大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中消息傳遞迭代接收技術(shù)研究.pdf

1、隨著現(xiàn)代信息社會(huì)的不斷發(fā)展，以及智能終端設(shè)備的普及，未來移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)要求系統(tǒng)的傳輸速率在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上提高數(shù)千倍。大規(guī)模多輸入多輸出(Massive MIMO，Massive Multi-Input Multi-Output)技術(shù)能夠進(jìn)一步提升無線通信的頻譜效率，成為第五代移動(dòng)通信的研究重點(diǎn)。本文針對大規(guī)模MIMO上行鏈路接收復(fù)雜度較高的問題，深入研究了大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中消息傳遞迭代接收技術(shù)。
　　首先，針對信號(hào)處理中最常見的線性

2、模型的最優(yōu)檢測/估計(jì)問題，從自由能最小準(zhǔn)則出發(fā)，設(shè)計(jì)了基于因子圖的消息傳遞算法求解最優(yōu)檢測/估計(jì)問題中的后驗(yàn)邊緣概率密度函數(shù)。從計(jì)算邊緣函數(shù)問題出發(fā)，推導(dǎo)了最小化自由能與計(jì)算邊緣函數(shù)的等價(jià)關(guān)系，將求解邊緣函數(shù)問題轉(zhuǎn)化為自由能最小化問題，并結(jié)合因子圖給出了自由能近似方法:平均場近似、區(qū)域近似和Bethe近似。然后，基于約束Bethe自由能最小得到了置信傳播(BP,Belief Propagation)算法的收斂點(diǎn)，并簡化BP算法得到了低復(fù)

3、雜度的廣義近似消息傳遞(GAMP,Generalized Approximate Message Passing)算法?；诮艬ethe自由能最小推導(dǎo)了ADMM-GAMP(ADMM，Alternating Direction Method of Multipliers)算法。接著，分析了在任意測量矩陣下消息傳遞算法的收斂性，當(dāng)發(fā)送信號(hào)的先驗(yàn)信息為凸函數(shù)時(shí)，Damping-GAMP算法和ADMM-GAMP算法可以保證收斂到固定點(diǎn)。仿真結(jié)

4、果表明，當(dāng)發(fā)送信號(hào)為高斯隨機(jī)變量時(shí)，消息傳遞算法在高斯隨機(jī)矩陣下可以獲得與最小均方誤差(MMSE，Mininmum Mean Square Error)濾波一樣的估計(jì)性能。另外GAMP算法的復(fù)雜度比MMSE濾波低，不需要矩陣求逆。
　　其次，針對大規(guī)模MIMO上行鏈路接收復(fù)雜度較高的問題，從消息傳遞算法出發(fā)，設(shè)計(jì)了適用于大規(guī)模MIMO的消息傳遞接收機(jī)。從實(shí)際物理信道模型出發(fā)，研究了大規(guī)模MIMO信道的空間相關(guān)性，考慮到信道矩陣具備

5、非零均值、低秩、列相關(guān)和病態(tài)特征中的一種或多種特征，采用Damping-GAMP算法和ADMM-GAMP算法作為大規(guī)模MIMO接收機(jī)的檢測算法。同時(shí)，為了使消息傳遞檢測算法更快更準(zhǔn)確地收斂，我們提出采用奇異值分解(SVD，Singular Value Decomposition)進(jìn)行接收端預(yù)處理（消除了矩陣的列相關(guān)和病態(tài)特征）。接著，提出了基于軟輸入軟輸出(SISO，Soft-Input Soft-Output)消息傳遞檢測的迭代接收方

6、法。仿真結(jié)果表明，接收端預(yù)處理之后，Damping-GAMP和ADMM-GAMP檢測算法的誤符號(hào)率性能都要優(yōu)于MMSE檢測器。
　　最后，針對消息傳遞檢測算法存在檢測誤差的問題，從收發(fā)聯(lián)合優(yōu)化的角度出發(fā)，提出了能量擴(kuò)展變換(EST,Energy Spread Transform)大規(guī)模MIMO傳輸及消息傳遞接收方法。當(dāng)發(fā)送信號(hào)為QAM調(diào)制符號(hào)時(shí)，消息傳遞檢測算法在任意信道矩陣下不一定收斂，同時(shí)推導(dǎo)過程中高斯近似條件得不到滿足。針對