[论文解读] Integrated Semi-definite Relaxation Receiver for LDPC-Coded MIMO Systems

Kun Wang, Zhi Ding|arXiv (Cornell University)|Jun 12, 2018

Advanced Wireless Communication Techniques参考文献 26被引用 7

一句话总结

本文提出了一种用于LDPC编码MIMO系统的集成半定规划松弛（SDR）接收机，通过涡轮处理联合利用编码约束和软信息。通过将前向纠错（FEC）编码约束嵌入SDR检测公式，并采用带有迭代外信息交换的MAP-SDR检测器，该方法在显著降低复杂度的同时实现了接近最大似然（ML）的性能，相较于全列表SDR涡轮接收机，而一种简化的单SDR变体则在大幅降低运行时间的同时保持了近最优性能。

ABSTRACT

Semi-definite relaxation (SDR) detector has been demonstrated to be successful in approaching maximum likelihood (ML) performance while the time complexity is only polynomial. We propose a new receiver jointly utilizing the forward error correction (FEC) code information in the SDR detection process. Strengthened by code constraints, the joint SDR detector substantially improves the overall receiver performance. For further performance boost, the ML-SDR detector is adapted to MAP-SDR detector by incorporating a priori information in the cost function. Under turbo principle, MAP-SDR detector takes in soft information from decoder and outputs extrinsic information with much improved reliability. We also propose a simplified SDR turbo receiver that solves only one SDR per codeword instead of solving multiple SDRs in the iterative turbo processing. This scheme significantly reduces the time complexity of SDR turbo receiver, while the error performance remains similar as before. In fact, our simplified scheme is generic and it can be applied to any list-based iterative receivers.

研究动机与目标

• 解决MIMO系统中最大似然（ML）检测的高计算复杂度问题，同时保持接近最优的性能。
• 通过将前向纠错（FEC）编码约束直接整合到检测优化问题中，提升SDR检测性能。
• 通过在初始迭代中仅求解每个码字一个SDR，降低迭代SDR涡轮接收机的时间复杂度。
• 为后续迭代中外部信息生成开发一种通用且低复杂度的近似方案，同时保持性能。
• 证明联合码-SDR检测优于传统的SDR和基于列表的涡轮接收机，在误比特率和计算效率方面均表现更优。

提出的方法

• 将LDPC编码约束整合到SDR检测问题中，形成联合ML-SDR检测器，通过利用编码结构提升检测可靠性。
• 通过在目标函数中引入先验信息，将ML-SDR检测器改进为MAP-SDR检测器，实现软输入软输出处理。
• 采用涡轮处理框架，其中MAP-SDR检测器接收来自译码器的软输入，并输出外信息以实现迭代优化。
• 提出一种简化的SDR涡轮接收机，仅在首次迭代中求解每个码字一个SDR，并在后续迭代中使用低复杂度近似方法生成外信息。
• 使用最优SDR矩阵解的最后列作为符号估计值，避免随机化或秩一近似。
• 采用基于汉明半径的列表生成方法，结合初始对数似然比（LLRs）和译码器反馈LLRs，以极低计算量维持性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 将FEC编码约束集成到SDR检测中，是否能显著改善MIMO系统的误比特率（BER）性能？
• RQ2 联合MAP-SDR检测器在BER和复杂度方面与全列表SDR涡轮接收机相比表现如何？
• RQ3 仅在每个码字的首次迭代中求解一个SDR的简化SDR涡轮接收机，是否能在显著降低运行时间的同时实现接近全列表方法的性能？
• RQ4 所提出的外信息近似方案是否在不同基于列表的迭代MIMO接收机中均具有通用性和有效性？
• RQ5 在迭代处理中，每个码字使用单个SDR与使用多个SDR之间，在性能与复杂度之间存在何种权衡？

主要发现

• 集成编码约束的联合ML-SDR检测器相比未集成编码的常规SDR检测器，误比特率（BER）性能显著提升。
• 联合MAP-SDR涡轮接收机的性能与全列表SDR涡轮接收机相当，但时间复杂度显著降低。
• 简化的单联合SDR涡轮接收机在误比特率性能上与全列表方法几乎完全一致，尤其在高信噪比（SNR）下表现优异，同时运行时间大幅减少。
• 对于(256,128) LDPC编码的MIMO系统，所提出的单SDR接收机相比Mehran的基于列表的SDR方法，平均运行时间减少超过50%，且性能损失可忽略。
• 在BER ≈ 1e-4时，所提出的联合SDR接收机优于Mehran的基于列表和单SDR接收机，表明在误码平台区域具有明显性能优势。
• EXIT图分析表明，联合MAP-SDR接收机在低先验互信息（MI）条件下生成的外信息互信息高于全列表方法，表明其在早期迭代中收敛更快。