[论文解读] Coding for Two-User SISO and MIMO Multiple Access Channels

J. Harshan, B. Sundar Rajan|ArXiv.org|Jan 1, 2009

Advanced Wireless Communication Techniques参考文献 22被引用 10

一句话总结

该论文为具有有限星座图的两用户SISO和MIMO多址接入信道（MAC）提出基于旋转的信号设计与编码调制（TCM）方案，实现了接近容量的和速率，并显著降低了最大似然（ML）译码复杂度。对于SISO MAC，提出一种旋转度量以最大化星座受限（CC）容量区域，并证明在旋转后的M-PAM符号对上使用Ungerboeck映射可最大化和码卷积码的最小距离。对于MIMO MAC，基于实正交设计（ROD）设计了空间时间块码（STBC）对，实现单符号译码并完全消除干扰，复杂度低，通过误比特率（BER）仿真验证了其性能优于其他设计方案。

ABSTRACT

Constellation Constrained (CC) capacity regions of a two-user SISO Gaussian Multiple Access Channel (GMAC) with finite complex input alphabets and continuous output are computed in this paper. When both the users employ the same code alphabet, it is well known that an appropriate rotation between the alphabets provides unique decodability to the receiver. For such a set-up, a metric is proposed to compute the angle(s) of rotation between the alphabets such that the CC capacity region is maximally enlarged. Subsequently, code pairs based on Trellis Coded Modulation (TCM) are designed for the two-user GMAC with $M$-PSK and $M$-PAM alphabet pairs for arbitrary values of $M$ and it is proved that, for certain angles of rotation, Ungerboeck labelling on the trellis of each user maximizes the guaranteed squared Euclidean distance of the extit{sum trellis}. Hence, such a labelling scheme can be used systematically to construct trellis code pairs for a two-user GMAC to achieve sum rates close to the sum capacity of the channel. More importantly, it is shown for the first time that ML decoding complexity at the destination is significantly reduced when $M$-PAM alphabet pairs are employed with extit{almost} no loss in the sum capacity. \indent A two-user Multiple Input Multiple Output (MIMO) fading MAC with $N_{t}$ antennas at both the users and a single antenna at the destination has also been considered with the assumption that the destination has the perfect knowledge of channel state information and the two users have the perfect knowledge of only the phase components of their channels. For such a set-up, two distinct classes of Space Time Block Code (STBC) pairs derived from the well known class of real orthogonal designs are proposed such that the STBC pairs are information lossless and have low ML decoding complexity.

研究动机与目标

• 计算具有有限复输入字母表和连续输出的两用户SISO高斯MAC的星座受限（CC）容量区域。
• 设计基于TCM的码对，适用于M-PSK和M-PAM输入字母表，使和速率接近CC和容量。
• 通过利用字母表旋转与信号集设计，降低两用户SISO和MIMO MAC中接收端的最大似然（ML）译码复杂度。
• 为具有单天线接收端和完美相位信道状态信息（phase-CSIT）的两用户MIMO衰落MAC提出STBC对，实现低复杂度的单符号译码。
• 在理论与仿真层面建立所提方案在CC容量、编码增益和误比特率（BER）方面的性能增益。

提出的方法

• 提出一种度量方法，用于计算两用户间相同信号集（如M-PSK或M-PAM）的最优旋转角度，以最大化SISO MAC的CC容量区域。
• 基于Ungerboeck分组法在网格图上设计基于TCM的码对，并证明在特定旋转角度下，和网格图的最小平方欧氏距离可被最大化。
• 采用旋转后的M-PAM信号集，与复星座图相比，实现接近CC容量的和速率，同时显著降低ML译码复杂度。
• 为每个用户具有Nt根天线、接收端为单天线的两用户MIMO MAC，提出两类基于实正交设计（ROD）的STBC对。
• 设计STBC对，使得每个实符号在接收端可独立译码，从而实现单符号ML译码，并完全消除用户间干扰。
• 通过Rayleigh衰落信道上的BER仿真验证所提STBC对的性能，Nt=2和Nt=4时，与ROD和SOD设计进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 在SISO MAC中，两用户使用相同星座图时，何种旋转角度可使星座受限（CC）容量区域最大化？
• RQ2 在旋转后的M-PAM星座图用户网格图上使用Ungerboeck映射，能否使和网格图的最小平方欧氏距离最大化，从而提升编码增益？
• RQ3 在两用户SISO MAC中，使用M-PAM而非复星座图，能在不损失和容量的前提下将ML译码复杂度降低多少？
• RQ4 能否从实正交设计（ROD）中构造出适用于具有用户端信道状态信息（phase-CSI）和完美相位-CSIT的两用户MIMO MAC的STBC对，以实现单符号译码？
• RQ5 在编码增益和译码复杂度方面，ROD-based STBC对与SOD-based STBC对的BER性能相比如何？

主要发现

• 所提出的旋转度量能有效识别出使两用户SISO MAC中相同M-PSK和M-PAM星座图的CC容量区域最大化的旋转角度。
• 对于采用最优旋转的M-PAM字母表对，对各用户网格图使用Ungerboeck映射可最大化和网格图的保证最小平方欧氏距离，从而确保稳健的误码性能。
• 采用适当旋转的M-PAM信号集，可使接收端的ML译码复杂度相比复星座图降低最多4倍，且和容量损失可忽略不计。
• 基于实正交设计（ROD）的STBC对可实现两用户MIMO MAC中两个用户的单符号最大似然译码，达到全分集增益并实现零用户间干扰。
• BER仿真结果表明，ROD-based STBC对在Nt=2和Nt=4时均优于SOD-based STBC对，增益主要归因于实符号的独立译码与无干扰特性。
• 所提方案实现了接近信道理论CC和容量的和速率，尤其在采用M-PAM与最优旋转及Ungerboeck映射时表现更优。