Multiple-input multiple-output system is considered as the technique to provide the spectral efficiency and diversity of wireless communication systems. Among several MIMO techniques, bit interleaved coded modulation (BICM) is a coding technique which is designed for fast fading channels. It was shown in [1] that with maximum likelihood (ML) detector, MIMO-BICM systems outperform space-time trellis codes in fast fading conditions. The disadvantage of the ML receiver is the high computational complexity for computing the log-likelihood ratio (LLR). However, recent advances in signal processing techniques have led to the development of the list sphere decoder (LSD), which generates the list around the received vector. If the numbers in a list are large, then the search remains exponential in size, whereas if the number is too small, then the performance of MIMO-BICM is deteriorated severely. A significant complexity reduction can be obtained by employing linear detectors such as zero-forcing (ZF) and minimum mean square error (MMSE) detectors in place of ML detector. Unfortunately, a coded MIMO-BICM system with a ZF detector or a MMSE detector has the smaller diversity order than that of system with a ML detector.
In this thesis, we will introduce the iterative receiver structures that consist of two components. The first thing is the detector, which is aimed to generate LLR's of coded bits. The second component is the channel decoder. Roughly, an iterative receiver can improve the performance significantly by exchanging the soft outputs of one component to the other. The iterative receivers with linear detectors are mainly studied in this thesis. A comprehensive analysis of MIMO-BICM with ZF detector is provided in [2]. However, the receiver structure of [2] is not iterative. It is well known that MMSE detector outperforms ZF detector. Besides finding the upper bound on bit error probability, we analyze the capacity of MIMO-BICM with MMSE detector to show the efficiency of MMSE detector. Finally we validate the analytical results and assess the performance in the uncorrelated MIMO channel.
다중입출력 (MIMO) 시스템은 4세대 이동통신의 출현으로 전송속도를 높일 수 있는 기술로 많은 연구가 진행되고 있다. 이러한 다중입출력 시스템의 수신기는 크게 loglikelihood raito (LLR) 값을 계산하는 검출기와 채널부호의 복호를 수행하는 복호기로 구성되어져 있다. 이 두가지 요소를 한번만 수행하는 수신기법과 달리 수신기 구성요소의 출력값을 반복적으로 사용하는 반복 수신기법이 현재 활발히 연구되고 있다. 반복수신기법은 검출기 또는 복호기의 출력값(extrinsic LLR) 을 다른 수신기 구성요소의 사전 LLR값으로 사용 하는 과정을 반복적으로 수행한다. 본 논문에서 다중입출력 시스템의 반복 수신기법에 관하여 서술하였다. 이러한 반복수신 기법을 Turbo 반복 수신기법의 검출기에 주로 사용되는 알고리즘은 최대우도 기법과 sphere decoding 알고리즘이 있다. 이러한 방식의 성능은 매우 우수하나 복잡도가 매우 높아 실제 구현이 불가능하다. 복호기의 출력을 이용하여 다중안테나 간섭 (multiple antenna interference, MAI) 을 줄이고 이를 바탕으로 새롭게 부호화된 비트의 LLR값을 계산하는 방식이 간섭제거 반복수신기법이다. 간섭제거 반복수신기의 검출기로는 zero-forcing (ZF) 검출기 또는 minimum mean squar error (MMSE) 검출기가 주로 이용된다. 간섭제거 반복수신기법은 성능의 열화가 필연적으로 발생하나 복잡도가 매우 작은 장점이 있다. 반복횟수가 증가하면 Turbo 반복 수신기법에 비하여 성능의 열화가 매우 작다. 본 논문에서 MMSE 검출기를 사용하는 간섭제거 반복 수신기법의 성능을 수학적으로 분석하였다. 성능분석을 먼저 MMSE검출기 출력의 signal-to-interference-and-noise ratio (SINR) 의 정확한 probability density function (pdf) 를 유도하였다. 이를 바탕으로 채널부호가 이용되지 않은 다중입출력 (uncoded MIMO) 시스템의 성능을 유도하였고, 길쌈부호가 적용된 (convolutional coded MIMO-BICM) 시스템의 오류확률 (bit error probability) 에 대한 upper bound를 유도하였다. 반복횟수가 (s) 인 경우의 성능에 대한 bound로 다중안테나 간섭의 power를 추정하여 (s+1) 인 경우의 성능에 대한 bound를 유도하는 가법을 제안하였다. 이러한 성능분석과 별도로 다중입출력 환경에서 최대우도 기법으로 얻을 수 있는 최대용량 (capacity)을 채널 환경이 좋은 상황 (high signal-to-noise ratio)에서 수학적으로 유도하고 이 두 용량의 차이가 송신안테나의 개수에 의존하는 사실을 증명하였다.
