For higher data rates transmission with longer transmit range without additional signal bandwidth or more transmission power, coded multiple-input multiple-output (MIMO) systems have been intensively studied over the last few years and considered as a suitable ways to improve the performance of wireless communication systems. Consequently, coded MIMO technology was an essential and important part of modern wireless communication standards such as wireless local area networks (IEEE 802.11n), the 4-th generation cellular networks (4G), 3GPP-Long Term Evolution (LTE), and WiMAX. Several space-time codes were proposed to increase the spectral efficiency and/or transmission reliability. Orthogonal or quasi-orthogonal space-time block codes have (almost) full diversity gain by transmitting many replicas of the transmitted symbols through each antenna. However, the loss of the transmission rate was essential. The spatial multiplexing (SM) can increase the bandwidth efficiency by transmitting the independent stream through transmit antennas and its transmission rate is a full-rate. With the maximum-likelihood detector, SM-MIMO system has the maximal receive diversity gains. However, the disadvantage of the ML receiver is the high computational complexity to obtain the log-likelihood ratio (LLR) of the coded bit. As low-complexity strategies, linear detectors such as ZF or MMSE algorithms can be considered. Unfortunately, coded MIMO systems with linear detectors has the smaller diversity order than that of ML detector. An iterative receiver structure with a soft interference cancellation is another method to achieve the maximal receive diversity order.
In this dissertation, we introduce two bit-interleaved binary space-time codes (B-STC) with iterative decoding for a coded MIMO systems. The first B-STC scheme is proposed to obtain an increase in information rate without loss of diversity order, where two transmit and two receive antennas are used. Futhermore, because the proposed B-STC scheme is a binary code for coded MIMO systems, different types of channel codes and various space-time codes can be concatenated. To analyze the proposed scheme and verify the bit error performance, we derive a probability density function (pdf) of log-likelihood ratio (LLR) for the B-STC decoder output and approximate it with the pdf of MIMO detector output having the degraded SNR. The average bit error probability at the i-th iteration is represented in terms of moment generating function with differently distributed SNRs. Although the iterative decoder in the B-STC structure increases the computational complexity, the number of iterations i is not large (i<=3). In order to achieve near-capacity performance on MIMO channels, an iterative receiver structure with a soft interference cancellation scheme can be also adopted as an outer iteration. The second type of B-STC is proposed to obtain an additional diversity gain over the full-rate spatial multiplexing (SM) transmission. By applying the B-STC scheme, codeword bits from each stream are transmitted effectively through multiple layers. At the receiver, the iterative decoding is performed. The extrinsic information provided by the soft-in/soft-out (SISO) decoder is applied as an improved priori information after the B-STC decoding at the next iteration. Since a priori information can be extracted from multiple layers independently by the B-STC scheme, codeword bits have an improved diversity gain. In order to verify the proposed scheme, we derive the asymptotic bit error probability, which can be achieved after convergence of the iterative decoder. Finally, we validate the analytic results and assess the bit error performance of the proposed schemes.
무선 채널을 통해 고속의 데이터를 전송하거나 무선 구간의 신뢰도를 높이기 위해 다중 입출력 시스템 (MIMO)에 대한 많은 연구가 진행되고 있다. 직교 또는 의사 직교 시공간 부호 (STC)는 동일한 신호를 다수 시간 슬롯으로 전송함으로써 무선 구간의 신뢰도를 높일 수 있으나 데이터 전송률의 손실이 필요한 방식이다. 공간 다중화 방식 (SM)은 각 안테나 layer 별로 독립적인 심볼을 전송함으로써 데이터 전송률을 증가시킬 수 방식으로 ML방식의 검출기를 사용할 때 최대 수신 다이버시티를 얻을 수 있으나, ML 방식의 복잡도가 전송 안테나 수와 변조 지수에 따라 크게 증가하는 단점을 갖는다. 저복잡도 방식으로서 ZF 또는 MMSE 방식의 선형 검출기는 ML 방식에 비해 다이버시티 이득이 크게 감소한다. 또한 2개의 송수신 안테나를 갖는 다중 입출력 시스템에서 최대 전송률과 최대 다이버시티 이득을 동시에 얻을 수 있는 Golden 부호의 경우에도 ML 검출기를 기반으로 LLR을 얻으므로 매우 높은 복잡도를 갖는다.
본 논문에서는 다중 입출력 시스템의 정보 전송 속도나 다이버시티 이득을 개선할 수 있는 두 가지의 이진 시공간 부호를 제안한다. 첫번째 이진 시공간 부호는 제안한 B-STC 송신 구조에 반복 복호 방식을 적용하여 다이버시티 이득의 손실 없이 데이터 전송률을 증가시킬 수 있는 방식이다. 전송 효율을 증가시킬 수 있는 network coding 기법을 다중 입출력 시스템에 적용하여, 두번째 layer의 천공된 비트열을 첫번째 layer의 부호어와 XOR을 수행하여 첫번째 layer를 통해 전송한다. 반복 복호기를 적용함으로써 두번째 반복 복호에서부터 두번째 layer의 천공된 비트에 대한 LLR을 얻을 수 있으며, SISO 복호기와의 extrinsic 정보의 교환을 통해 반복 복호 회수가 증가함에 따라 복호기의 출력에 대한 신뢰도를 개선시킬 수 있다. 또한 제안한 방식의 수학적인 성능 분석을 위해 선형 MIMO 검출기를 적용했을 때 검출기 LLR의 pdf와 MGF를 분석하고, B-STC 복호기의 출력 LLR의 pdf를 유도하여 이를 검출기 LLR의 pdf로 근사화 함으로써 임의의 반복 복호 회수에서의 평균 비트 오류율의 upper bound를 유도하였다.
두번째 이진 시공간 부호는 동일한 전송률을 유지하면서 제안한 B-STC 송신 구조에 반복 복호 방식을 적용하여 추가적인 다이버시티 이득을 얻을 수 있는 방식이다. 다중 입출력 시 스템에 제안된 B-STC 방식을 적용함으로써, 각 개별 stream의 부호어들이 다수 layer를 통해 전송되는 효과를 얻는다. 수신기에서는 반복 복호를 수행하고, SISO 복호기의 출력으로 제공되는 extrinsic 정보가 B-STC 복호 과정을 거친 후 다음 반복 복호 과정에서 향상된 신뢰도를 갖는 priori 정보로서 채널 복호기에 입력된다. B-STC 방식에 의해 priori 정보는 다수 layer로부터 독립적으로 추출한 후에 결합되어 채널 복호기의 입력 LLR로서 전송되므로 결합된 입력 LLR의 다이버시티 이득이 증가하게 된다. 또한 제안된 방식의 성능 분석을 위해 반복 복호가 충분히 진행되어 exrinsic 정보가 수렴되었을 때 얻을 수 있는 비트 오류 확률의 upper bound를 유도하고 시뮬레이션과 비교 검증하였다.
제안한 이진 시공간 부호는 길쌈 부호, 터보 부호뿐만 아니라 다양한 채널 부호가 적용되어 연접될 수 있으며, 제안하는 방식이 심볼 매핑 이전의 binary field에서의 추가적인 시공간 부호이므로, 기존에 다양하게 연구된 직교 또는 의사 직교 시공간 부호, Golden 부호, Alamouti 부호 등이 모두 적용될 수 있다. 복호기 구조에서 추가적인 반복 복호가 수신기의 복잡도를 증가시키지만, 반복 복호의 회수는 3회 정도이다. MIMO 검출기는 ML검출기 뿐만 아니라 선형 검출기로 구성할 경우에도 상대적인 성능 이득이 있음을 성능 분석과 시뮬레이션을 통해 보였다.
