下一代移动通信上行链路迭代接收机形式化设计方法研究

鉴于期望最大化、变分贝叶斯、因子图和积算法等理论在通信系统迭代接收机设计中的成功应用，能够融合它们优势的约束Bethe变分自由能方法势必会为高效的联合迭代接收机形式化设计带来新思路和新算法。本项目针对下一代移动通信上行链路系统复杂的信道环境，以寻求接收机总体性能最优为出发点，采用因子图对该系统进行综合建模和模块子图区域规划，以约束Bethe变分自由能与联合消息传递算法为主导，以多用户SC-FDE SDMA系统迭代接收机中同步、多用户检测、解码和信道状态信息跟踪等各功能模块的统一高效设计及模块之间的最佳激活调度为手段，深入研究该系统接收机形式化设计问题，结合系统特点提出简单有效的接收机算法。探讨多用户SC-FDE SDMA迭代接收机新的设计思路和方法，对改善系统性能、提高频谱利用率有着重要的现实意义，对其它系统接收机的设计也有重要的参考价值。

移动通信LTE和LTE-A等标准采用SC-FDE系统作为上行链路传输方案，本项目针对其收机设计中的信道估计与均衡、多用户检测和译码等问题进行较全面的系统性研究。为了充分利用系统各部分的相关性，本项目使用基于后验概率的因子图模型对系统中各模块进行统一建模，并采用统一的消息传递框架来设计形式化迭代接收机，其中在消息更新规则的设计与选择，以及消息调度机制的设计做出了突出贡献。特别地，利用因子图及消息传递算法，提出了基于变分推理的频域均衡与信道估计联合迭代算法；改进编码系统的消息更新规则，提出了联合信息重加权置信传播算法；针对SDMA上行链路系统，开展了进化算法辅助的信道估计和Turbo多用户检测联合优化技术的研究；通过最小化部分弱约束条件的Bethe自由能来设计联合BP-EP消息传递规则；从而指导联合消息传递规则应用于迭代信号处理，分别设计出ISI信道下联合BP-VMP及联合BP-EP算法 SC-FDE系统的迭代接收机，性能优于先进GAMP算法；提出了单载波宽带MIMO系统广义近似消息传递Turbo频域均衡算法，改善了传统MIMO Turbo频域均衡算法的性能同时降低了复杂度。另外，针对多用户 MISO/MIMO系统，采用基于修正的 Gram-Schmid方法使用排序QR分解代替传统的EVD/SVD分解方法, 设计干扰信道条件下的干扰对齐算法，以较低复杂度来实现干扰抑制，同时保持与现有算法相当的系统容量和迭代收敛。本项目研究工作的完成进一步完善迭代接收机的形式化设计理论和消息传递算法在迭代接收机中应用研究，且能推进基于消息传递算法的形式化设计在其他方面的应用。