[논문 리뷰] Large MIMO Detection: A Low-Complexity Detector at High Spectral Efficiencies

K. Vishnu Vardhan, Saif Khan Mohammed외 2명|ArXiv.org|2008. 04. 07.

Advanced Wireless Communication Techniques참고 문헌 31인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 일련의 안테나를 가진 대규모 MIMO 시스템에 대해 저복잡도 검출기 MF/ZF/MMSE-LAS를 제안한다. 이 검출기는 매칭 필터, 제로 포싱, 또는 MMSE 출력에서 가능도 상승 탐색을 활용한다. 이는 O(N_t N_r) 평균 비트 복잡도로 단일 사용자 성능에 가까운 성능를 달성하며, 600×600 V-BLAST 시스템에서 200 bps/Hz에서 용량과 4.6 dB 이내 성능를 보이며, 근사 지수적 다양성과 고스펙트럼 효율성 MIMO 및 MC-CDMA 시스템에 대한 실용적 타당성을 입증한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 일련의 안테나를 가진 대규모 MIMO 시스템에 대해 실용적인 저복잡도 검출기가 부족한 문제를 해결한다.
• 구형 검출기인 구형 디코더와 같은 복잡도 장벽을 극복함으로써 고스펙트럼 효율성 MIMO 통신을 가능하게 한다.
• 대규모 MIMO 시스템에서 선형 복잡도 스케일링을 통해 근사 최대우도 성능를 달성한다.
• 분할 대수에서 유래한 비직교 공간-시간 블록 부호(STBC) 및 다중대역 CDMA 시스템으로 검출기의 적용 가능성을 확장한다.
• 고속도, 고스펙트럼 효율성 환경에서 용량에 근접한 성능와 저복잡도 검출을 통해 대규모 MIMO 시스템의 실용적 타당성을 입증한다.

제안 방법

• 원래 CDMA 다중 사용자 검출을 위해 개발된 가능도 상승 탐색(LAS) 검출기를 대규모 MIMO 시스템에 적용한다.
• LAS 알고리즘의 초기 벡터로 매칭 필터(MF), 제로 포싱(ZF), 또는 최소 제곱 오차(MMSE) 출력을 사용하여 수렴성과 성능를 향상시킨다.
• 가능도 상승이 단조롭게 증가하는 비트 벡터를 반복적으로 탐색함으로써 유한 단계 내에 고정점에 수렴하는 LAS 알고리즘을 적용한다.
• LAS의 선형 평균 비트 복잡도를 활용하여, 안테나 수가 많아져도 저복잡도를 유지한다. 이는 O(N_t N_r)로 스케일링된다.
• 외부 터보 코드와 통합하여 고스펙트럼 효율성 시스템에서 양호한 코딩된 비트 오류율 성능를 달성한다.
• 분할 대수에서 유래한 비직교 STBC 및 다중대역 CDMA 시스템으로 검출기를 확장하기 위해, LAS 검출에 적합한 형태로 모델링한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 수백 개의 안테나를 가진 대규모 MIMO 시스템에서 저복잡도 검출기가 근사 최대우도 성능를 달성할 수 있는가?
• RQ2 고스펙트럼 효율성 V-BLAST 시스템에서 고차원 변조 및 코딩을 사용할 경우 LAS 기반 검출기가 근사 단일 사용자 성능를 유지하는가?
• RQ3 제안된 검출기가 분할 대수에서 유래한 16×16 전체 전송률 비직교 STBC를 효과적으로 복원할 수 있는가?
• RQ4 고사용자 부하 및 주파수 선택성 fading을 동반한 과부하 다중대역 CDMA 시스템에서 검출기는 어떻게 성능를 보이는가?
• RQ5 대규모 사용자 CDMA 시스템에서 전통적인 검출기인 PIC 및 SIC에 비해 LAS 검출기가 성능와 복잡도 측면에서 뛰어나게 작용하는가?

주요 결과

• MF/ZF-LAS 검출기는 BPSK를 사용하는 200×200 V-BLAST 시스템에서 근사 지수적 다양성을 달성하며, MIMO fading 채널을 200개의 병렬 SISO AWGN 채널로 효과적으로 변환한다.
• BPSK와 레이트 1/3 터보 코딩을 사용하는 600×600 V-BLAST 시스템에서 200 bps/Hz의 스펙트럼 효율성에서 검출기는 이론적 용량과 4.6 dB 이내 성능를 보인다.
• 분할 대수에서 유래한 16×16 전체 전송률 비직교 STBC를 성공적으로 복원하였으며, 4-QAM과 레이트 3/4 터보 코딩을 사용할 경우 24 bps/Hz에서 용량과 5.5 dB 이내 성능를 달성한다.
• 과부하 다중대역 CDMA 시스템(α > 1)에서 MF-LAS 검출기는 선형 복잡도 스케일링을 유지하며 근사 단일 사용자 성능를 유지한다. 고간섭 및 저 SNR 조건에서 ZF-LAS보다 뛰어난 성능를 보인다.
• 고속도, 고스펙트럼 효율성 환경에서 평균 비트 복잡도가 O(N_t N_r)로 선형 스케일링되는 근사 용량 성능를 달성하여 실시간 구현에 실용적이다.
• 제안된 검출기는 IEEE 802.11n 및 IEEE 802.16e 표준에 통합될 잠재력을 보이며, 4×4, 8×8, 16×16 비직교 STBC의 포함을 통해 더 높은 스펙트럼 효율성을 가능하게 한다.