大规模MIMO系统中低复杂度关键算法研究

The low complexity key algorithms in massive MIMO system will be studied in depth in this project. It is expected that some innovations in key techniques for the massive MIMO system are obtained through some researches on the channel estimation and precoding algorithms based on truncated Kapteyn series, on the Message-Passing signal fast detection algorithm based on channel hardening, on the fast convergence algorithms. The detail research contents and objects are as follows. The channel estimation and precoding algorithms based on the truncated Kapteyn series are studied by adopting the truncated Kapteyn series to achieve the low complexity channel estimation and low complexity signal precoding. The Message-Passing signal fast detection algorithm based on channel hardening are researched to try utilizing the Message-Passing algorithm to achieve fast detection of the received signals. The fast convergence algorithms are discussed in detail by adopting the Gershgorin circle theorem and tri-diagonal matrix to improve the convergence rate of the Kapteyn series, and by adopting the Aitken-Damping combined convergence algorithm to improve the received signal detection rate. Through theoretical analysis, simulations and some necessary experiments, the proposed algorithms will be applied to real wireless communications system in the future.

本项目拟深入研究大规模MIMO系统中的低复杂度关键算法，通过对基于截短Kapteyn级数的信道估计与预编码算法、基于信道硬化的Message-Passing信号快速检测算法以及快速收敛算法等内容的研究，能够在大规模MIMO系统的关键技术方面有所创新。具体研究内容及目标是：研究基于截短Kapteyn级数的信道估计与预编码算法，尝试利用截短Kapteyn级数来实现低复杂度的信道估计和低复杂度的信号预编码；研究基于信道硬化的Message-Passing信号快速检测算法，在信道硬化情况下尝试利用Message-Passing算法来实现接收信号的快速检测；研究快速收敛算法，尝试利用Gershgorin圆盘-三对角矩阵来提高Kapteyn级数的收敛速率，尝试利用Aitken-Damping联合收敛算法来提高接收信号的检测速率。通过深入的理论分析、计算机仿真并辅之必要的实验，使所提算法将来能用于实际.

项目分别对大规模MIMO系统中低复杂度信道估计与预编码、信号快速检测算法和快速收敛算法进行了研究。首先提出了一种基于Kapteyn级数展开的低复杂度信道估计算法，并提出了一种基于加权Kapteyn级数展开的信道估计算法，研究表明所提算法的计算复杂度能得到有效降低，相应的加权算法能进一步提高收敛速率。然后提出了一种基于截短Kapteyn级数展开的低复杂度预编码算法以及一种Newton迭代预编码算法；为了提高收敛速率，提出了一种Newton优化迭代预编码算法；在此基础上，提出了一种基于Chebyshev迭代法的RZF预编码算法和一种低复杂度的并行共轭梯度预编码算法，两种算法都能提高收敛速率。在接收端，针对接收信号提出了一种改进的Jacobi迭代检测算法，以及提出了一种新的迭代离散低复杂度信号估计算法，以降低接收端译码复杂度，同时提高算法的收敛速率。在研究过程中，快速收敛算法融入到信道估计算法、预编码算法以及信号快速检测算法之中。本项目研究力求在关键问题上有所突破，从而为大规模MIMO关键技术方面贡献高质量的理论创新基础，同时对推广大规模MIMO的应用方面，具有重要的实际意义。