大规模MIMO中多进制LDMC码及低复杂度检测算法研究

Very large MIMO, also known as massive MIMO, is an extension of the existing MIMO technology. It is possible to increase the MIMO channel capacity and spectral efficiency dozens of times and may be used as one of the revolutionary technologies in 5G communications. However, in the massive MIMO system with hundreds of antennas, the complexity of detection algorithm has become one of the bottlenecks of its hardware implementation. Based on the connection between the MIMO transmission vector and the channel coding, this project researches on the mechanism to reduce the complexity of the MIMO detection algorithm and the quantity of MIMO channel information. Since nonbinary codes have very good performance for robust errors and may achieve MIMO channel capacity, nonbinary　LDMC codes will be more suit for the 5G communication with very complex channels．This project is going to further intensively and comprehensively study the theory and key technology of nonbinary LDMC code. Reveal the mechanism of controlling the complexity of massive MIMO detection algorithm with nonbinary LDMC codes. Propose more efficient decoding algorithms for the nonbinary LDＭC code based on its special structure. Furthermore, this project is also going to adjust the joint detection and decoding scheme and the degree distribution of nonbinary LDMC codes via EXIT chart．Based on the EXIT chart, this project will also establish a fusion scheme of nonbinary LDMC code and SD、FCSD、MMSE、ZF detection algorithms to reduce quantity of channel information for massive MIMO detection, to achieve more reliable and efficient massive MIMO transmission.

大规模MIMO技术能将MIMO信道容量和频谱效率提高数十倍，可望成为5G通信中具有革命性的技术。然而，检测算法的复杂度成为制约其实现的瓶颈之一。本项目拟以信道编码与MIMO发射向量的内在关联为出发点，研究LDMC码对大规模MIMO检测算法复杂度和信道状态信息需求的调控机制。由于多进制编码能够更好的应对信道的突发错误、逼近MIMO信道容量，多进制LDMC码将适应于信道更复杂的5G通信。本项目拟对多进制LDMC码进行深入的研究，明确多进制LDMC码降低大规模MIMO检测复杂度的机理；考察多进制LDMC码的结构特征，提出高效的并行译码算法；模拟联合检测译码过程，建立基于EXIT图优化多进制LDMC码度分布的方案；基于EXIT图优化多进制LDMC码与SD、FCSD、MMSE、ZF等检测算法的融合方案，降低大规模MIMO通信对信道状态信息的需求，为实现可靠高效的大规模MIMO信息传输提供保障。

本项目经过四年的过程进展顺利,研究成果较为丰富。本课题研究主要进行了无线通信网络中纠错码和MIMO技术的研究，取得了较丰富的成果。本项目原定预期发表优秀的国际期刊SCI 论文不少于6 篇，其中在IEEE 的期刊上发表的论文不少于3 篇，在通信领域有影响力的国际和国内会议上发表论文不少于6 篇。经过2017-2020年的努力，本项目实际发表国际期刊SCI论文25篇，其中在IEEE的期刊上发表的论文16篇。在发表论文质量和数量上超出预期。主要取得了以下研究进展：成果[1][12]中，我们提出了LDPC码译码的一种改良的PEG算法，以构造大周长的LDMC，称为PEG-LDMC。 我们分析了LDMC约束球解码（SD）的复杂性，并表明LDMC约束SD检测可用于MIMO系统中数据传输的高可靠性。 此外，我们针对LDMC提出了两种新的高效迭代解码算法，分别是高速串行解码和快速收敛的解码。 在论文[8]，我们构建了LDMC 码校验矩阵结构框架，确立LDMC 码与大规模MIMO 检测算法的融合方案并提出了双层LDMC码以及LDMC编码的MIMO中的传输矢量。仿真结果表明LDMC编码的MIMO系统ML检测的复杂性远低于传统的MIMO系统。在论文[14]中，我们提出用欧几里德几何方法构造空时分组编码空间调制系统的码书。新的码本构造方案比以前的穷举搜索方案更有效。本系统称为基于欧几里德几何的空时分组编码空间调制（EG-STBC-SM）系统。为了实现发射分集，论文[18]还提出了两种不同的方案来构造EG-STBC-SM系统的子码本。通过计算机仿真和理论上界，我们对EG-STBC-SM系统的误码率性能进行了评估。仿真结果表明，所提出的EG-STBC-SM系统优于各种现有的MIMO出传输同行相同或较低的频谱效率。