[논문]검출 복잡도를 감소 시키는 Depth-first branch and bound 알고리즘 기반 디코더

이은주; 윤기완

doi:10.6109/jkiice.2009.13.12.2525

초록
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본 논문에서는 uncoded V-BLAST(Vertical Bell Laboratories Layered Space Time) 시스템에서 PSK 신호들을 joint-detection하기 위한 fast sphere decoder를 제안한다. 이른바 PSD라 불리는 제안된 디코더는 예비처리단계와 검색단계로 구성된다. PSD의 검색단계에서는 depth-first branch and bound 알고리즘을 통해 검출 후보가 되는 신호원들의 최상우선순위(best-first order)를 정하고 이 순위에 따라 신호를 검출하게 된다. 이 때 제안된 디코더는 최상우선순위(best-first order)를 정하는데 있어 계산복잡성을 줄이는 새로운 방법을 제안한다. 시뮬레이션 결과는 PSD에 의해 시스템의 복잡성은 줄이면서 시스템 성능은 ML과 동일하게 유지할 수 있음을 보여준다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, a fast sphere decoder is proposed for the joint detection of phase-shift keying (PSK) signals in uncoded Vertical Bell Laboratories Layered Space Time (V-BLAST) systems. The proposed decoder, PSD, consists of preprocessing stage and search stage. The search stage of PSD relies on the ...

In this paper, a fast sphere decoder is proposed for the joint detection of phase-shift keying (PSK) signals in uncoded Vertical Bell Laboratories Layered Space Time (V-BLAST) systems. The proposed decoder, PSD, consists of preprocessing stage and search stage. The search stage of PSD relies on the depth-first branch-and-bound (BB) algorithm with "best-first" orders stored in lookup tables. Simulation results show that the PSD is able to provide the system with the maximum likelihood (ML) performance at low complexity.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는, V-BLAST시스템에서 PSK신호들의 검출을 위한 fast sphere decoder를 제안한다. 이른바 PSD라 명명된 제안된 디코더는 예비처리 단계와 검색 단계로 구성되며, PSD의 검색단계는 Pham SD와 같이 depth-first BB 알고리즘에 기반하여 설계되어 진다.
이해를 돕기 위해 우선 Pham SD [9]가 어떻게 동작하는지를 간략히 보기로 한다.

가설 설정

1. PSD는 cos^-1 수행하는 계산을 제거한다.

제안 방법

PSD라 불리는 계산 효율이 우수한 sphere decoder는 V-BLAST 시스템에서 PSK 신호들을 검출하는데 제안된다. PSD는 예비처리 단계와 BB기반의 검색 단계로 구성된다.
본고에서는 nT개의 송신안테나와 nR개의 수신 안테나를 가지고 있는 (nT,nR) uncoded V-BLAST configuration을 고려한다.
이 장에서는 제안된 디코더를 여러 가지 PSK modulation schemes의 V-BLAST 구조들에 적용하여 그것의 성능과 복잡성을 증명하기로 한다. 시뮬레이션에서는 sphere의 최초의 반지름 C를 100으로 설정하였다.
본 논문에서는, V-BLAST시스템에서 PSK신호들의 검출을 위한 fast sphere decoder를 제안한다. 이른바 PSD라 명명된 제안된 디코더는 예비처리 단계와 검색 단계로 구성되며, PSD의 검색단계는 Pham SD와 같이 depth-first BB 알고리즘에 기반하여 설계되어 진다. 그러나 제안된 PSD는 Pham SD와 근본적으로 다음과 같은 점에서 다르다.
PSD는 예비처리 단계와 BB기반의 검색 단계로 구성된다. 제안된 디코더는 검색 단계에서 constellation상의 심벌들의 최상우선순위 계산을 간편히 하는 방법을 제안하여 복잡성을 줄일 수 있도록 한다. 시뮬레이션 결과는 제안된 PSD가 거의 동일한 BER 성능을 유지하면서 Pham SD와 SE-SD의 것보다도 상당히 낮은 평균 복잡성을 제공함을 보여준다.

성능/효과

게다가 root node에서부터 모든 검색을 다시 시작하는 대신에 최종점에 가장 가까운 path를 따라 검색이 계속 이루어진다. 그 결과, Pham SD는 [8]에서의 최초의 complex SD와 비교할 때 계산량을 현저히 감소시킨다. 그럼에도 불구하고, [8]에서의 최초의 complex SD와 Pham SD의 공통되는 단점은 계산상 비능률적인 cos-1 수행을 다루어야 하고, 그것 때문에 디코딩 처리 속도가 느려지게 된다는 것이다 .
시뮬레이션 결과는 제안된 PSD가 [9]의 Pham SD와 비교할 때 어떤 심각한 수준의 성능 감소 없이도 계산량을 상당히 감소시킴을 보여주고 있다.
제안된 디코더는 검색 단계에서 constellation상의 심벌들의 최상우선순위 계산을 간편히 하는 방법을 제안하여 복잡성을 줄일 수 있도록 한다. 시뮬레이션 결과는 제안된 PSD가 거의 동일한 BER 성능을 유지하면서 Pham SD와 SE-SD의 것보다도 상당히 낮은 평균 복잡성을 제공함을 보여준다.
ML디코더와 동일한 성능을 유지하면서 시스템의 복잡성을 감소시키는 이른바 SD (sphere decoder)라 불리는 일련의 검출 알고리즘들이 개발되어 오고 있다 [1-9]. 컴퓨터 시뮬레이션과 이론적 분석을 통해 SD들의 평균 복잡성이 BFML 디코더의 평균복잡성보다 현저하게 낮다는 것이 증명되었다.

후속연구

계산을 요구한다는 점을 알 수 있다. 다음에는 검출 복잡성을 감소시키도록 각 레벨에서의 distance metric의 분류와 cos^-1의 계산의 부담을 제거하는 방법을 제안할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Pham SD의 핵심 아이디어는 무엇입니까?	[8]에서 소개된 complex SD의 복잡성을 감소시킨 형태의 complex SD를 Pham SD라 하며, 이는 [9]에서 제안되었다. Pham SD의 핵심 아이디어는 depth-first branch-and-bound 알고리즘을 사용한다는 것이다[10]. Pham SD에 있어서, 각 layer에 놓인 잠재 후보들은 [8]에서 제안된 최초의 아이디어에 기초하여 결정된다.
	PSD는 Pham SD와 근본적으로 어떠한 점이 다릅니까?	1. PSD는 cos-1 수행하는 계산을 제거한다. 2. PSD는 모든 distance metrics를 명확히 계산하는 대신 더 간단한 방법으로 distance metrics의 순차배열을 수행한다.
	BFML검출방식이 실용적이지 못한 이유는 무엇입니까?	MIMO 기술 중 하나로 알려진 V-BLAST(Bell Labs Layered Space Time) 기법은 MIMO시스템 수신단의 ML (maximum-likelihood) 디코더가 최적의 시스템 성능을 얻을 수 있도록 한다. 그러나 BFML (bruteforce ML) 검출방식은 전송 안테나 개수에 따라 기하급수적으로 복잡성이 증가하기 때문에 실용적인 접근 방법이라 할 수 없다.

참고문헌 (11)

E. Viterbo and J. Boutros, 'A universal lattice code decoder for fading channels', IEEE Trans. Inform. Theory, vol. 45, pp. 1639-1642, July 1999

상세보기
M.O. Damen, A. Chkeif, and J. Belfiore, 'Lattice code decoder for space-time codes', IEEE Commun. Lett., vol. 4, pp. 161-163, May 2000

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E. Agrell, T. Eriksson, A. Vardy, and K. Zeger, 'Closest point search in lattices', IEEE Trans. Inform. Theory, vol. 48, no. 8, pp. 2201-2214, Aug. 2002

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M.O. Damen, H.E. Gamal, and G. Caire, "On maximum-likelihood detection and the search for the closest lattice point", IEEE Trans. Inform. Theory, vol. 49, no. 10, Oct. 2003
B. Hassibi and H. Vikalo, 'On the sphere-decoding algorithm I. Expected complexity', IEEE Trans. Signal Processing, vol. 53, no. 8, pp. 2806-2818, Aug. 2005

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A.M. Chan and I. Lee, 'A new reduced-complexity sphere decoder for multiple antenna systems', in Proc. IEEE Int. Conf. Commun., vol. 1, pp. 460-464, May 2002
T. Cui and C. Tellambura, 'Joint channel estimation and data detection for OFDMsystems via sphere decoding', In IEEE Proc. Globecom'04, vol. 6, pp. 3656-3660, Dec. 2004
B.M. Hochwald and S.T. Brink, 'Achieving nearcapacity on a multiple-antenna channel', IEEE Trans. Commun., vol. 51, no. 3, Mar. 2003

상세보기
D. Pham, K.R. Pattipati, P.K. Willett, and J. Luo, 'An improved complex sphere decoder for V-BLAST systems', IEEE Signal Process. Letter, vol. 11, no. 9, pp. 748-751, Sep. 2004

상세보기
J. Luo, K. Pattipati, P. Willett, and L. Brunel, 'Branchand-bound-based fast optimal algorithm for multiuser detection in synchronous CDMA', in Proc. IEEE Int. Conf. Commun., vol. 5, pp. 3336-3340, May 2003
D. Wubben, R. Bohnke, J. Rinas, V. Kuhn, and K. D. Kammeyer, 'Effcient algorithm for decoding layered space-time codes', IEEE Electronics Letters, vol. 37, no.22, pp. 1348-1350, Oct. 2001

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