[论文解读] Near Gaussian Multiple Access Channel Capacity Detection and Decoding

Xiaojie Wang, Sebastian Cammerer+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 27, 2018

Advanced Wireless Communication Techniques被引用 1

一句话总结

本文通过使用EXIT图优化码度分布，提出了一种在交织复用多址（IDMA）系统中实现接近高斯多址信道（GMAC）容量性能的LDPC码。通过将LDPC码与串行重复编码相结合，该设计在克服初始低码率挑战的同时实现了更高的码率和更接近容量的性能，使IDMA成为未来无线系统的一个有前景候选方案。

ABSTRACT

We consider the design of low-density parity-check (LDPC) codes with close-to-capacity performance for interleave division multiple access (IDMA). The degree profile of the LDPC code is optimized using extrinsic information transfer (EXIT) charts to match an IDMA low complexity multiuser detector. Analytical EXIT functions for the IDMA system are derived while verifying that the Gaussian approximation stays valid for a sufficiently large number of users. The resulting LDPC codes are of rather low-rate (e.g., R c = 0.03 for 32 users) and thus, the practical design of such codes is quite challenging and may, due to the low code-rate, not even yield a performance close to the Gaussian multiple access channel (GMAC) capacity. Adding a serial concatenation with a simple repetition code allows to design matching LDPC codes with a higher rate and, this way, achieving closer to GMAC capacity. This makes IDMA an attractive multiple access scheme for future wireless communication systems.

研究动机与目标

• 在交织复用多址（IDMA）系统中，利用低密度奇偶校验（LDPC）码实现接近容量的性能。
• 解决IDMA系统中低码率LDPC码带来的挑战，该挑战限制了实际应用和接近高斯多址信道（GMAC）容量的性能。
• 通过与重复码的串行级联，提高码率，同时保持接近容量的性能。
• 验证在用户数量足够大时，EXIT函数分析中高斯近似的有效性。
• 设计一种实用的、高码率的LDPC码增强IDMA系统，实现低复杂度多用户检测。

提出的方法

• 利用外部信息转移（EXIT）图优化LDPC码度分布，以匹配IDMA中低复杂度多用户检测器的特性。
• 推导IDMA系统的分析型EXIT函数，以指导码设计并确保收敛性。
• 验证在用户数量足够大的系统中，EXIT分析中高斯近似的有效性。
• 应用LDPC码与简单重复码的串行级联，以在保持接近容量性能的同时提高码率。
• 利用基于EXIT图的优化，确保迭代译码过程中码与检测器的匹配。
• 通过EXIT图收敛性分析，评估迭代检测与译码的性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何设计LDPC码，使其在IDMA系统中实现接近GMAC容量的性能？
• RQ2 低码率对IDMA系统中LDPC码的实际实现和性能有何影响？
• RQ3 与重复码的串行级联是否能有效提高码率，同时不牺牲接近容量的性能？
• RQ4 在IDMA系统中，EXIT函数分析的高斯近似在何种条件下仍有效？
• RQ5 如何利用基于EXIT图的优化，实现IDMA系统中LDPC码与多用户检测器的匹配？

主要发现

• 通过EXIT图优化度分布的LDPC码在IDMA系统中实现了接近GMAC容量的性能。
• 在IDMA系统中，EXIT函数分析所采用的高斯近似在用户数量足够大时仍然有效。
• 初始用于IDMA的LDPC码码率极低（例如，32个用户时码率R_c = 0.03），带来实际设计挑战。
• 与重复码的串行级联使高码率LDPC码成为可能，同时保持接近GMAC容量的性能。
• 所提出的系统实现了低复杂度多用户检测，性能接近理论极限。
• EXIT图优化的LDPC码与串行级联的结合，使IDMA成为未来无线系统中可行且有吸引力的多址接入方案。