable DSTBCs for application in synchronous wireless relay networks and three constructions of four-group ML decodable DSTBCs are provided. Finally, the OFDM based Alamouti space-time coded scheme proposed by Li-Xia for a 2 relay asynchronous relay network is extended to a more general transmission scheme that can achieve full asynchronous cooperative diversity for arbitrary number of relays. It is then shown how differential encoding at the source can be combined with the proposed transmission scheme to arrive at a new transmission scheme that can achieve full cooperative diversity in asynchronous wireless relay networks with no channel information and also no timing error knowledge at the destination node. Four-group decodable DSTBCs applicable in the proposed OFDM based transmission scheme are also given.

研究の動機と目的

• MIMOシステムにおける完全ダイバーシティ空間時間ブロックコード（STBC）の伝送レートとMLデコード複雑度のトレードオフを解決すること。
• 拡張クライフォード代数に基づく代数的枠組みを用いて、最適なレート-複雑度トレードオフを達成するクライフォードユニタリ重み（CUW）STBCの構築を行うこと。
• 同期および非同期無線リレーネットワークにおける4グループML可解な分散STBC（DSTBC）を設計すること。
• OFDMベースの伝送方式を拡張し、受信側にチャネル情報や時刻同期情報がなくとも、非同期リレーネットワークで完全な協調ダイバーシティを達成すること。
• 送信側に差動符号化を統合し、不完全な同期下でも完全なダイバーシティを達成するための手法を提供すること。

提案手法

• 拡張クライフォード代数を用いた代数的枠組みを構築し、マルチグループML可解性を満たす十分条件を特徴づけ、クライフォードユニタリ重み（CUW）STBCを構築する。
• この代数的構造を用いて、特定のケース（例：4および8送信アンテナ）におけるCUW STBCの最適なレート-MLデコード複雑度トレードオフを導出する。
• シンクロナイズドリレーネットワークにおけるジン＝ハッシビのアンプアンドフォワードプロトコルに適した、3つの新しい4グループML可解DSTBCの構成を提案する。
• OFDMベースのアラムーティ方式を一般化した伝送プロトコルを拡張し、任意の数のリレーユーザーをサポートし、時刻誤差が存在しても完全な協調ダイバーシティを達成する。
• 送信側に差動符号化を導入し、スケーリングユニタリコードワード用に変更された信号セットを用いることで、チャネル状態情報（CSI）や時刻誤差の知識がない非同期ネットワークでも完全なダイバーシティを実現する。
• OFDMシステムでは各サブキャリアに対してコherentおよび差動検出を適用し、チャネル情報ありおよび非コherent受信の両状況下で性能を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 特にクライフォードユニタリ重み（CUW）STBCのクラスに限って、マルチグループ可解STBCの伝送レートとMLデコード複雑度の最適なトレードオフは何か？
• RQ2 分散空間時間ブロックコード（DSTBC）はどのように構築すれば、リレーネットワークで4グループMLデコードを可能にしながら完全なダイバーシティを維持できるか？
• RQ3 非同期リレーネットワークで時刻誤差とチャネル状態情報がなくとも、OFDMベースの伝送方式を一般化して完全な協調ダイバーシティを達成できるか？
• RQ4 差動符号化を分散STBCと組み合わせることで、時刻情報やCSIがなくとも非同期リレーネットワークで完全なダイバーシティを達成できるか？
• RQ5 非同期協調ネットワークにおける差動検出と変更された信号セットを用いる場合、コherent検出と比較して性能損失はどの程度か？

主な発見

• 拡張クライフォード代数に基づく提案された代数的枠組みにより、4および8送信アンテナなどの特定ケースにおけるCUW STBCの最適なレート-MLデコード複雑度トレードオフを導出可能である。
• 本稿では、レートとMLデコード複雑度の最適なトレードオフを達成する明示的なCUW STBCを構築し、コード設計の体系的かつ一貫した手法を提供する。
• 3つの新しいクラスの4グループML可解DSTBCが構築され、複雑度を低減した分散リレーネットワークにおける効率的なMLデコードを可能にする。
• 拡張されたOFDMベースの伝送方式により、受信側にチャネル状態情報やリレーの時刻オフセットの知識がなくとも、非同期リレーネットワークで完全な協調ダイバーシティを達成する。
• シミュレーション結果から、差動検出方式では、1 bpcuおよび2 bpcuのレートにおいて、それぞれ約5 dBおよび8 dBの性能劣化が生じることが判明した。これは、ノイズの増加と信号セットの変更によるものである。
• 差動符号化と変更された信号セットを用いた本手法により、CSIや時刻同期の欠如に対しても、非同期ネットワークで完全な協調ダイバーシティを達成でき、高い耐障害性を示す。