This thesis introduces a new approach to design space time trellis codes (STTCs) with large constellation size in wireless communication systems with any number of transmit antennas. Our design procedure is based on utilizing QPSK STTCs as component codes and consequently, unlike existing techniques, the search space does not grow exponentially with the constellation size. Our approach is further based on the fact that an n × m multiple-input multiple-output (MIMO) system is equivalent to n distinct 1 × m systems. By employing a common design for each individual 1 × m system, we arrive at an approach whose complexity does not grow with the number of transmit antennas. To describe our approach, we first demonstrate that a system employing a STTC can be implemented with only a single transmit antenna when there are multiple receive antennas. The idea is to transmit more than one symbol from a single transmit antenna during a symbol period by superimposing the encoded symbols on top of each other. This objective is achieved by inducing randomness into the system, that creates additional channel paths, called virtual paths. The design of the distributions of the induced random variables is studied for slow Rayleigh and Rician fading channels by utilizing an upper bound on the pairwise block error probability.
Furthermore, we propose practical approaches to reduce the computational complexity of our proposed scheme. we introduce two techniques, namely, a new flexible mapping that can reduce the complexity and a new soft decoding Viterbi algorithm based interference suppression concept. Simulation results demonstrate the frame error rate (FER) performance improvement of our approach compared to space-time block code (STBC) combined with trellis code modulation (TCM) for the case of two transmit antennas and several different number of receive antennas, a spectral efficiency of 4 bits/s/Hz, and in slow Rayleigh fading channels. Our proposed scheme requires similar or lower receiver computational complexity than STBC combined with TCM (STBC-TCM) while providing better FER performance. As the application of our design method, we propose a D-HD/DF mode relaying scenario adopting scalable STTC as a re-encoding scheme and show the preliminary results.
본 논문에서는 임의의 송신 안테나 개수를 가지는 무선 통신 시스템에서 고속 전송률을 가지는 큰 성상도 크기의 시공간 격자상 부호(space-time trellis codes, STTC) 설계를 위한 새로운 접근 방법을 소개하였다. 제안된 설계를 위해서는 구성 부호로서 QPSK STTC의 사용을 기본으로 구성하였기 때문에 기존의 STTC와는 달리 탐색 공간(search space)이 성상도의 크기에 따라 지수적으로 증가하지 않는다는 특징이 있다. 더 나아가 제안된 접근 방식은 n × m 다중 입력 다중 출력(multiple-input multiple-output, MIMO) 시스템이 n개의 개별적인 1 × m 시스템들과 동치라는 사실에 기반한다. 또한 각각의 개별적인 1 × m 시스템에 구성 부호를 이용한 공통된 부호 설계 기법을 적용함으로써 복호화 복잡도가 송신 안테나의 개수에 따라 증가하지 않는다는 장점을 가진다. 이러한 접근 방법을 구체화하기 위해 우선 본 논문에서는 다수개의 수신 안테나를 가지고 있을 때 단일 송신 안테나만을 이용해 구현될 수 있는 새로운 STTC 적용 시스템을 보였다. 이러한 개념은 다수개의 송신 안테나를 통해 전송될 부호화된 심볼들을 중첩시켜 놓음으로써 단일 송신 안테나를 통해 단일 심볼 기간 내에 하나 이상의 심볼들을 송신하고자 하는 것이다. 이러한 목적은 시스템에 임의성(randomness)을 유도함으로써 달성할 수 있는데, 이로써 가상 경로라 할 수 있는 추가적인 채널 경로가 생성된다. 이러한 유도 랜덤 변수들의 분포에 대한 설계는 쌍 블럭 오류 확률(pairwise block error probability)의 상계를 이용하여 느린 레일리 (Rayleigh)와 라이시안(Rician) 페이딩 채널 환경에 대해 연구되었다.
다음으로, 본 논문에서는 제안된 기법의 연산량 복잡도를 감소시키기 위한 시스템 구현의 실제적인 방법들을 제안하였다. 송신 신호를 위한 M-PSK 대응 기법을 통해 작은 크기의 성상도를 이용함으로써 오류확률의 열화 없이 연산량 감소가 1차적으로 가능해지며, 추가적으로 간섭 신호 제거 기법을 이용하여 복호화 복잡도를 더욱 감소시킬 수 있다. 기존의 격자상 부호화 변조(trellis coded modulation, TCM)와 연계된 시공간 블럭 부호(space-time block code, STBC)에 비해 제안된 기법을 통해 두개의 송신 안테나와 여러개의 수신 안테나를 가진 시스템에서 느린 레일리 페이딩 채널 환경 아래 4bits/s/Hz의 주파수 효율을 위한 프레임 오율 (frame error rate, FER) 성능이 향상됨을 모의실험을 통해 보였다.
