低复杂度大规模MIMO信号检测算法与硬件架构研究.pdf

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1、学校代码:10286分类号:TN929.53密级:公开UDC:621.3学号:150823低复杂度大规模MIMO信号检测算法与硬件架构研究研究生姓名:吴至榛导师姓名:尤肖虎教授张川副教授申请学位类别工程硕士学位授予单位东南大学一级学科名称信息与通信工程论文答辩日期二级学科名称通信与信息系统学位授予日期答辩委员会主席评阅人2018年6月10日硕硕士学位论文硕士学位论文低复杂度大规模MIMO信号检测算法与硬件架构研究专业名称:信息与通信工程研究生姓名:吴至榛导师姓名:尤肖虎教授张川࢟教授LOW-COMPLEXITYALGORITHMSA

2、NDIMPLEMENTATIONSFORMASSIVEMIMODETECTIONAThesissubmittedtoSoutheastUniversityFortheAcademicDegreeofMasterofEngineeringBYZhizhenWuSupervisedby:Prof.XiaohuYouandProf.ChuanZhangSchoolofInformationScienceandEngineeringSoutheastUniversity2018/6/10东南大学学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我

3、个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。研究生签名：日期：东南大学学位论文使用授权声明东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文

4、被查阅和借阅，可以公布（包括刊登）论文的全部或部分内容。论文的公布（包括刊登）授权东南大学研究生院办理。研究生签名：导师签名：日期：摘要近年来，随着无线通信技术的飞速发展，第五代移动通信技术（5G）已经成为了国内外无线通信领域的研究热点。本文主要针对5G中的两大关键技术，即大规模多输入多输出（MIMO）系统和Polar码，做了一些研究。基于大规模MIMO背景，在传统的多项式级数展开的线性低复杂度检测算法的基础上，本文提出了软输出迭代Neumann级数展开检测算法，并对其进行收敛性、性能、复杂度分析；提出的软输出方法很好地利用了原来级

5、数方法与信道固化性质，在较好传输条件下，相比经典的Cholesky算法，能很好地体现低复杂度优势。在Gauss-Seidel（GS）检测算法的基础上，本文提出了基于改进的GS方法的大规模MIMO检测算法，并提供了相应的硬件架构设计和实现结果。改进后的算法具有快速收敛于精确MMSE检测性能和适应各种恶劣传播环境的优点。数值仿真和现场可编程门阵列（FPGA）实现结果显示提出的检测器在硬件效率方面和错误率性能方面均占有一定优势。在GS检测算法的基础上，本文还提出了一种低复杂度、硬件友好的并行GS检测算法。和传统的GS检测算法相比，并行GS

6、检测算法能够提高硬件实现的并行度，同时几乎不损失性能；且具有良好的伸展性，尤其适合大规模MIMO系统。FPGA综合结果表明提出的检测器还具有硬件效率更高的优势。在GS检测算法的基础上，本文还提出了采用预条件技术提高收敛性能的预条件GS检测算法。和传统的GS检测算法相比，预条件GS检测算法在系统负载系数较大和相关信道的大规模MIMO系统中能取得更好的检测性能。同时，本文还提出了对应的高效检测器，其良好的硬件效率和伸缩性尤其适合用户数很多的大规模MIMO系统。在多项式级数展开检测算法的基础上，本文提出了基于Neumann级数的改进的三对

7、角矩阵近似求逆算法。改进后的算法对于大规模MIMO检测问题能够很好地取得计算复杂度和错误率性能的折中。同时，本文还提供了改进的检测器的硬件架构设计和FPGA实现结果。结果显示，改进的检测器取得了最高的硬件效率。基于大规模MIMO背景，本文还提出一系列可调收敛速率的大规模MIMO迭代检测方法。这些方法的主要优点在于可以根据系统特性和传播环境进行灵活的配置，从而达到更好的检测效果以及更低的实现复杂度。同时，本文还将这一系列可调收敛速率算法全部统一在一个更加通用的框架内，提出了完全可调的检测算法。在分块对角阵近似求逆的基础上，本文提出了适

8、用于用户配备多天线情况的大规模MIMO系统的低复杂度检测算法。同时，本文还将两者结合起来，设计了块对角阵近似求逆检测器的高效硬件架构。在Polar码置信传播（BP）译码的基础上，本文提出了多重缩放置信传播译码算I法，用以加快Polar