基于概率计算的大规模MIMO检测方法

The massive multiple-input multiple-out (MIMO) system is considered as a key technology to improve the performance and capacity of wireless communications. The MIMO detection algorithm design is a critical method to implement the massive MIMO receiver. In the massive MIMO system, the dimension of channel matrix is 100X times larger than the traditional MIMO system. Hence, the huge computation loads of matrix operations are required which brings extremely high pressure for the baseband implementation. This project focuses on the low complexity and high performance massive MIMO detector. The stochastic computation is employed as a core technique to solve the problem, which can implement the complex arithmetic operations with simple logic gates. The goal of this project is improve the hardware efficiency and energy efficiency about 10 times. We believe this project can supply a solution for the requirement of high throughput and high efficiency of future communication system.

大规模MIMO技术是提升未来无线通信性能和容量的重要支撑技术；而基于大规模MIMO的检测方法为其核心的实现技术。由于在大规模MIMO系统中，所处理的信道矩阵维度较传统MIMO系统增大了将近两个数量级，因此需要消耗大量的运算资源用于矩阵的乘法和求逆，从而给未来基带信号处理及系统实现带来了巨大的压力。本课题以低复杂度、高性能的MIMO检测算法为切入点，以基于概率计算的MIMO检测算法为核心研究问题；提出了一种基于概率计算的低复杂度检测算法。其利用了概率计算的优良特性，使得处理复杂度大为降低，并有效的提高了处理速率，还降低了处理功耗。通过本课题的研究，使得大规模MIMO检测器在检测性能与传统方法相当的条件下，将速率/硬件复杂度（硬件效率）提高一个数量级，以及能量效率提高一个数量级；从而为未来高速、宽带无线/移动通信系统提供高吞吐量、高效的MIMO检测算法及高效实现方法。

未来主要的支撑技术，大规模（Massive）MIMO（Multi-Input Multi-Output）将是支撑未来无线通信发展的一非常重要的技术点，随着通信的发展其高性能解调技术将是非常重要的一个研究点。本项目“基于概率计算的大规模MIMO检测方法”按照拟定的研究计划完成了相关的研究工作，主要研究内容有：1.基于MCMC算法的概率MIMO检测器的算法设计；2. 利用BP算法实现基于概率计算的MIMO检测算法；3. 提出一种硬件可实现的概率大规模MIMO的设计和实现方案；4. 概率大规模MIMO检测器验证平台搭建；在项目的研究中，我们抓住面向大规模MIMO的概率低复杂度解调算法的设计与实现，做了大量的研究工作。在检测性能与传统方法相当的条件下，速率/硬件复杂度（硬件效率）提高一倍，以及能量效率提高一倍。从而为未来高速、宽带无线/移动通信系统提供高吞吐量、高效的MIMO检测算法及高效实现方法。以满足第五代移动通信系统高速，高效的发展需求。我们主要有如下的贡献点：基于置信传播算法BP-MIMO的内迭代干扰消除的概率MIMO解调算法。我们将MIMO算法映射为一个BP的解调方式，然后利用概率计算进行实现，实现结果表明在相同复杂度下其解调性能较传统方法提高了50%；基于Expecting-MIMO的大规模MIMO解调算法。我们利用基于概率的期望传播算法Expecting propagation算法来设计MIMO解调算法，其在相同解调性能的情况下，复杂度降低了60%；基于MCTS的概率MIMO解调算法。利用Alpha Go的核心算法来实现概率MIMO解调。其特点在于只需要指定Reward函数就可以自行进行智能的解调算法的设计。