（信号与信息处理专业论文）mimo通信系统中的非线性译码研究.pdf

摘要 摘要 近年来，无线通信领域发展迅速，手持移动终端得到普及，各种移动多媒体 新业务呼之欲出，越来越多的应用需要高速无线接入。由于无线传输受到信号衰 落和噪声的影响，为了实现高数据速率和高业务质量，要求采用新技术来提高频 谱效率和改善链路可靠性。在发射机和接收机使用多个天线进行数据传输的多输 入多输出( m i m o ) 技术，可以在不增加带宽和天线发送功率的条件下，成倍的提 高频谱利用率，提高系统的信道容量，还可以抗多径干扰。在宽带城域网( 如 w i m a x ) 、移动通信长期演进( l t e ) 和超宽带通信( 1 1 w b ) 等主流无线通信中 都将采用m 1 m o 天线技术。 非线性信号处理技术在波束形成中已得到广泛关注，其能够有效利用传统线 性技术处理中丢弃的信号高阶统计特性，从而更有效的估计系统模型各参数。在 m i m o 通信系统领域中主要采用的是线性译码技术，国内外对非线性译码的研究 还比较少。采用非线性译码能提高m i m o 系统译码性能，可以为通信技术的进一 步发展和应用作出贡献，但是在处理过程中，较大的计算复杂度往往阻碍了非线 性算法的应用实现。通过采用稀疏化降维的思想方法，能够有效降低非线性处理 的计算复杂度，为其在实际工程中的广泛应用奠定基础。本文就是以这一背景而 展开的。 本文以移动通信发展的历程为开端，介绍了下一代移动通信中的关键技术， 接着给出了下一代移动通信系统中将广泛应用的m i m o 技术和空时编码技术，然 后在第三章介绍了常规m i m o 系统线性译码准则和算法，在第四章对非线性算法 进行了阐述，在准静态瑞利衰落m i m o 信道中，比较研究了其对阵列接收和m i m o 系统译码性能的提高，在第五章中针对非线性处理维数高、计算复杂度较大的问 题，研究了基于矩阵降维思想的多维空间稀疏化方法来解决非线性处理计算复杂 度。第六章针对m i m o 系统多用户干扰的闯题，研究了非线性多用户检测方法， 并完成不同参数条件下的性能比较。本文通过大量仿真实验结果证明了非线性算 法的有效性和优越性。最一章给出了全文总结和对未来的展望。 关键词：m i m o ，下一代通信系统，空时编码，非线性，多用户检测 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s , t h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nd e v e l o p sq u i c k l y ，m o b i l ep h o n eg e t s u n i v e r s a la n dv a r i o u sn e wb u s i n e s s e so fm o b i l em u l t i m e d i as e e m sr e a d yt oc o m e o u t , m o r ea n dm o r ea p p l i c a t i o n sn e e dh i g hd a t ar a t ea c c e s s b e c a u s eo ft h ea f f e c t i o no fn o i s e a n ds i g n a lf a d i n g , j no r d e rt or e a c hh i f g hd a t ar a t ea c c e s sa n dh j 曲q u a i l t y , w i r e l e s s c o u l m a n i c a t i o nn e e d sn e w t e c h n o l o g yt oi n i p r o v et h el i n kr e l i a b i l i t ya n de n h a n c et h e s p e o t l 3 1 me f f i c i e n c y m i m o ( m u l t i p l ei n p u ta n dm u l t i p i eo u t p u t ) c a ne n h a n c et h e s p l e c t r u me f f i c i e n c ya n di n c r e a s ec h a r m e lc a p a c i t yg r e a t l y , a n dr e d u c et h em u l t i p a t h a f f e c t i o nw i t h o u ts p e c t r u mb a n da n dp o w e ri n c r e a s i n g 1 1t h ew l d e b a n dc i t ya r e a l l e t w o r k ( e g w i m a ) ( ) ，t h em o b i l ec o m m u n i c a t i o n1 0 n g - t e n ne v o l u t i o na n dt h e u l t r a - w i d eb a u de t c w i l la d o p tt h em i m 0a n t e n n at e c h n i q u e n o n l i n e a rs i g n a lp r o c e s s i n gt e c h n o l o g yh a so b t a i n e dt h ew i d ea r e n t i o ni nt h e b e a m f o r m i n g , i tc a ne f f i c i e n t l yu e st h eh i e g h o ro r d e rs t a t i s t i ci n f o r m a t i o nw h i c hi n t r a d i t i o n a ll i n e a rt e c h n o l o g yp r o c e s s i n gd i s c a r d e d ，t h u sm o r ee f f e c t i v ee s t i m a t ev a r i o u s s y s t e mp a r a m e t e r s t h ed o m e s t i ca n df o r e i g nr e s e a r c h e so fu s i n gt h en o n l i n e a r d e c o d i n gt e c h n o l o g yi nt h em i m 0c o m m n n i c a t i o ns y s t e ma r ea tt h es t a r t s t a g e b y i m p r o v i n gt h em i m os y s t e md e c o d i n gp e r f o r m a n c e t h en o n l i n e a rt e c h n o l o g yc a n m a k et h ec o n t r i b u t i o nf o rt h ec o m m u n i c a t i o nd e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o n b u ti nt h e t r e a t i n gp r o c e s s e s ，b i g g e rc a l c u l a t i o nc o m p l i c a t i o no b s t r u c t si t sa p p l i c a t i o n t h r o u 曲 u s i n gt h em e t h o do fs p a r s i n gt h es i g n a ls p a c ed i m e n s i o n ，c a ne f f e c t i v e l yr e d u c e n o n - l i n c a rp r o c e s s i n gc o m p u t a t i o nc o m p l e x ，t h u si a y st h ef o u n d a t i o ni nt h ea c t u a l p r o j e c tw i d e l y t h i st h e s i sh a sd o n es o m er e s e a r c hu n d e r t h i sb a c k g r o u n d f i r s t l y , t h i st h e s i si n t r o d u c e dt h ed e v e l o p m e n to fm o b i l ec o m m u n i c a t i o n t h e n g i v e no u tt h ek e yt e c h n o l o g yo fn e x tg e n e r a t i o nc o m m u n i c a t i o n m i m 0a n ds t b ca r e g i v e no u ti nt h en e x tc h a p t e r s o m eg e n e r a ll i n e a rd e c o d i n gc r i t e r i o n sa n da l g o r i t l u n s a r ei n t r o d u c e ds u b s e q u e n t l y t h en o n l i n e a ra l g o r i t h mi sg i v e no u ti nt h ef o u r t hc h a p t e r , a n dp a y e dm u c ha t t e n t i o nt ot h ed e c o d i n gi m p r o v e m e n ti nt h ea r r a yr e c e i v ea n dt h e m 口m 0s y s t e mi nt h eq u a s i s t a t i cr a y l e i g hf a d i n gc h a n n e l t h em e t h o do fs p a r s i n gt h e s i g n a ls p a c ed i m e n s i o n sw h i e l le f f e c t i v e l yr e d u c i n gn o n - l i n e a rp r o c e s s i n gc o m p u t a t i o n c o m p l e xi sr e a s e r c h e di nt h ef i f t hc h a p t e r t h cn o n l i n e a rm u l t i u s e rd e t e c t i o ns c h e m e s a r es t u d i e di nt h en e x tc h a p t e r ，c o n s i d e r i n gt h ed i f f e r e n tp a r a m e t e rc o n d i t i o n 黜t h e s i s h a s p r o v e nt h ev a f i d i t ya n ds u p e r i o r i t yo ft h en o n l i n e a ra l g o r i t h mt h r o u g ht h em a s s i v e s i m u l a t i o n s 弧e 铷lt e x ts u m m a r ya n dt h ef u t u r ef o r e c a s ta r eg i v e no u ti nt h el a s t c h a p t e r k e y w o r d a ：m i m o ，n e x tg e n e r a t i o nc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s , s p a c e - t i m ec o d i n g , n o n l i n e a r , m u l t i u s e rd e t e c t i o n n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，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 获得电子科技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 说明并表示谢意。 签名：三尘銎一日期：一 年s 月f 弘日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：筝弩 导师签名：翮 甓= ! = ：产 日期：砷年5 月，严日 第一章绪论 1 1 课题的背景意义 第一章绪论 截止到2 0 0 6 年底中国移动电话用户已经突破4 5 亿户i ，诸如彩信、彩铃等 增值新业务正迅速得到越来越多用户的接受和喜爱。随着用户数量和需求不断增 长，新的移动业务不断推出，需要从网络容量、质量、速度及带宽等方面支持无 线数据和话音业务的进一步增长。 现阶段我国运营的移动通信系统主要是2 g 的g s m 和c d m a 。虽然第三代1 2 1 ( 3 g ) 移动通信系统从2 0 0 1 年起先后在日韩、欧洲各国家投入商，但是目前大多数国家 运营的仍然是2 g 或2 5 g 的移动通信系统。这主要是受到前期市场开发和运营方 式的影响，这并不意味着用户对移动通信系统服务速率和服务质量的要求没有越 来越高。目前各国各运营商虽对采用新技术变得越来越谨慎，但对新技术的研究 测试工作却不断加大，国内各运营商也正着手进行3 g 系统商用的大规模外场测试。 虽然3 g 系统能提供步行状态下的速率有3 8 4 k b p s ( 标称静止状态最高速率2 m b p s ) ， 但是仍不能满足未来用户不断增长的需求，因此在3 g 系统还没有大规模投入商用 之时，国内外移动通信领域的专家已经在进行下一代无线通信系统( b 3 g 、w i m a x 、 4 g 等) 的研究和开发工作。 下一代无线通信技术1 2 【4 j 的概念可称为广带接入和分布网络，具有非对称超 过2 m b s 的数据传输能力，对全速移动用户能提供1 5 0 m b s 的高质量的影像服务， 将实现三维图像的高质量传输。它包括广带无线固定接入，宽带无线城域网，广带 无线局域网，移动广带系统和互操作的广播网络。此外，广带无线局域n ( w l a n ) 与 b i s d n 和a t l v l 兼容，实现了广带多媒体通信，并可形成综合广带通信n ( m c n ) ， 通过口进行通信。下一代代移动通信可以在不固定的无线平台和跨越不同频带的 网络中提供无线服务，可以在任何地方宽带接入互联网( 包括卫星通信) ，能够提供信 息通信之外的定位定时、数据采集、远程控制等综合功能。 下一代无线通信系统的有关关键技术【9 l 为；i v i i m o ( 多天线收发) ，宽带接收 机，智能天线，空时编码，高性能的功率放大器，先进的调制解调技术，高性能 的l i f 收发信机，和基于i p 的软交换等。而频谱效率的进一步提高一直被认为是 无线通信研究的紧迫问题。通过在接收端、发射端或两端均使用多天线，可以获 1 - 电子科技大学硕士学位论文 得显著的通信系统和链路性能的改善。传统的多天线技术如智能天线技术，主要 集中于在接收端空域处理( 如波束形成算法) 或者空时联合处理( 如适用于c d 姒系 统的空时二维r a k e 接收系统) ，以获取接收分集增益、提高信噪比、对抗其他用 户干扰并进而提高小区覆盖范围，提高系统容量。 上世纪九十年代中期，基于r a y l e i g h 衰落、信道有大量散射体、信道系数无 关、最优编解码、发射端无信道信息接收端准确可知信道等假设，b e l l 实验室的 f o s c h i n i l 3 1 等人从理论上证明了收发端均使用多天线可以使通信链路容量成倍增 加这一令人振奋的成果。这一成果提供了提高衰落信道中系统容量和可靠性的新 技术手段，这一成果即m 订o 技术。 m i m o 技术【7 l 可认为是一种新型的“智能天线”技术。但是它提供了阵列天线 应用的新思路并更着重于空时联合处理。通过在接收端和发射端空时二维甚至空 时频三维的联合设计和优化的编码、调制，m i m o 系统能极大改善通信链路的容量 和通信可靠性。传统智能天线系统中信号在向量信道中传输，而基于空时二维编 码的m i m o 系统中发射信号等效于在矩阵信道中传输。m 1 m o 技术的一个鲜明特色 在于它利用多径效应而不是试图对抗它。这里的多径效应在窄带系统中体现为具 有不同空间角度的时间不可分辨的信号分量，而在宽带系统中则包括所有时间可 分辨和不可分辨的信号分量。 但是，m i m o 信道容量【1 5 l 是最优m i m o 系统性能的上限，知道这一上限并不 意味着能实现它。另外最优系统的空时联合处理由于高复杂度而难以实用化。因 此，对无线通信工程师而言，发挥m 1 m o 潜力的关键在于为发端设计优化的信号 传输形式，并在收端设计合理的接收处理算法。按照系统获得的增益类型，当前 的m i m o 传输方案设计的目标主要可以分为两大类：获取空间复用增益和空闻分 集增益。当前的m i m o 系统设计主要着眼于最大化其中一种增益。针对这一问题， f o s c h i n i 和t a r o k h 等人做了大量开拓性工作，推动了无线通信向其极限性能的逼 近。 为提高链路容量，f o s c h i n i 3 1 等人提出了以分层结构为特征的b l a s t 系统( 根 据数据在并行信道上的映射的不同，可分为v - b l a s t 、d - b l a s t 等) 。b l a s t 是一 种分层空时结构，它将数据源分为多个数据子流，每个子流分别独立的编码调制， 各发射天线同时发射不同的数据子流，接收端使用干扰对消等技术恢复各发送信 号。b l a s t 系统可以在不增加带宽和发射功率的情况下，获得高频谱效率。根据报 导，在4 0 发射天线6 0 接收天线( 4 0 6 0 ) 的b l a s t 系统中，3 0 d bs n r 下的试验系 2 第一章绪论 统实现了2 0 8 b s h z 的通信速率。 由于b l a s t 系统是采用b l a s t 算法、z f 算法、m m s e 算法、札算法等干扰对消的 方法恢复各发射子流，接收天线数应不少于发射天线数在有些场合如蜂窝系统 的上行链路，b l a s t 的应用受到了限制。一般称b l a s t 系统为“空间复用系统”， 这一类系统的设计目标是最大化数据传输速率。通过空间信号处理技术，b l a s t 系 统可以实现高速数据传输及复用增益。 与b l a s t 系统不同的另外一大类m i m 0 应用系统是包含空间维度的多维编码系 统。包括空时编码( s t c ) 系统、空频编码( s f c ) 及空时频编码( s t f c ) 系统。这一类 系统主要的目标是通过在不同发射天线信号之间引入空间和时间( 频率) 相关性， 获取空间时间( 频率) 分集增益( 尽可能获得编码增益) 以提高数据传输可靠性，由 于具有发射分集的特点，一般又称为“发射分集系统”。空时编码的主要思想是 利用空间和时间上的编码实现一定的空间分集和时间分集，从而降低信道误码率， 增加小区覆盖。合理设计的窄带空时编码系统中，误码率随信噪比增加呈指数下 降。而在宽带系统中，可能达到的分集增益可以进一步提高。 目前m i m o 技术【4 j 已在各种无线通信系统中受到越来越多的关注和应用。第三 代移动通信合作计划( 3 g p p ) 已在标准中加入了m i m o 技术相关内容，b 3 g 和4 g 的系统中也将应用m n 讧0 技术。在无线宽带接入系统中( 如w i m a x ) ，正在制定中 的8 0 2 1 6 e 、8 0 2 1 l n 和8 0 2 2 0 等标准也采用了m i m o 技术。在其它无线通信系统研 究中，如超宽带( u w b ) 系统、感知无线电系统( c r ) 都在考虑应用m i m o 技术。 非线性信号处理技术【5 】在波束形成中己得到广泛关注，其能够有效利用传统线 性技术处理中丢弃的信号高阶统计特性，从而更有效的估计系统模型各参数。但 是在处理过程中，非线性算法的计算复杂度往往较大地阻碍了其应用实现。通过 采用降维稀疏化的思想方法，能够有效降低非线性处理的计算复杂度，为其在实 际工程中的广泛应用奠定基础。在m i m o 通信系统领域中主要采用的是线性译码 技术，国内外对非线性译码的研究还比较少。采用非线性译码能提高m i m o 系统 译码性能，可以为通信技术的进一步发展，以及第三代到第四代的平稳过渡，下 一代通信的实现作出理论贡献。 一3 电子科技大学硕士学位论文 1 2移动通信的发展历史和挑战 1 2 1 移动通信发展历史 现代无线通信的发展可以追溯到1 9 世纪，自从麦克斯韦建立了完善的电磁理 论，赫兹证明了电磁波的存在，就为现代无线通信奠定了理论基础。意大利人马 可尼和俄国人波波夫开创无线通信的先河以来，无线通信就得到了飞速发展。尤 其到2 0 世纪7 0 年代末期，以无线蜂窝技术为特征的第一代模拟移动通信系统诞 生后，移动通信就以日新月异的速度发展到大规模商用并已经成为人们日常生活 中最重要的通信方式之一。 第一代模拟蜂窝移动通信系统( 1 g ) 从上世纪8 0 年代开始发展，主要采用频 分多址( f d m a ) 技术，最初出现的是单区制人工交换系统，随后发展到中容量中 区制自动交换移动通信系统，第三阶段采取的大容量小区制是以程控交换为基础 的蜂窝移动通信系统，典型代表【q 如美国的a m p s 和欧洲的e - t a c s ，这些系统极 大地提商了频道的利用率，以有限的频率资源解决了大量用户的需求。由于模拟 移动通信系统有它致命的弱点，抗干扰性能差，各个不同系统间的互连互通性差， 各国之间没有统一的体系标准等等。这就促进了第二代移动通信的诞生。 第二代移动通信系统( 2 g ) 即目前广泛使用的g s m 、d c s l 8 0 0 、i s 9 5 等系 统，是从上世纪9 0 年代发展起来的，为数字蜂窝系统，主要采用时分多址( t d m a ) 和码分多址( c d m a ) 技术。与第一代模拟蜂窝系统相比，采用数字技术的系统 确保了移动通信的升级能力和移动通信与其他信息技术融合的能力，克服了模拟 系统所存在的许多缺陷，因此2 g 系统一经推出就倍受人们注目，得到迅猛的发展， 短短的十几年就成为了世界范围的、最大的移动通信网，几乎完全取代了模拟移 动通信系统。 在移动通信迅速发展的同时，由于第二代数字移动通信系统在很多方面仍然 没有实现最初的目标，同时也由于技术的发展和人们对于系统传输能力的要求愈 来愈高，几千比特每秒的数据传输能力已经不能满足对于高速数据传输的要求， 一些新的技术如i p 等不能有效实现，在此情况下，9 0 年代中期，出现了以g p r s 系统、c d m a 2 0 0 0l x 、h s c s d 系统和e d g e 系统为代表的第2 5 代移动通信同( 简称 2 嬲) 技术。 尽管2 5 g 系统可以方便的传输数据业务，然而由于它的先天不足，没有从根 本上解决无线信道传输速率低的问题，因此应该说2 5g 还是个过渡产品。第三 4 第一章绪论 代移动通信系统在国际电信联盟( 1 1 1 j ) 引导下得到了广泛研究。这些系统的目的 就是为用户提供宽带的先进服务，并实现在频段和标准上的统一。经过十几年的 艰苦努力，虽然没有完全是现最初的所有愿望，但与第二代相比，无论是在频段 的统一上、标准的统一上，还是技术能力上都大大迈进了一步。当前3 g 技术标准 主要有3 个：中国的t 旷s c d m a 、欧洲的w c d m a 和北美的c d m a 2 0 0 0 。 虽然3 g 移动通信系统能基本满足人们对快速传输数据业务的需求，但许多专 家学者已把目光投入倒了4 g 移动通信系统的研究。 1 2 2 移动通信面临的挑战 在传统的无线系统中，根据c e s h a n n o n 给出的信道容量公式，增加信噪比可 以提高频谱的使用效率，信噪比每增加3 d b ，信道容量每秒每赫兹增加1 比特。对 于单用户方案，信噪比主要与系统热噪声有关，而系统热噪声在通信期间基本保 持不变，如果增大发射端的发射功率，接收端的信噪比便随之增加，然而，不仅 是因为人的健康原因不推荐使用这种方法，而且还因为要设计一个功率放大器能 在很宽的线性范围内和很高的发射功率上工作，是件很困难的事情，而且当发射 功率很高的时候，器件的散热也成问题。在蜂窝( 多用户) 方案中，由于来自其 他用户的干扰电平通常高于系统的热噪声，所以在这种情况下增大发射功率似乎 对信道容量的增加没有太大的帮助。 随着目前移动通信广泛的普及和应用，加上未来的i n t e r n e t 要求无线接入，用 户要求大幅度地提高无线通信速率的愿望变得越来越强烈，因此必须设法突破传 统无线通信系统的容量界限。一般说来，提高移动通信的信道容量有三种方法：( 1 ) 设置更多的基站；( 2 ) 拓宽已使用的频率；( 3 ) 提高频谱的使用效率。设置更多 的基站意味着增加更多的蜂窝，为此付出的代价较高。为了便于提高无线通信的 传输速率，也有人建议把目前的使用的频段拓展到毫米波段，因为在毫米波段有 更宽的频带可供使用。但是就目前的技术水平来说这样做的代价还相当昂贵，而 且目前无线通信市场迫切需求的是介于u n i t s 和w l a n 之间的设备，它们使用的 是微波波段，对于u m t s 和i s m ( 工业、科研和医疗) 使用的频率在2 g h z 附近， 而w l a n 使用的频率在2 到5 g h z 。由此看来，合理的选择是设法提高频谱的使 用效率 7 i n 。 - 5 - 电子科技大学硕士学位论文 1 3新一代通信系统 下一代移动通信系统统称为b 3 g 或4 g 。b 3 g 即b e y o n d3 g 、b e y o n di t m 2 0 0 0 等；4 g ，即第四代移动通信系统。严格地说，目前4 g 还没有一个权威地定义， 它还处在研发阶段，各国对第四代移动通信系统的理解也相差甚远。然而通过近 些年来的不断研究，人们已对4 g 的基本需求、技术支撑、网络体系等有了一些明 确的概念。各国、各大通信公司和学者都在积极研究新技术和网络演进方案。 b 3 g 移动通信系统的特点【9 】主要有： 高速的数据传输 b 3 g 的数据传输速率从3 g 的2 1 v i b s 发展到1 0 0 m b s ，移动台的速率从步行到 车行甚至更快都能实现高质量的通信。虽然传输速率提高的同时也提高了系统的 带宽，但b 3 g 能够提高频带的利用率。 灵活多样的通信业务 通信发展的最初是以话音业务为主，但随着社会文明的发展，各种新的通信 业务的不断出现，多种多样的数据业务将取代话音一业务的主导地位，就对现有 的通信系统提出了新的要求。b 3 g 满足人们各种通信要求，在各种通信媒体之闻 建立无缝漫游，实现完全综合的通信网络。 全口的网络 i l i 与各种无线接入方式是兼容的，因此在设计核心网时有很大的灵活性。b 3 g 网络实现口地址的个人化，现有的i p v 4 的地址空间是有限的，而i p v 6 将较好的 解决这一问题。 为了实现高速率的数据传输与灵活多样的通信业务，b 3 g 移动通信系统采用 了一系列新技术。b 3 g 移动通信系统的关键技术有： m i m o 技术 m i m o ( 多输入多输出) 技术是利用多发射、多接收天线进行空间分集的技术， 能够有效的将通信链路分解成为许多并行的自信道，从而大大提高容量。信息论 已经证明，当不同的接收天线和不同的发射天线之间互不相关时，m i m o 系统能 能够很好的提高系统的抗衰落和噪声性能，从而获得巨大的容量。在功率带宽受 限的无线信道中，m i m o 技术是实现高数据速率、提高系统容量、提高传输质量 6 第一章绪论 的空间分集技术。 o f d m 技术 o v d m ( 正交频分复用) 是一种无线环境下的高速传输技术，其主要思想就是在 频域内将给定信道分成许多正交子信道，在每个子信道上使用一个予载波进行调 制，各子载波并行传输。尽管总的信道是非平坦的，即具有频率选择性，但是每 个子信道是相对平坦的，在每个子信道上进行的是窄带传输，信号带宽小于信道 的相应带宽。o f d m 技术的优点是可以消除或减小信号波形闻的干扰，提高了频 谱利用率。 调制与编码技术 b 3 g 移动通信系统采用新的调制技术，如多载波正交频分复用调制技术以及 单载波自适应均衡技术等调制方式，以保证频谱利用率和延长用户终端电池的寿 命。b 3 g 移动通信系统采用更高级的信道编码方案( 如t u r b o 码、级连码和l d p c 等) 、自动重发请求( a r o ) 技术和分集接收技术等，从而在低玩0 条件下保证系 统足够的性能。 软件无线电技术 软件无线电是将标准化、模块化的硬件功能单元经过一个通用硬件平台，利 用软件加载方式来实现各种类型的无线电通信系统的一种具有开放式结构的新技 术。软件无线电的核心思想是在尽可能靠近天线的地方使用宽带a d 和d a 变换 器，并尽可能多地用软件来定义无线功能，各种功能和信号处理都尽可能用软件 实现。其软件系统包括各类无线信令规则与处理软件、信号流变换软件、信源编 码软件、信道纠错编码软件、调制解调算法软件等。软件无线电使得系统具有灵 活性和适应性，能够适应不同的网络和空中接口。软件无线电技术能支持采用不 同空中接口的多模式手机和基站，能实现各种应用的可变o o s 。 基于坤的核心网 b 3 g 移动通信系统的核心网是一个基于全口的网络，同已有的移动网络相比 具有根本性的优点，即：可以实现不同网络间的无缝互联。核心网独立于各种具 体的无线接入方案，能提供端到端的m 业务，能同已有的核心网和p s t n 兼容。 核心网具有开放的结构，能允许各种空中接口接入核心网；同时核心网能把业务、 控制和传输等分开。采用口后，所采用的无线接入方式和协议与核心网络( c n ) 7 电子科技大学硕士学位论文 协议、链路层是分离独立的。m 与多种无线接入协议相兼容，因此在设计核心网 络时具有很大的灵活性，不需要考虑无线接入究竟采用何种方式和协议。 归纳起来，b 3 g 、4 g s a 是一个可称为宽带接入和分布式网络，在车速环境下， 提供大于2 m b p s 的比特传输速率，在室内或静止状况下提供2 0 m b p s 的比特速率， 甚至可以提供1 0 0 1 5 0 m b p s 的下载速率。在这样的传输速率下，4 g 所能提供的业 务包括了高质量的影像多媒体业务在内的各种数据业务话音业务。4 g 的网络结构 将是一个采用全i p 的网络结构。4 g 网络要采用许多新的技术和新的方法来支撑， 包括：a m c ( a d a p t i v em o d u l a t i o na n dc o d i n g ，自适应调制和编码) 技术、自适应 混合a r q 技术、m i m 0 ( 多输入多输出) 和o f d m ( 正交频分复用) 技术、智能天线技术、 软件无线电技术以及网络优化和安全性等。另外，为了使4 g 与各种通信网络，4 g 网络必须支持多种协议。 图1 - 14 g 网络结构示意图 1 4本文主要工作和章节安排 相对于3 g 而言，第四代移动通信系统( 4 g ) 在技术和应用上将有质的飞跃， 而不仅仅是在第三代移动通信的基础上再加上某些新的改进技术。在4 g 中，如何 迸一步提高频谱效率被认为是要解决的关键性问题之一。采用多输入多输出 - 8 第一章绪论 ( m i m o ：m u l t i p l e - i n p u tm u l t i p l e o u t p u t ) 系统可以显著提高频谱利用率，使通信 链路容量成倍增加。使用空时编码( s p a c e t i m ec o d i n g ) 是达到或接近m i m o 无 线信道容量的一种可行、有效的方法，可以在不牺牲带宽的情况下起到发射分集 和功率增益作用。非线性处理方法在波束形成技术中已得到广泛关注，采用非线 性译码方法对多天线接收数据迸行合成，充分利用信号的高阶统计特性，从而能 显著提高解码性能。但在m i m 0 通信系统中，采用非线性译码方法尚处空白。本课 题拟在多天线收发系统和空时编码技术的最新理论基础上，结合多用户检测理论 和非线性信号处理方法，研究不同信道条件下非线性译码算法对系统译码性能的 改善，并研究采用多维空闻降维的思想，解决非线性处理的计算复杂度问题。 本文的主要内容组织如下： 第一章简单介绍了一下移动通信的发展历程、面临的挑战和下一代移动通信系统 及其主要关键技术，阐明了课题的研究背景和现实意义。 第二章首先介绍了m i m o 通信系统的发展过程，并阐述了其系统模型和原理，然 后给出了空时编码的原理分析，为进一步研究最优非线性译码算法和性能 比较奠定基础。 第三章首先介绍了常见线性准则，然后分别给出了针对v - b l a s t 和s t b c m i m o 系统的常规线性译码算法。 第四章在准静态瑞利衰落m i m o 信道中，针对基于数据块的全空间非线性译码方 法进行研究，比较不同参数条件下的译码性能，并比较非线性译码方法与 传统线性译码方法的性能。 第五章针对非线性处理维数高、计算复杂度较大的问题，研究基于降维思想的多 维空问稀疏化方法，解决非线性处理计算复杂度问题。 第六章针对m i m o 系统多用户干扰的问题，研究非线性多用户检测方法，并完成 不同参数条件下的性能比较。 第七章最后给出了全文总结和对未来的展望。 9 电子科技大学硕士学位论文 第二章m i m o 通信技术 m i m o 无线通信技术1 7 1 1 0 j n 于天线分集技术与智能天线技术，它是多入单出 似i s o ) 与单入多出( s i m o ) 的结合，具有两者的特征。结合天线发射分集、接收分 集与信道编码技术是无线通信发展的趋势【1 1 l 。在多径传播环境中，增大阵元间距 与角度扩展以及结合空时处理都有利于捕获、分离与合并多径。因此，天线分集 技术与空时处理技术的结合结果产生了极具潜力的m i m o 无线通信技术啊。 2 1 天线分集技术 在不增加发送功率或系统带宽的情况下。克服多径衰落影响、提高信道可靠性 的有效方法是采用各种分集技术。分集的基本原理就是通过多个信道( 时间、频率 或者空间) 接收承载相同信息的多个副本，由于这些信道的传输特性不同，信号多 个副本的衰落也不相同，当其衰落独立( 或至少是高度不相关) 时，接收机就能 有效的合并这多个副本包含的信息，减小衰落信号电平的起伏程度，从而比较正 确地恢复出原始信号。 如果发射端使用单根天线，接收端使用多根天线，这种分集通常称为接收分 集，也称之为单输入多输出( s i m o s i n g l ei n p u tm u l t i p l eo u t p n 0 系统，采用最佳合 并的接收分集技术通常能改善接收端的s n r ，从而提高信道的容量和频谱的使用 效率。如果发射端使用多根天线，接收端使用单根天线，这种分集通常称为发射 分集，也称之为多输入单输出( m i s o m u l t i p l ei n p u ts i n g l eo u t p u t ) 系统，如果发射 端不知道信道的状态信息，无法在多发射天线中采用波束形成技术和自适应分配 发射功率，信道容量的提高不是很多。 分集的分类种类繁多1 1 8 】，按分集目的可以分为宏观分集和微观分集；按信号 传输方式可以分为显分集和隐分集；按获取多路信号的方式又可以分为时间分集、 频率分集和空间分集；空间分集还包括接收分集、发射分集、角度分集和极化分 集等。 1 0 第二章m i m o 通信技术 2 2 智能天线技术 智能天线技术在近几年受到了越来越广泛的关注，此项技术将在很大程度上 提高无线通信网络的技术性能和经济性能在提高系统容量的同时最大程度地 减少所需基站地的数目。智能天线的定义为：一种能产生非固定天线模式的天线 阵列，其天线模式会随着当前无线通信环境的变化而变化。其中的智能又包括多 个层次：最低级的一种是天线模式在预先设定好的、不同的天线波束问切换；最 高级的一种是自适应的波束形成。 智能天线有不同的分类方法【1 2 1 ，其中最基本的可以把智能天线分成：波束切 换、空间信号处理、空时信号处理和空时信号联合检测等四类。也可以用其它方 法进行分类，例如天线系统使用的是分集合并还是波束成形技术。如果使用分集 合并技术，则必须要求不同天线阵元上接收的信号统计独立。如果使用波束形成 技术，则要求天线阵列中天线阵元之闻相互靠近，从而在天线阵元问获得一定的 相关性。 2 3m i m o 系统 2 3 1m i m o 技术的发展 虽然第三代移动通信系统数据传输速率可达到2 m b p s ，但是仍无法达到满足 未来多媒体通信的要求，上世纪7 0 年代时有人提出将多天线技术用于通信系统， 但奠基工作是9 0 年代由a t & tb e l l 实验室的学者完成的。1 9 9 5 年i e t e l a d a r 1 3 】 推导了衰落情况下的m i m o 系统容量；1 9 9 6 年g j f o s h i n i a i 3 1 给出了一种多入多出 处理算法对角一贝尔实验室分层空时( d 8 l a s t ) 算法；1 9 9 8 年v t a r o k h l l 4 1 等 讨论了用于多入多出的空时编码；1 9 9 8 年w o l n i a n s k y _ f 1 5 】等人采用垂直一贝尔实验 室分层空时( v - b l a s t ) 算法建立了一个m i m o 实验系统，在室内试验中达到了2 0 b i t s h z 以上的频谱利用率；2 0 0 1 年1 1 月，在3 g p p 会议中，由朗讯、诺基亚、 西门子和爱立信公司联合提出了标准化m i m o 信道的建议，而后来在i e e e s 0 2 1 6 固定宽带无线接入和3 g p p 中，m i m o 模型都得到标准化。2 0 0 2 年1 0 月，朗讯公 司贝尔实验室研制出世界上第一颗b 乙峪t 芯片，这一芯片支持最高4 x 4 的天线布 局，可处理的最高数据速率达到1 9 2 m b p s 。2 0 0 3 年8 月，a i r g on e t w o r k s 推出了 1 1 电子科技大学硕士学位论文 a g n l 0 0w i f i 芯片组i “，称其是世界上第一款集成了多入多出( m i m o ) 技术的批 量上市产品。该产品在提高速率的同时保持了与所有常用标准的兼容性。 此外，i e e e 成立了8 0 2 1 l n 工作小组，以制定一项新的高速无线局域网标准 i e e e 8 0 2 1 l n 。8 0 2 1 l n 计划将m i m o 与o f d m 技术相结合1 1 6 l ，使传输速率成倍 提高。另外，天线技术及传输技术使无线局域网的传输距离大大增加，可以达到 几公里( 并且能够保障1 0 0 m b i t s 的传输速度) 。也有很多其他的高校、企业和科 研院所都正在积极进行m i m o 技术的深入研究，进行了大量的工作，研究内容主 要包括空时编码算法、信道建模、多天线设计与布局、互耦分析、信道相关性评 估等。而要想在移动通信系统中应用m i m o 技术，所急需解决的一个重要问题就 是在移动终端实现多天线和多路接收，学者们正大力进行这方面的研究。目前， 美国电气电子工程师学会( m e e ) 数据库收录m i m o 研究的论文已达数千篇。 2 3 2m i m o 原理简析 m i m o 技术本质上是空间分集与空间复用的结合，分集可以保证传输的可靠 性，而复用则可以提高传输速率。 在传统的无线通信理论中，多径效应会引起无线信号的衰落，因而被视为一 种不利因素，但如果在发送端与接收端同时采用多天线系统，只要各天线单元间 距足够大，无线信道的多径分量足够丰富，那么天线接收到的多径信号的衰落就 趋于独立，m i m o 技术就利用了这一特性【9 】【1 2 1 1 7 1 。对于一个具有n 副发射天线和 m 副接收天线的m i m o 系统，其发射信号经过空时编码后形成n 个信息子流，以 相同的频率经不同的天线同时发射出去，经过多径信道的传播，这些并行子流以 不同的路径到达接收机，并由不同的天线接收，接收机利用空时解码对各接收信 号进行处理，并恢复出原始数据流。由于这些予流同时发送，占用同一频带，因 而并未增加带宽。若各发射接收天线问的通道响应相互独立，则可以创造多个并 行空间信道。所以说，m i m o 系统可以充分利用无线信道的多径传播，获取复用 增益与分集增益，从而显著提高无线链路的容量与质量。图2 - 1 为m i m o 系统的 示意图。 一弓瓣 第二章m i m o 通信技术 对于这样一个具有n 副发射天线和m 副接收天线的无线链路，可用信道矩阵 h 描述其传输特性。文献1 0