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)代信息社會的不斷發(fā)展，以及智能終端設(shè)備的普及，未來移動通信標準要求系統(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)能夠進一步提升無線通信的頻譜效率，成為第五代移動通信的研究重點。本文針對大規(guī)模MIMO上行鏈路接收復雜度較高的問題，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，針對信號處理中最常見的線性

2、模型的最優(yōu)檢測/估計問題，從自由能最小準則出發(fā)，設(shè)計了基于因子圖的消息傳遞算法求解最優(yōu)檢測/估計問題中的后驗邊緣概率密度函數(shù)。從計算邊緣函數(shù)問題出發(fā)，推導了最小化自由能與計算邊緣函數(shù)的等價關(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，并簡化BP算法得到了低復

3、雜度的廣義近似消息傳遞(GAMP,Generalized Approximate Message Passing)算法。基于近似Bethe自由能最小推導了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，當發(fā)送信號的先驗信息為凸函數(shù)時，Damping-GAMP算法和ADMM-GAMP算法可以保證收斂到固定點。仿真結(jié)

4、果表明，當發(fā)送信號為高斯隨機變量時，消息傳遞算法在高斯隨機矩陣下可以獲得與最小均方誤差(MMSE，Mininmum Mean Square Error)濾波一樣的估計性能。另外GAMP算法的復雜度比MMSE濾波低，不需要矩陣求逆。
　　其次，針對大規(guī)模MIMO上行鏈路接收復雜度較高的問題，從消息傳遞算法出發(fā)，設(shè)計了適用于大規(guī)模MIMO的消息傳遞接收機。從實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接收機的檢測算法。同時，為了使消息傳遞檢測算法更快更準確地收斂，我們提出采用奇異值分解(SVD，Singular Value Decomposition)進行接收端預處理（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，接收端預處理之后，Damping-GAMP和ADMM-GAMP檢測算法的誤符號率性能都要優(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)，提出了能量擴展變換(EST,Energy Spread Transform)大規(guī)模MIMO傳輸及消息傳遞接收方法。當發(fā)送信號為QAM調(diào)制符號時，消息傳遞檢測算法在任意信道矩陣下不一定收斂，同時推導過程中高斯近似條件得不到滿足。針對