[論文レビュー] Large MIMO Detection: A Low-Complexity Detector at High Spectral Efficiencies

K. Vishnu Vardhan, Saif Khan Mohammed+2 more|ArXiv.org|Apr 7, 2008

Advanced Wireless Communication Techniques参考文献 31被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、数十〜数百本のアンテナを備えた大型MIMOシステム向けに、一致フィルタ、ゼロフォース、またはMMSE出力における尤度上昇探索を用いた低複雑度検出器MF/ZF/MMSE-LASを提案する。この検出器は、O(N_t N_r)の平均ビットあたり複雑度で単一ユーザー性能に近い性能を達成し、600×600 V-BLASTシステムにおいて200 bps/Hzのスペクトル効率で容量から4.6 dB以内の性能を示しており、高スペクトル効率MIMOおよびMC-CDMAシステムにおける近似的な指数的分岐と実用的妥当性を示している。

ABSTRACT

We consider large MIMO systems, where by `{\em large}' we mean number of transmit and receive antennas of the order of tens to hundreds. Such large MIMO systems will be of immense interest because of the very high spectral efficiencies possible in such systems. We present a low-complexity detector which achieves uncoded near-exponential diversity performance for hundreds of antennas (i.e., achieves near SISO AWGN performance in a large MIMO fading environment) with an average per-bit complexity of just $O(N_tN_r)$, where $N_t$ and $N_r$ denote the number of transmit and receive antennas, respectively. With an outer turbo code, the proposed detector achieves good coded bit error performance as well. For example, in a 600 transmit and 600 receive antennas V-BLAST system with a high spectral efficiency of 200 bps/Hz (using BPSK and rate-1/3 turbo code), our simulation results show that the proposed detector performs close to within about 4.6 dB from theoretical capacity. We also adopt the proposed detector for the low-complexity decoding of high-rate non-orthogonal space-time block codes (STBC) from division algebras (DA). For example, we have decoded the $16 imes 16$ full-rate non-orthogonal STBC from DA using the proposed detector and show that it performs close to within about 5.5 dB of the capacity using 4-QAM and rate-3/4 turbo code at a spectral efficiency of 24 bps/Hz. The practical feasibility of the proposed high-performance low-complexity detector could potentially trigger wide interest in the implementation of large MIMO systems. In large MC-CDMA systems with hundreds of users, the proposed detector is shown to achieve near single-user performance at an average per-bit complexity linear in number of users, which is quite appealing for its use in practical CDMA systems.

研究の動機と目的

• 数十〜数百本のアンテナを備えた大型MIMOシステムにおける実用的低複雑度検出器の不足に対処すること。
• 球体デコーダなどの従来の検出器の複雑度ボトルネックを克服することで、高スペクトル効率MIMO通信を可能にすること。
• 大型MIMOシステムにおいて線形の複雑度スケーリングを達成しつつ、近似最大尤度性能を実現すること。
• 除法代数から得られる非直交空間時間ブロック符号（STBC）およびマルチキャリアCDMAシステムへの検出器の適用範囲を拡張すること。
• 高レート・高スペクトル効率環境における近似容量性能と低複雑度検出を示すことにより、大型MIMOシステムの実用的妥当性を実証すること。

提案手法

• 元々CDMAマルチユーザー検出に開発された尤度上昇探索（LAS）検出器を大型MIMOシステムに適応すること。
• LASアルゴリズムの初期ベクトルとして、一致フィルタ（MF）、ゼロフォース（ZF）、または最小平均二乗誤差（MMSE）出力を用いることで収束性と性能を向上させること。
• 尤度が単調に上昇するビットベクトルを繰り返し探索することで、有限ステップで固定点に収束するLASアルゴリズムを適用すること。
• LASの平均ビットあたり線形複雑度（O(N_t N_r)）を活用し、アンテナ数が増加しても低複雑度を維持すること。
• 高スペクトル効率システムにおける良好な符号化ビット誤り率性能を達成するため、外側のターボ符号と統合すること。
• 除法代数から得られる非直交STBCおよびマルチキャリアCDMAシステムに対して、LAS検出と互換性のある形式にモデル化することで、検出器の拡張を図ること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 数百本のアンテナを備えた大型MIMOシステムにおいて、低複雑度検出器が近似最大尤度性能を達成できるか？
• RQ2 高スペクトル効率V-BLASTシステムにおいて、高次変調および高レート符号化を用いた場合でも、LASベースの検出器が近似単一ユーザー性能を維持できるか？
• RQ3 提案された検出器は、16×16 STBCのような大規模フルレート非直交STBCを効果的に復調できるか？
• RQ4 高ユーザー負荷および周波数選択フェージングを伴う過負荷マルチキャリアCDMAシステムにおいて、検出器の性能はいかがなものか？
• RQ5 大規模ユーザーCDMAシステムにおいて、PICやSICといった従来の検出器と比較して、LAS検出器は性能と複雑度の両面で優れているか？

主な発見

• 200×200 V-BLASTシステムにおいてBPSKを用いた場合、MF/ZF-LAS検出器は近似的に指数的分岐を達成し、MIMOフェージングチャネルを200本の並列SISO AWGNチャネルに効果的に変換している。
• 200 bps/Hzのスペクトル効率、BPSKおよびレート1/3ターボ符号を用いた600×600 V-BLASTシステムにおいて、検出器は理論的容量から4.6 dB以内の性能を示している。
• 除法代数から得られる16×16フルレート非直交STBCを正常に復調し、4-QAMおよびレート3/4ターボ符号を用いた24 bps/Hzで容量から5.5 dB以内の性能を達成している。
• 過負荷マルチキャリアCDMAシステム（α > 1）において、MF-LAS検出器は線形複雑度スケーリングを維持しながら近似単一ユーザー性能を達成しており、高干渉および低SNR環境でZF-LASを上回っている。
• 平均ビットあたり複雑度がO(N_t N_r)として線形にスケーリングする高レート・高スペクトル効率環境において、近似容量性能を達成しており、リアルタイム実装に実用的である。
• 提案された検出器は、IEEE 802.11nおよびIEEE 802.16eなどの規格への統合の可能性を示しており、4×4、8×8、16×16の非直交STBCの導入により、より高いスペクトル効率を実現できる。