[论文解读] Network-Coded Multiple Access with High-order Modulations

Haoyuan Pan, Lu Lu+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 14, 2015

Cooperative Communication and Network Coding参考文献 32被引用 4

一句话总结

本文提出MIMO-NCMA，一种采用高阶调制（最高至16-QAM）和多接收天线的网络编码多址接入系统，以克服传统NCMA中因相对相位偏移导致的性能下降。通过引入低复杂度符号级解码器，该系统在高信噪比下吞吐量最高可达BPSK NCMA的3.5倍，且已在软件定义无线电上实现实时验证。

ABSTRACT

This paper presents the first network-coded multiple access (NCMA) system prototype operated on high-order modulations up to 16-QAM. NCMA jointly exploits physical-layer network coding (PNC) and multiuser decoding (MUD) to boost throughput of multipacket reception systems. Direct generalization of the existing NCMA decoding algorithm, originally designed for BPSK, to high-order modulations, will lead to huge performance degradation. The throughput degradation is caused by the relative phase offset between received signals from different nodes. To circumvent the phase offset problem, this paper investigates an NCMA system with multiple receive antennas at the access point (AP), referred to as MIMO-NCMA. We put forth a low-complexity symbol-level NCMA decoder that, together with MIMO, can substantially alleviate the performance degradation induced by relative phase offset. To demonstrate the feasibility and advantage of MIMO-NCMA for high-order modulations, we implemented our designs on software-defined radio. Our experimental results show that the throughput of QPSK MIMO-NCMA is double that of both BPSK NCMA and QPSK MUD at SNR=10dB. For higher SNRs at which 16-QAM can be supported, the throughput of MIMO-NCMA can be as high as 3.5 times that of BPSK NCMA. Overall, this paper provides an implementable framework for high-order modulated NCMA.

研究动机与目标

• 解决在高阶调制NCMA系统中，由于同时传输信号之间的相对相位偏移导致的严重性能下降问题。
• 通过克服现有仅支持BPSK的原型系统局限性，实现高阶调制（QPSK和16-QAM）NCMA的实际、实时运行。
• 设计一种低复杂度、非迭代的解码框架，将物理层网络编码（PNC）与多用户检测（MUD）集成，适用于高阶调制。
• 通过在多接收天线的软件定义无线电上实现MIMO-NCMA，验证其可行性并展示性能增益。

提出的方法

• 提出MIMO-NCMA，一种在接入点（AP）使用多接收天线的系统架构，以缓解高阶调制NCMA中的相位偏移影响。
• 设计一种符号级PNC解码器，将重叠的星座点映射为XOR符号对，保留有用软信息，并相比比特级解调降低歧义性。
• 实现一种符号级MUD解码器，通过优化信号空间划分，在保持高检测精度的同时降低复杂度。
• 在物理层集成卷积码与维特比解码，使用GNU Radio和优化库以确保实时处理。
• 通过最小化欧几里得距离计算，对解调器实施复杂度降低技术，尤其针对16-QAM，且不损失误比特率（BER）性能。
• 通过实时软件定义无线电（SDR）实现验证系统，在不同信噪比下测量BPSK、QPSK和16-QAM的解码延迟和吞吐量。

实验结果

研究问题

• RQ1 从BPSK过渡到QPSK或16-QAM时，同时传输信号之间的相对相位偏移如何导致NCMA性能下降？
• RQ2 与传统的比特级解码相比，符号级解码方法在高阶调制NCMA系统中能否显著提升PNC和MUD性能？
• RQ3 接入点处的多接收天线在多大程度上可以缓解高阶调制NCMA中由相位偏移引起的性能损失？
• RQ4 在软件定义无线电上，采用QPSK和16-QAM的符号级MIMO-NCMA系统的实时解码延迟和吞吐量性能如何？
• RQ5 在MIMO-NCMA中，复杂度降低的解调器能否在保持误比特率性能的同时减少16-QAM的处理时间？

主要发现

• 将基于BPSK的NCMA直接推广到QPSK时，在8.5 dB信噪比下吞吐量下降约80%，这是由于相位偏移问题所致。
• 在10 dB信噪比下，QPSK MIMO-NCMA的吞吐量是BPSK NCMA和QPSK MUD的两倍，表明结合PNC与MUD并利用MIMO分集增益可带来显著增益。
• 在支持16-QAM的更高信噪比下，MIMO-NCMA的吞吐量最高可达BPSK NCMA的3.5倍，验证了在MIMO辅助下高阶调制在NCMA中的有效性。
• 符号级PNC解码器通过保留XOR符号级软信息减少信息损失，与比特级PNC解调相比性能显著提升。
• 16-QAM的解调时间因需计算256个欧几里得距离而显著增加，但复杂度降低技术在不损失BER性能的前提下减少了处理时间。
• 实时解码是可行的：QPSK MIMO-NCMA的平均解码时间与BPSK单天线系统相当，且经优化后16-QAM解码仍保持在实用延迟范围内。