Conventional multi-user multiple-input multiple-output (MU-MIMO) mainly focused on Gaussian signaling, independent and identically distributed (IID) channels, and a limited number of users. It will be laborious to cope with the heterogeneous requirements in next-generation wireless communications, such as various transmission data, complicated communication scenarios, and massive user access. Therefore, this paper studies a generalized MU-MIMO (GMU-MIMO) system with more practical constraints, i.e., non-Gaussian signaling, non-IID channel, and massive users and antennas. These generalized assumptions bring new challenges in theory and practice. For example, there is no accurate capacity analysis for GMU-MIMO. In addition, it is unclear how to achieve the capacity optimal performance with practical complexity. To address these challenges, a unified framework is proposed to derive the GMU-MIMO capacity and design a capacity optimal transceiver, which jointly considers encoding, modulation, detection, and decoding. Group asymmetry is developed to make a tradeoff between user rate allocation and implementation complexity. Specifically, the capacity region of group asymmetric GMU-MIMO is characterized by using the celebrated mutual information and minimum mean-square error (MMSE) lemma and the MMSE optimality of orthogonal approximate message passing (OAMP)/vector AMP (VAMP). Furthermore, a theoretically optimal multi-user OAMP/VAMP receiver and practical multi-user low-density parity-check (MU-LDPC) codes are proposed to achieve the capacity region of group asymmetric GMU-MIMO. Numerical results verify that the gaps between theoretical detection thresholds of the proposed framework with optimized MU-LDPC codes and QPSK modulation and the sum capacity of GMU-MIMO are about 0.2 dB. Moreover, their finite-length performances are about 1~2 dB away from the associated sum capacity.


翻译:常规多用户多输出量(MU-MIMO)系统主要侧重于高斯信号、独立和相同分布的(IID)频道和数量有限的用户。在下一代无线通信中,如各种传输数据、复杂的通信情景和大量用户访问等,要应对不同要求将难以应对。因此,本文件研究一个通用的MU-MIMO(GMM-MIMO)系统,该系统有更实际的制约,即非Gusian信号、非IID频道、以及大型用户和天线。这些普遍假设在理论和实践上带来了新的挑战。例如,GMU-MIMO没有准确的能力分析。此外,如何以实际复杂程度实现能力最佳性能。为了应对这些挑战,建议一个统一框架来建立GMMMU-MIM(GMMMM-MMM)能力,并设计一个能力最佳的接收器,共同考虑数字、调制、检测和解析(GMMM-M-M-M(M-M-M-M-M-M-M-M-M-M-M-M-M-M-M-M-M-M-M-M-M-M-M-M-M-M-M-M-M-M-M-M-M-M-M-M-M-M-M-M-M-M-M-M-M-M-M-M-M-M-M-M-M-M-M-M-M-M-M-M-M-M-M-M-M-M-M-M-M-M-M-M-M-M-M-M-M-M-M-M-M-M-M-M-M-M-M-M-M-M-M-M-M-M-M-M-M-M-M-M-M-M-M-M-M-M-M-M-M-M-M-M-M-M-M-M-M-M-M-M-M-M-M-M-M-M-M-M-M-M-M-M-M-M-M-M-M-M-M-M-M-M-M-M-M-M-M-M

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