[论文解读] Near Capacity Approaching for Large MIMO Systems by Non-Binary LDPC Codes with MMSE Detection

Puripong Suthisopapan, Kenta Kasai+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 5, 2012

Advanced Wireless Communication Techniques参考文献 30被引用 3

一句话总结

该论文提出了一种非二进制LDPC编码的大规模MIMO系统，采用低复杂度MMSE检测，实现了接近容量的性能。通过利用软输出MMSE检测和中等长度的非二进制LDPC码（在GF(2^8)上），该系统在600×600大规模MIMO系统中采用16-QAM调制时，误比特率距离MIMO容量仅3.4 dB，相较于现有turbo编码和二进制LDPC编码系统，其SNR增益超过6 dB。

ABSTRACT

In this paper, we have investigated the application of non-binary LDPC codes to spatial multiplexing MIMO systems with a large number of low power antennas. We demonstrate that such large MIMO systems incorporating with low-complexity MMSE detector and non-binary LDPC codes can achieve low probability of bit error at near MIMO capacity. The new proposed non-binary LDPC coded system also performs better than other coded large MIMO systems known in the present literature. For instance, non-binary LDPC coded BPSK-MIMO system with 600 transmit/receive antennas performs within 3.4 dB from the capacity while the best known turbo coded system operates about 9.4 dB away from the capacity. Based on the simulation results provided in this paper, the proposed non-binary LDPC coded large MIMO system is capable of supporting ultra high spectral efficiency at low bit error rate.

研究动机与目标

• 缩小编码大规模MIMO系统与理论MIMO容量之间的性能差距。
• 研究非二进制LDPC（NBLDPC）码在具有低复杂度检测的大规模MIMO系统中的可行性与性能。
• 评估MMSE检测作为NBLDPC译码中软输入源在高维MIMO环境下的有效性。
• 为未来编码大规模MIMO系统设计建立基准性能。

提出的方法

• 设计在GF(2^8)上的非二进制LDPC码，采用稀疏校验矩阵，以提升高阶调制下的纠错性能。
• 实现低复杂度MMSE检测器，为NBLDPC译码器提供软输入，避免最优检测带来的指数级复杂度。
• 基于接收符号的条件概率，利用对数似然比度量从MMSE检测器中推导出软输出LLR值。
• 通过在NBLDPC码的因子图上进行消息传递，将MMSE的软输出与迭代译码集成。
• 采用固定迭代次数的迭代检测-译码机制，以在性能与复杂度之间取得平衡。
• 在瑞利衰落信道下对大规模MIMO配置（如600×600）进行16-QAM调制的系统仿真。

实验结果

研究问题

• RQ1 非二进制LDPC码是否能在采用低复杂度MMSE检测的大规模MIMO系统中实现接近容量的性能？
• RQ2 与现有turbo编码和二进制LDPC编码系统相比，NBLDPC编码的大规模MIMO系统在误比特率和与容量的SNR距离方面表现如何？
• RQ3 为何MMSE检测器——尽管其未编码性能较差——在与NBLDPC译码配对时能实现优异的编码性能？
• RQ4 MMSE检测生成的软输出质量对高维大规模MIMO系统整体性能有何影响？
• RQ5 中等长度的NBLDPC码是否能在无需最优检测的情况下实现大规模MIMO系统中的接近容量性能？

主要发现

• 所提出的NBLDPC编码大规模MIMO系统在600×600大规模MIMO系统中采用16-QAM调制和码率R=1/3时，误比特率距离理论MIMO容量仅3.4 dB。
• 该系统相较于已知性能最佳的turbo编码大规模MIMO系统，SNR增益超过6 dB，后者在相同条件下距离容量达9.4 dB。
• 采用MMSE检测的NBLDPC编码系统在所有仿真SNR范围内，其误比特率性能均优于二进制LDPC编码系统和turbo编码系统。
• 尽管MMSE检测器的分集增益较低，但其软输出质量优异，与NBLDPC译码结合后可在编码系统低SNR工作区域实现接近最优的性能。
• 与先前工作相比，该系统与容量的性能差距显著减小，确立了NBLDPC-MMSE系统为文献中报道的最佳性能编码大规模MIMO配置。
• 结果表明，NBLDPC码是大规模MIMO系统中更优的信道编码选择，尤其在使用高阶调制时更为突出。