[论文解读] Lattice Sequential Decoding for LAST Coded MIMO Channels: Achievable Rate, DMT, and Complexity Analysis

Walid Abediseid, Mohamed Oussama Damen|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2011

Advanced Wireless Communication Techniques参考文献 27被引用 4

一句话总结

本文分析了在LAST编码的MIMO信道中采用格序列译码的性能，推导了在不同偏置参数下的可实现速率、分集-复用增益折中（DMT）以及计算复杂度。结果表明，译码器的复杂度尾部分布由信道中断概率决定，且存在一个截止复用增益，超过该增益后平均复杂度保持有界，从而实现低复杂度的近容量传输。

ABSTRACT

In this paper, the asymptotic performance of the lattice sequential decoder for LAttice Space-Time (LAST) coded MIMO channel is analyzed. We determine the rates achievable by lattice coding and sequential decoding applied to such a channel. The diversity-multiplexing tradeoff (DMT) under lattice sequential decoding is derived as a function of its parameter---the bias term, which is critical for controlling the amount of computations required at the decoding stage. Achieving low decoding complexity requires increasing the value of the bias term. However, this is done at the expense of losing the optimal tradeoff of the channel. In this work, we derive the tail distribution of the decoder's computational complexity in the high signal-to-noise ratio regime. Our analysis reveals that the tail distribution of such a low complexity decoder is dominated by the outage probability of the channel for the underlying coding scheme. Also, the tail exponent of the complexity distribution is shown to be equivalent to the DMT achieved by lattice coding and lattice sequential decoding schemes. We derive the asymptotic average complexity of the sequential decoder as a function of the system parameters. In particular, we show that there exists a cut-off multiplexing gain for which the average computational complexity of the decoder remains bounded.

研究动机与目标

• 分析格序列译码在格空间时频（LAST）编码MIMO信道中的渐近性能。
• 表征分集-复用增益折中（DMT）作为控制复杂度的译码器偏置参数的函数。
• 推导高信噪比（SNR）下译码器计算复杂度的尾部分布。
• 识别出平均译码复杂度保持有界的截止复用增益，从而实现低复杂度操作。

提出的方法

• 使用基于Voronoi形心区域的嵌套格编码构造有限格码，实现格编码。
• 通过放松边界约束，应用格序列译码，利用树搜索算法求解最近格点搜索（CLPS）问题。
• 在序列译码器中引入偏置项以控制搜索深度并降低复杂度，其中较高的偏置会以牺牲DMT性能为代价减少计算量。
• 采用信道矩阵的QR分解，将检测问题转化为变换域中的递归格搜索。
• 利用大偏差理论与极值理论分析复杂度的尾部分布，将其与信道的中断概率联系起来。
• 推导出作为系统参数（包括复用增益和偏置）函数的渐近平均复杂度。

实验结果

研究问题

• RQ1 格序列译码中的偏置参数如何影响LAST编码MIMO系统中的分集-复用增益折中（DMT）？
• RQ2 在高信噪比下，格序列译码器的计算复杂度的尾部分布是什么？
• RQ3 复杂度分布与底层编码方案的中断概率有何关联？
• RQ4 在何种复用增益下，格序列译码器的平均译码复杂度保持有界？
• RQ5 渐近平均复杂度能否表示为复用增益和偏置等系统参数的函数？

主要发现

• 在高信噪比下，格序列译码器复杂度的尾部分布由底层编码方案的信道中断概率主导。
• 复杂度分布的尾指数与格编码及序列译码方案所实现的DMT完全一致。
• 存在一个截止复用增益，超过该值后译码器的平均计算复杂度保持有界，从而实现低复杂度操作。
• 格序列译码器的可实现DMT是偏置参数的函数，较高的偏置会以牺牲DMT性能为代价降低复杂度。
• 推导出序列译码器的渐近平均复杂度，并证明当复用增益超过临界阈值时该复杂度有界。
• 分析结果证实，格序列译码在可控复杂度下可实现接近容量的性能，尤其在复用增益低于截止点时表现更优。