A novel weighted parallel interference cancellation (PIC) detector with symbol-by-symbol weight determination is proposed to improve the performance of PIC detectors for convolutionally coded CDMA systems.
It has been known that the performance of the PIC detector is highly dependent on reliability of the data decisions at the first stage. In coded CDMA systems, the post-decoding PIC has been proposed, in which channel decoding is utilized to improve the performance of the first stage data decisions. In convolutionally coded systems, the Viterbi algorithm is generally employed as a channel decoder. Although the Viterbi algorithm is used for improving the performance of the first stage data decisions, the performance of the second stage Viterbi decoding is degraded due to error dependence introduced from the first stage Viterbi algorithm. Hence the PIC performance gain through the enhanced first stage decisions is limited. In this work, it is shown that the weighted PIC detector can overcome the problem of the post-decoding PIC detector.
Even though effectiveness of the weighted PIC detector has been stated in previous works, most works have used empirical methods for weight determination because of difficulty in optimum weight determination. The empirical weight takes only one optimum value on the average for given channel environments because the empirical method can not benefit by the decision reliability of each symbol used in the interference cancellation, and even the method can hardly be implemented in real systems. In this work, a new weighted PIC detector is proposed together with symbol-by-symbol weight determination based on symbol reliability. For generation of the reliability information, soft-output Viterbi algorithm (SOVA) is employed as the first stage channel decoder in the post-decoding PIC detector. Investigations are carried out into the characteristics of the error probability and the log-likelihood ratio generated from SOVA. Two methods of weight determination are derived based on the error probability and the log-likelihood ratio, respectively.
For performance evaluation, simulations are performed for a convolutionally coded twelve-user CDMA system with a spreading factor $N_s=24$ over AWGN and Rayleigh fading channels. The proposed weighted PIC detector for each weight determination method outperforms the post-decoding PIC detector, especially under the interference limited channels, in $E_b/N_o$ = 7dB which is near the actual operating SNR of practical CDMA systems. The proposed weighted PIC scheme provides more significant performance gain than the post-decoding PIC detector as SNR increases. Moreover, the proposed weighted PIC detector based on the log-likelihood ratio outperforms the post-decoding weighted PIC scheme with an empirical optimum weight in high SNR.
In conclusion, the proposed weighted PIC detector gives significant performance improvement while it requires slightly higher time complexity and a little more memory to save the reliability information compared with the previous post-decoding PIC detector. Hence, the proposed weighted PIC detector can be implemented in the base station receiver to increase user capacity of the next generation CDMA systems.
본 연구에서는 길쌈부호(convolutional code)화 되어 있는 부호분할 다중접속 (CDMA) 시스템의 수신기 성능을 개선하기 위해 새로운 가중 병렬 간섭제거 검파기(weighted parallel interference cancellation detector)가 제안되고 가중치(weight)를 결정하는 새로운 방법이 제시된다.
병렬 간섭제거 검파기(parallel interference cancellation detector)의 성능은 첫단계(first stage) 검파기의 성능에 많이 좌우된다. 채널부호화된 CDMA 시스템에서는 채널복호(channel decoding)에 의해 첫단계 검파기의 성능을 개선하는 복호 후 병렬 간섭제거 검파기(post-decoding parallel interference cancellation detector)가 사용될 수 있다. 길쌈부호화된 시스템의 복호를 위해서는 일반적으로 비터비 알고리즘(Viterbi algorithm)이 사용된다. 비터비 알고리즘이 첫단계 검파기의 성능개선을 위해 사용되면 비터비 알고리즘으로 부터 발생되는 연집에러(burst error)에 의해 간섭제거 후에 수행되는 두번째 단계(second stage)의 비터비 복호 성능이 열화된다. 따라서 채널복호를 사용하여 첫번째 단계의 성능을 개선함으로써 얻게 될 병렬 간섭제거 검파기의 성능향상이 상당히 제한된다. 본 연구에서는 복호 후 병렬 간섭제거 검파기가 가진 이러한 문제점을 개선하기 위해 가중 병렬 간섭제거 검파기가 효율적으로 사용될 수 있음을 보인다.
가중 병렬 간섭제거 검파기의 효용성은 많이 연구되어 왔으나 최적 가중치를 결정하는데 어려움이 있어 기존의 많은 가중 병렬 간섭제거 검파기들은 실험적으로 구한 가중치를 사용하였다. 가중치를 실험적으로 구하게 되면 간섭신호를 추정 및 재생하는데 사용되는 심볼(symbol)의 신뢰도(reliability) 정보를 이용할 수 없어 주어진 채널환경에서 일정한 가중치 값을 갖게 되고 또한 실제의 시스템에서 구현하기에 어려운 문제점이 있다. 본 연구에서는 검파된 심볼의 신뢰도 정보를 이용하여 심볼마다 가변하는 가중치를 갖는 새로운 가중 병렬 간섭제거 검파기가 제안된다. 심볼의 신뢰도 정보를 얻기위해 연성출력 비터비 알고리즘(soft-output Viterbi algorithm)이 첫번째 복호기로 이용된다. 연성출력 비터비 알고리즘으로부터 생성되는 정보 비트(information bit)의 오류확률(error probability) 및 검파된 비트가 옳을 확률과 오류일 확률사이의 확률 로그비(log-likelihood ratio)를 이용하여 각각에 해당하는 두 가지의 가중치 결정법(weight determination)이 제안된다.
성능평가를 위해 확산계수(spreading factor)가 24, 사용자 수가 12명인 길쌈부호화된 부호분할 다중접속 시스템에 대해 가우시안 (AWGN) 채널과 레일레이 페이딩 (Rayleigh fading) 채널에서 컴퓨터 시뮬레이션이 수행되었다. 제안된 두 가지의 가중치 결정법을 이용하는 가중 병렬 간섭제거 검파기는 모두 실제의 부호분할 다중접속 시스템이 동작되는 채널의 신호 대 잡음비인 7 dB부근에서 기존의 복호 후 병렬 간섭제거 검파기보다 우수한 성능을 나타내고 특별히 간섭신호가 많이 발생하는 채널에서 더 큰 성능개선을 보여준다. 그리고 신호 대 잡음비가 커질수록 기존의 복호 후 병렬 간섭제거 검파기보다 훨씬 우수한 성능을 나타내고 특히 확률 로그비를 이용하는 가중 병렬 간섭제거 검파기는 실험적으로 구한 최적의 가중치를 이용하는 가중 병렬 간섭제거 검파기보다도 더 우수한 성능을 나타낸다.
결론으로서 제안된 가중 병렬 간섭제거 검파기는 기존의 복호 후 병렬 간섭제거 검파기와 비교하여 계산량과 동작 시간 지연에서는 비슷하고 신뢰도 정보를 저장할 기억장소가 약간 더 필요로 하는 복잡도를 가지나 성능에서는 훨씬 우수한 결과를 보이고 있으므로 차세대 이동통신 시스템의 기지국 수신기로 구현되면 사용자 용량을 획기적으로 증대시킬 수 있을 것으로 기대된다.
