[论文解读] Iterative Turbo Receiver for LDPC-Coded MIMO Systems Based on Semi-definite Relaxation

Kun Wang, Zhi Ding|arXiv (Cornell University)|Mar 15, 2018

Advanced Wireless Communication Techniques参考文献 16被引用 7

一句话总结

本文提出了一种新型的迭代式Turbo接收机，用于LDPC编码的MIMO系统，采用半定松弛（SDR）技术，将前向纠错（FEC）码直接整合到检测优化中，以提高外信息的可靠性。主要贡献在于设计了一种简化的SDR Turbo接收机，每码字仅求解一次SDR问题，与现有基于SDR的方法相比，显著降低了复杂度，同时实现了接近容量的性能。

ABSTRACT

In this work, we develop a new iterative turbo receiver for LDPC-coded multi-antenna systems based on semidefinite relaxation (SDR). For a classical turbo receiver, forward error correction (FEC) code is only used at decoder. Nonetheless, by taking advantage of FEC code in the detection stage, our proposed SDR detector can output extrinsic information with much improved reliability to the decoder. We also propose a simplified SDR turbo receiver that solves only one SDR problem per codeword instead of solving multiple SDR problems 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 in the sense that it is applicable to any list-based iterative receivers.

研究动机与目标

• 开发一种新型的用于LDPC编码MIMO系统的迭代式Turbo接收机，采用半定松弛（SDR）技术，以提高检测的可靠性。
• 通过减少每码字求解的SDR问题数量，降低基于SDR的Turbo接收机的计算复杂度。
• 将FEC码约束整合到检测阶段，以提高迭代译码中外信息的质量。
• 设计一种简化的接收机，在仅求解每码字一个SDR问题的前提下，保持高性能。
• 证明所提方法在误比特率（BER）与复杂度权衡方面优于现有基于SDR的接收机。

提出的方法

• 提出一种联合SDR检测器，将LDPC码约束直接嵌入检测优化问题中，提升外信息的可靠性。
• 采用半定松弛（SDR）技术，以多项式时间复杂度逼近最大似然（ML）检测，并保证误差有界。
• 引入一种简化的Turbo接收机，仅在第一轮迭代中运行联合MAP-SDR检测器，后续迭代则采用低复杂度近似方法。
• 采用基于汉明距离的列表生成方法，无需额外的随机化或比特翻转步骤即可生成候选符号。
• 在迭代式Turbo处理框架中，实现SDR检测器与LDPC译码器之间的外信息交换。
• 对复数MIMO信号模型进行实数域变换，以在实数域中高效构建SDR公式。

实验结果

研究问题

• RQ1 将FEC码约束整合到SDR检测过程中，能否提高Turbo接收机中外信息的可靠性？
• RQ2 每码字仅求解一个SDR问题，能否在显著降低复杂度的同时保持接近容量的性能？
• RQ3 所提简化SDR Turbo接收机的性能与全列表及多轮迭代的SDR接收机相比如何？
• RQ4 所提联合SDR检测器是否优于依赖随机化或列表增强的现有SDR接收机？
• RQ5 汉明距离与截断参数对简化接收机收敛性与误码性能有何影响？

主要发现

• 在第一轮迭代中，联合MAP-SDR Turbo接收机的误比特率（BER）性能优于全列表Turbo接收机，尤其在低信噪比（SNR）下表现更优。
• 在后续迭代中，联合MAP-SDR接收机的性能收敛至全列表接收机水平，表明其具有良好的迭代收敛性。
• 仅每码字求解一个SDR问题的简化单次联合SDR接收机，其BER性能与多轮迭代SDR接收机相当。
• 所提单次联合SDR接收机在BER ≈ 1e-4附近显著优于“Mehran List SDR”接收机（后者在每轮迭代中均求解SDR）。
• 该简化接收机显著降低了计算复杂度，同时由于采用可靠的初始SDR解，保持了高可靠性。
• 该方法消除了列表生成过程中对随机化或比特翻转步骤的依赖，简化了检测流程，提升了效率。