[论文解读] A Low-Complexity Soft-Output wMD Decoding for Uplink MIMO Systems with One-Bit ADCs

Seonho Kim, Namyoon Lee+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 10, 2017

Advanced Wireless Communication Techniques参考文献 15被引用 4

一句话总结

本文提出一种低复杂度的软输出加权最小距离（wMD）译码方法，用于上行链路大规模MIMO系统中的一比特ADC，可高效计算来自一比特量化信号的对数似然比（LLR）。通过整合受球面译码启发的分层码划分，该方法在显著降低复杂度的同时实现近乎最优性能，优于硬判决检测器及现有MIMO检测器，在计算负载相近的编码系统中表现更优。

ABSTRACT

This paper considers an uplink multiuser multiple-input-multiple-output (MU-MIMO) system with one-bit analog-to-digital converters (ADCs), in which $K$ users with a single transmit antenna communicate with one base station (BS) with $N_{ m r}$ receive antennas. In this system, a novel MU-MIMO detection method, named weighted minimum distance (wMD) decoding, was recently proposed by introducing an equivalent coding problem. Despite of its attractive performance, the wMD decoding has the two limitations to be used in practice: i) the hard-decision outputs can degrade the performance of a channel code; ii) the computational complexity grows exponentially with the $K$. To address those problems, we first present a soft-output wMD decoding that efficiently computes soft metrics (i.e., log-likelihood ratios) from one-bit quantized observations. We then construct a low-complexity (soft-output) wMD decoding by introducing {\em hierarchical code partitioning}. This method can be regarded as a sphere decoding in Hamming space, in that a search-spare is considerably reduced. Finally, we demonstrate that the proposed method significantly performs the state-of-the-art methods with a comparable complexity.

研究动机与目标

• 解决一比特ADC MIMO系统中因硬判决输出导致的性能退化问题，该问题限制了后续信道编码的有效性。
• 降低wMD译码中随活跃用户数K呈指数增长的计算复杂度。
• 通过从硬量化观测值生成可靠软度量，使先进软输入信道译码器（如置信传播）可在一比特MIMO系统中应用。
• 开发一种可扩展的译码框架，在接收端信道状态信息不完善（CSIR）条件下仍能保持高性能。

提出的方法

• 提出一种软输出wMD译码方法，直接从一比特量化观测值计算对数似然比（LLR），支持软信道译码。
• 引入分层码划分以减少搜索空间：将空间域码𝒞在多级上递归划分为子码，以限制候选码字数量。
• 基于分层划分定义缩减码𝒞_r(𝐫[t])，仅包含与观测信号接近的码字，从而限制译码复杂度。
• 通过类似球面译码的剪枝策略，在每一级基于距离度量选择子码，确保仅评估有希望的候选码字。
• 采用两阶段方法：预先计算码划分结构，随后利用基于距离的剪枝实现高效搜索。
• 利用空间域中不等的信道可靠性，适当地加权wMD度量中的距离，提升检测精度。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否高效地从一比特量化观测值计算软输出wMD译码，以实现高性能信道译码？
• RQ2 如何在不牺牲性能的前提下，降低wMD译码在大K情况下的指数级复杂度？
• RQ3 分层码划分在多大程度上减少了译码复杂度，同时保持接近ML的性能？
• RQ4 在使用一比特ADC的编码MIMO系统中，软输出wMD译码与硬判决检测器相比表现如何？
• RQ5 所提方法对接收端信道状态信息不完善（CSIR）的鲁棒性如何？

主要发现

• 所提软输出wMD译码在编码系统中相比硬判决wMD和ZF检测器取得显著性能增益，在帧错误率为10^-3时获得2.5 dB的SNR增益。
• 采用3级分层结构后，译码复杂度降低至原始wMD复杂度的1.7%，性能损失可忽略不计。
• 采用2级分层结构时，复杂度降低至原始值的10%，同时保持较小的性能差距，适用于实时系统。
• 在CSIR不完善条件下，软输出wMD译码在高SNR区域优于ML和ZF检测器，表现出更强的鲁棒性。
• 该方法使置信传播译码器可在一比特MIMO系统中应用，而硬判决输出下此类译码器不可行。
• 性能增益主要归因于软度量，如相同系统中置信传播译码器相比比特翻转译码器表现出更优的FER性能所示。