[论文解读] Near Capacity Signaling over Fading Channels using Coherent Turbo Coded OFDM and Massive MIMO

K. Vasudevan|arXiv (Cornell University)|Nov 28, 2017

Advanced Wireless Communication Techniques参考文献 40被引用 34

一句话总结

本文提出了一种在衰落信道中使用相干级联编码OFDM与大规模MIMO的近容量信道编码方案，仅需每比特1.25 dB的平均信噪比（SNR），在128个接收端和2个发射端天线条件下，实现了比特错误率（BER）为 $2 \times 10^{-5}$ 的性能，证明通过为每个发射端天线分配不同的载波频率，可在不引起BER性能下降的前提下提升频谱效率。

ABSTRACT

The minimum average signal-to-noise ratio (SNR) per bit required for error-free transmission over a fading channel is derived, and is shown to be equal to that of the additive white Gaussian noise (AWGN) channel, which is $-1.6$ dB. Discrete-time algorithms are presented for timing and carrier synchronization, as well as channel estimation, for turbo coded multiple input multiple output (MIMO) orthogonal frequency division multiplexed (OFDM) systems. Simulation results show that it is possible to achieve a bit error rate of $10^{-5}$ at an average SNR per bit of 5.5 dB, using two transmit and two receive antennas. We then propose a near-capacity signaling method in which each transmit antenna uses a different carrier frequency. Using the near-capacity approach, we show that it is possible to achieve a BER of $2 imes 10^{-5}$ at an average SNR per bit of just 2.5 dB, with one receive antenna for each transmit antenna. When the number of receive antennas for each transmit antenna is increased to 128, then a BER of $2 imes 10^{-5}$ is attained at an average SNR per bit of 1.25 dB. In all cases, the number of transmit antennas is two and the spectral efficiency is 1 bit/transmission or 1 bit/sec/Hz. In other words, each transmit antenna sends 0.5 bit/transmission. It is possible to obtain higher spectral efficiency by increasing the number of transmit antennas, with no loss in BER performance, as long as each transmit antenna uses a different carrier frequency. The transmitted signal spectrum for the near-capacity approach can be restricted by pulse-shaping. In all the simulations, a four-state turbo code is used. The corresponding turbo decoder uses eight iterations. The algorithms can be implemented on programmable hardware and there is a large scope for parallel processing.

研究动机与目标

• 开发用于频率选择性瑞利衰落信道中相干检测的级联编码MIMO-OFDM系统的离散时间算法。
• 推导在衰落信道中实现无误传输所需的最小每比特平均信噪比，表明其与AWGN信道极限一致，为-1.6 dB。
• 通过一种新型信号调制方法，证明近容量性能，其中每个发射端天线使用不同的载波频率。
• 通过为每个发射端天线分配独立的载波频率，实现在不引起BER性能下降的前提下提升高谱效。
• 通过脉冲整形实现频谱受限，并支持具备并行处理能力的可编程硬件实现。

提出的方法

• 提出用于级联编码MIMO-OFDM系统中定时与载波同步及信道估计的离散时间算法。
• 采用正交频分复用（OFDM）技术，将频率选择性衰落信道转换为平坦衰落子载波。
• 在解码器中采用四状态级联码并进行八次迭代，以实现可靠通信。
• 引入一种近容量信号调制方法，其中每个发射端天线在不同载波频率上发送，以利用频率分集增益。
• 应用脉冲整形以限制发射信号的频谱，减少上行链路场景中的干扰。
• 推导信道容量表达式，并通过公式 $ C = \log_2(1 + C \cdot \text{SNR}_{\text{av},b}) $ 将其与每比特平均信噪比关联，得出当 $ C \to 0 $ 时，最小 $ \text{SNR}_{\text{av},b} \to \ln(2) \approx -1.6 $ dB。

实验结果

研究问题

• RQ1 在频率选择性瑞利衰落MIMO信道中，实现无误传输所需的最小每比特平均信噪比是多少？
• RQ2 能否设计出用于级联编码MIMO-OFDM系统的相干检测算法，以实现近容量性能？
• RQ3 为每个发射端天线分配不同载波频率对频谱效率和BER性能有何影响？
• RQ4 在使用大规模MIMO并采用频率分集传输时，低每比特信噪比下可实现的BER是多少？
• RQ5 能否通过脉冲整形有效控制发射信号频谱，同时保持高谱效？

主要发现

• 在衰落信道中实现无误传输所需的最小每比特平均信噪比为 $-1.6$ dB，与AWGN信道极限一致。
• 对于 $2 \times 2$ MIMO-OFDM系统，每比特平均信噪比为5.5 dB时，BER达到 $10^{-5}$。
• 当使用两个发射端天线，每个发射端天线对应一个接收端天线时，所提出的近容量方法在每比特平均信噪比为2.5 dB时，实现BER为 $2 \times 10^{-5}$。
• 当每个发射端天线对应的接收端天线数增加至128时，BER为 $2 \times 10^{-5}$ 的性能可在每比特平均信噪比1.25 dB下实现。
• 通过增加发射端天线数量，同时确保每个天线使用不同载波频率，可提升频谱效率，且不会导致BER性能下降。
• 该系统支持高谱效，并适用于具备显著并行处理潜力的可编程硬件实现。