[论文解读] 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 3

一句话总结

该论文提出了一种针对具有数十至数百根天线的大规模MIMO系统、复杂度较低的检测器MF/ZF/MMSE-LAS，通过在匹配滤波器、迫零或最小均方误差输出上进行似然上升搜索。该检测器在平均每位比特复杂度为O(N_t N_r)时，实现了接近单用户性能，且在600×600 V-BLAST系统中，频谱效率为200 bps/Hz时距离容量仅4.6 dB，展示了接近指数级分集增益，并证明了其在高 spectral efficiency MIMO和MC-CDMA系统中的实际可行性。

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.

研究动机与目标

• 解决具有数十至数百根天线的大规模MIMO系统中缺乏实用的低复杂度检测器的问题。
• 通过克服传统检测器（如球形检测器）的复杂度瓶颈，实现高谱效率MIMO通信。
• 在大规模MIMO系统中实现接近最大似然性能，并保持线性复杂度扩展。
• 将检测器的适用范围扩展至来自除环的非正交空时分组码（STBC）和多载波CDMA系统。
• 通过在高数据率、高谱效率场景下实现接近容量性能和低复杂度检测，证明大规模MIMO系统的实际可行性。

提出的方法

• 将原本为CDMA多用户检测开发的似然上升搜索（LAS）检测器，适配用于大规模MIMO系统。
• 使用匹配滤波器（MF）、迫零（ZF）或最小均方误差（MMSE）输出作为LAS算法的初始向量，以提升收敛速度和性能。
• 迭代应用LAS算法，搜索具有单调似然上升特性的比特向量，有限步内收敛至不动点。
• 利用LAS的线性平均每位比特复杂度（O(N_t N_r)）特性，即使在天线数量极高时也能保持低复杂度。
• 通过与外层Turbo码集成，实现在高谱效率系统中良好的编码比特误码率性能。
• 通过将非正交STBC（来自除环）和多载波CDMA系统建模为与LAS检测兼容的形式，将检测器扩展至这些系统。

实验结果

研究问题

• RQ1 低复杂度检测器是否能在具有数百根天线的大规模MIMO系统中实现接近最大似然的性能？
• RQ2 基于LAS的检测器在高谱效率V-BLAST系统中，使用高阶调制和编码时，是否能保持接近单用户性能？
• RQ3 所提出的检测器能否有效解码来自除环的大规模全速率非正交STBC（如16×16 STBC）？
• RQ4 在用户负载高且存在频率选择性衰落的过载多载波CDMA系统中，检测器性能如何？
• RQ5 在大规模用户CDMA系统中，LAS检测器是否能在性能和复杂度两方面均优于传统检测器（如PIC和SIC）？

主要发现

• 在200×200 V-BLAST系统中使用BPSK调制时，MF/ZF-LAS检测器实现了接近指数级分集增益，有效将MIMO衰落信道转换为200条并行的SISO AWGN信道。
• 在600×600 V-BLAST系统中，频谱效率为200 bps/Hz，使用BPSK和码率为1/3的Turbo编码时，检测器距离理论容量仅4.6 dB。
• 检测器成功解码了来自除环的16×16全速率非正交STBC，在24 bps/Hz频谱效率下使用4-QAM和码率为3/4的Turbo编码时，性能距离容量仅5.5 dB。
• 在过载多载波CDMA系统（α > 1）中，MF-LAS检测器保持了接近单用户性能，且复杂度线性扩展；在高干扰和低SNR条件下，其性能优于ZF-LAS。
• 在高数据率、高谱效率场景下，检测器实现了接近容量性能，且平均每位比特复杂度线性扩展为O(N_t N_r)，使其具备实时实现的实用性。
• 所提出的检测器展示了与IEEE 802.11n和IEEE 802.16e等标准集成的潜力，通过引入4×4、8×8和16×16非正交STBC，可实现更高的谱效率。