（信号与信息处理专业论文）mimo通信系统信号检测技术研究.pdf

火连理丁：大学硕十学位论文 摘要 多输入多输出( m i m o ) 技术是近年来无线通信领域的一项重大突破，它在通信的 发射端和接收端均使用多根天线，可以在不增加信号发射功率和带宽的情况下大幅度提 高通信系统的信道容量和传输可靠性，成为下一代无线通信的关键技术之一。m i m o 技 术的多天线传输提高了系统的信道容量和可靠性，但同时也提高了接收端信号检测的难 度，所以信号的检测成为m i m o 技术的一个重要研究课题。 本文在国内外相关研究工作的基础上对m i m o 系统信号检测技术进行了研究，提 出了几种改进算法，并进行了仿真实验和性能分析。 本文对q rc h a s e 检测算法进行了详细分析和研究，针对其不足之处，提出了两种 改进算法，它们的出发点都是设法提高检测顺序靠前的信号的检测性能，以降低误码传 播，从而使得整体的检测性能得到提高。由仿真实验结果可以看到，两种改进算法的检 测性能较q rc h a s e 检测算法得到了很大提高，并且计算复杂度提高不多。 本文接下来研究了球形译码检测算法，针对其初始半径确定及计算复杂度较高的问 题，给出了基于q r 分解检测结果的初始半径确定及可靠性判断的改进球形译码检测算 法。该算法首先用q r 分解检测算法得到一个初步检测结果，然后依据一定的准则判断 该结果的可靠性。如果判断为可靠，则将该结果作为检测结果输出；否则用该检测结果 求出初始半径，进行球形译码检测，得到最终检测结果。该改进算法能够逼近或达到球 形译码检测算法的检测性能，但计算复杂度却低得多。 本文对上述改进算法进行了仿真实验，给出了实验结果和性能分析。 文章的最后对全文的工作进行了总结，指出了下一步的工作方向。 关键词：m i m 0 ；v - b l a s t ；信号检测；最小均方误差；q rc h a s e ；球形译码 s t u d i e so ns i g n a ld e t e c t i o na l g o r i t h m sf o rm i m oc o m m u n i c a t i o n s y s t e m a b s t r a c t m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t ( m i m o )i sag r e a tb r e a k t h r o u g hi nw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o ns y s t e mi nr e c e n t y e a r s i tc a r lg r e a t l yi m p r o v et h es y s t e mc a p a c i t ya n d p e r f o r m a n c ew i t h o u ti n c r e a s i n gp o w e ra n db a n d w i d t ha n di s r e g a r d e d a so n eo ft h e k e yt e c h n i q u e s f o r n e x t 。g 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 m i m ot e c h n i q u ec a n e n h a n c et h es y s t e mc a p a c i t ya n dp e r f o r m a n c eb u ta l s oi n c r e a s e st h ec o m p l e x i t 、ro f d e t e c t i n g s i g n a l sa tt h er e c e i v e r s os i g n a ld e t e c t i o ni sak e yr e s e a r c hi s s u ei nm i m ot e c h n i q u e t h i st h e s i sp r o p o s e ss e v e r a li m p r o v e dd e t e c t i o na l g o r i t h m sb a s e do nr e l a t e dr e s e a r c h w o r k si nm i m os i g n a ld e t e c t i o nt e c h n i q u ea n dg i v e ss i m u l a t i o nt e s t sa n dp e r f o r m a d c e a n a l y s i s i nm ep a p e r ，w es t u d yt h eq rc h a s ed e t e c t i o na l g o r i t h ma n dg i v ei t sl i m i t s i nt h i s p a p e r t w oi m p r o v e dm e t h o d sa r ep r o p o s e d t h ei n t e n t sa n dp u r p o s e so ft h e ma r et os u p p r e s se r r o r p r o p a g a t i o na n dh e n c ee n h a n c et h es e rp e r f o r m a n c e s i m u l a t i o n sr e s u l t ss h o wt h a tt h es e r p e r f o r m a n c e so f t h et w oi m p r o v e da l g o r i t h m sa r ei m p r o v e dg r e a t l yw i t hr e a s o n a b l ei n c r e a s eo f c o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t y i nt h en e x t ，s p h e r ed e c o d i n ga l g o r i t h mi ss t u d i e da n da ni m p r o v e dm e t h o d i sg i v e n i tf i r s t u s e sq rd e c o m p o s i t i o nd e t e c t i o na l g o r i t h mt o g e ta l li n i t i a ld e t e c t i o nr e s u l t ，t h e nd e c i d e s w h e t h e rt h er e s u l ti sr e l i a b l eo rn o tu n d e ra r e l i a b i l i t ya s s e s s m e n t i fi ti si u d g e dt ob er e l i a b l e ， w et a k ei ta st h ef i n a lr e s u l t f f n o t ，ap r o p e ri n i t i a lr a d i u sc a nb eo b t a i n e df r o mt h er e s u l ta n d w e u s es p h e r ed e c o d i n ga l g o r i t h mt og e tt h ef i n a lr e s u l t s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w t h a tt h ep r o p o s e d a l g o r i t h mc a na c h i e v eo rn e a r l ya c h i e v et h es a m ee r r o rp e r f o r m a n c ea ss p h e r ed e c o d i n g a l g o r i t h mb u th a sm u c hl o w e rc o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t y e x p e r i m e n t sa r ep r e s e n t e di nt h ep a p e ra n ds i m u l a t i o nr e s u l t sa n dp e r f o r m a n c ea r e a n a l y z e d i nt h ee n d ，w eg i v ec o n c l u d i n gr e m a r k so ft h et h e s i sa n d p o i n to u tt h en e x ts t e po fw o r ki n t h ef u t u r e k e yw o r d s ：m i m o ；v - b l a s t ；s i g n a ld e t e c t i o n ；m m s e ；q r c h a s e ；s p h e r ed e c o d i n g u i 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目： 作者签名： 人迕理上人学硕十学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本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和汇编本学位论文。 学位论文题目： 作者签名： 导师签名： 人连理r ：大学硕十学位论文 1绪论 1 1 研究背景 在科学技术发展的推动下，人类社会已经步入了信息时代。信息的传输即通信，已 成为人们生活不可或缺的组成部分，它极大的推动了经济的发展和社会的进步。随着社 会的发展和人们生活水平的提高，人们对通信的质量和速率提出了更高的要求，各国研 究机构和运营商为了抢占先机，争相投入大量资金进行新技术的研发，促进了通信及相 关技术的大发展。无线移动通信以其可移动、便携性的优势，得到了人们的青睐，已成 为发展最快的通信领域之一。 随着人们需求的增加，无线通信业务快速增长，并成为推动移动通信技术快速发展 的主要因素。在过去的几十年内，移动通信经历了几次大的变革，从第一代的模拟移动 通信系统，第二代的数字蜂窝移动通信系统，到现在已经商用的第三代移动通信系统， 移动通信向着更高速率、更高可靠性的方向发展。虽然通信的速率得到了极大的提高， 但是仍然不能满足更高速率业务和多媒体业务的要求，所以在第三代移动通信系统商用 化的同时，各大研究机构和运营商已经把关注的焦点转移到了第四代移动通信技术上， 力图在技术上实现创新和突破，从而为用户提供更优的服务，占领更大的市场份额。 作为近年来无线通信领域的一项重大突破，在发射端和接收端都使用多根天线的多 输入多输出( m i m o ) 技术，可以极大的提高通信系统的容量和传输速率，被视为第四代 移动通信技术必须采用的关键技术，引起了世界各国学者的广泛关注n 吨1 。和传统的单输 入单输出( s i s o ) 系统相比较，m i m o 系统发射端和接收端都采用多根天线，这实现了多 路信号的并行传输，提高了通信的速率和可靠性，但同时也导致了系统接收端每根接收 天线接收到的都是相互重叠的多路信号，如果是频率选择性信道，还存在不同时刻信号 间的码间干扰。发射信号在接收端的重叠和码间干扰给接收端信号的检测带来了新的问 题，增加了检测的难度。m i m o 接收端的信号检测成为m i m o 系统应用中的重要问题，影 响到整个m i m o 系统性能的好坏。因此，设计具有好的接收性能和低复杂度的m i m o 信号 检测算法成为m i m o 通信技术研究中的重要问题之一。 1 2 川m 0 技术概述 m i m o 技术，即多输入多输出技术，其含义就是在发射端和接收端使用多根天线进 行无线通信的技术。m i m o 系统发射端的多根天线同时发射信号，它能够实现多个数据 流在相同时间和相同频带的传输和接收。和单输入单输出通信设法抑制多径传播不同的 是，该技术能够利用无线信道的多径传播，有效的开发空间资源，建立空间并行传输通 m i m o 通信系统信号检测技术研究 道，能在不增加带宽和发射功率的情况下成倍的提高通信系统的容量和频谱利用率，或 提高通信的可靠性，满足人们对大容量、高速率、高可靠性无线移动通信的要求，成为 下一代移动通信的关键技术之一。 1 2 1 m 0 技术的优势 一个m n 的m i m o 通信系统框图如图1 1 所示，它的发射端有m 根发射天线， 接收端有根接收天线。在这个系统中，发射端每根天线同时发射信号，接收端每根天 线收到的都是这些信号的叠加。在发射端，信源输出的串行码流被转换成多路并行的子 码流，分别通过不同的发射天线在同一频率、同一时刻发射，接收方则通过利用接收信 号的某些特性从混和信号中分离估计出原始子码流，这相当于频带资源的重复利用，实 现了在原有频带内高速率的信息传输，可大大提高频带的利用率和链路的可靠性。 m 根发射天线根接收天线 图1 1m i m 0 通信系统框图 f i 9 1 1 b l o c kd i a g r a mo fm i m os y s t e m m i m o 技术有着悠久的历史，它最早可以追溯到1 9 0 8 年，当时马可尼就提出用它来 对抗通信中的衰落。后来随着通信技术的发展，到上世纪七十年代，有人提出将多输入 多输出技术用于无线通信系统，但限于当时的条件，有关这一技术的研究一直没有大的 进展。1 9 9 5 年，贝尔实验室的t e l a t a r 口1 最早分析了平坦衰落信道情况下m i m o 系统的信 道容量，他证明m i m o 系统的信道容量随着发射天线数目的增加而线性增加，这掀起了 各国学者们对通信领域m i m o 技术研究的热潮。根据t e l a t a r 的研究结果，假定发射天线 数目为m ，接收天线数目为，接收端已知信道状态信息而发射端不知道，并且发射 功率平均分配到各个发射天线的情况下，m i m o 平坦衰落的信道容量为： p c = l 0 9 2 d e t ( i n + _ 亏i 删爿) ( b p s h z ) ( 1 1 ) 人连理1 ：大学硕十学位论文 其中，是n n 的单位矩阵，p 是总的发射信号功率，盯2 是每根接收天线上的噪声功率， h 是信道矩阵。在信道为独立同分布的瑞利平坦衰落信道的情况下，信道容量c 可 以近似为： p c = m i n ( m ，n ) l 0 9 2 ( i ) ( 印s h z ) ( 1 2 ) 仃 可见在m i m o 系统的信道容量随着m i n ( m ，n ) 线性增加，从而为通信系统提供了巨大的 容量提升空间。 1 2 2 空间复用和空间分集 利用m i m o 技术可以提高信道的容量，同时也可以提高信道的可靠性，降低误码率。 前者是利用m i m o 系统提供的空间复用增益，后者是利用m i m o 系统提供的空间分集增 益，现在针对m i m o 技术的研究也集中在这两个方面n 1 。 m i m o 技术能够提高通信系统的容量和传输速率，这是通过在发射端同时发射多路 并行信号来实现的，我们把这叫做空间复用增益。这时，含有不同信息的多路信号同时 通过m i m o 系统的多根发射天线进行发射，这些信号占用相同的频带，从而未增加系统 的带宽。在m i m o 系统各发射接收天线之间的信道相互独立的情况下，这相当于发射端 和接收端之间有多个并行传输的信道，在这些信道中发射不同的信号，就可以使系统容 量得到提高。空间分集增益主要是指m i m o 技术可以提高信息传输的可靠性。m i m o 空 间分集可以分为发射分集和接收分集，具体采用的方法是使发射端不同天线发射的信号 含有相同的信息，从而在接收端可以得到同一信息的多个独立衰落的副本，这样所有信 号同时经历深度衰落的概率大大降低，在接收端经过信号检测后，可以得到可靠性较高 的检测结果。当然，在进行m i m o 通信系统设计的时候也可以综合考虑空间复用增益和 空间分集增益，取得容量和可靠性的折衷。 要取得m i m o 技术的空间复用或空间分集增益，需要在系统发射端采用合适的信号 编码方法，即空时编码方法。现有的m i m o 空时编码方法主要有三种，分别是：空时分 组编码、空时格型编码和分层空时编码。这些编码方法是分别针对不同的目标而提出的， 空时分组编码可以提高传输的可靠性，空时格型编码可以同时提高传输速率和可靠性， 而分层编码主要是为了提高系统的传输速率。在第二章中我们将对这几种编码方法及其 性能进行详细的介绍。 1 2 3m lm o 技术存在的问题 通过近几年的持续发展，m i m o 技术已经成为无线通信领域的关键技术之一。随着 m i m o 技术的成熟，它必将越来越多地应用于各种无线通信系统。到目前为止，第3 代 m i m o 通信系统信号检洲技术研究 合作伙伴计划( 3 g p p ) 已经在其标准中加入了m i m o 技术的相关内容，b 3 g 和4 g 的系统 中也将应用m i m o 技术。在无线宽带接入系统中，j 下在制订中的8 0 2 1 6 e 、8 0 2 1l n 幂i 8 0 2 2 0 等标准也采用了m i m o 技术。在其他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。但是由于许多现实的问题还没有得到很好 的解决和完善，m i m o 技术要真正投入商用还要等一段时间，这些问题包括： ( 1 ) m i m o 信道模型。 ( 2 ) 信道状态信息的估计和获取。 ( 3 ) 天线数目和天线距离的选择。 ( 4 ) 接收端信号的检测。 1 3 论文的主要研究工作和内容安排 m i m o 通信系统具有多个发射天线，在接收端每根天线上收到的将是多个发射天线 发射信号的相互叠加，这给接收端信号的正确检测带来了困难。本论文的主要工作就是 对m i m o 通信系统的信号检测技术进行研究，文中首先对已有的检测算法进行了研究和 仿真，然后在此基础上提出了几种相应的改进检测算法，并进行了仿真实验和性能分析。 文章的具体内容安排如下： 第一章：绪论，给出了本论文研究的相关背景和m i m o 技术的简介，阐述论文的主 要内容和章节安排。 第二章：阐述了m i m o 通信系统的基本原理，介绍了无线通信系统的信道特性，给 出了m i m o 系统的信道模型，介绍m i m o 通信系统已有的信号检测算法，并对这些算法 的检测性能进行仿真，给出仿真结果和性能分析。 第三章：对q rc h a s e 检测算法进行了改进，提出了两种改进算法，对两种改进算法 进行了详细的分析和阐述，并进行了仿真实验，给出了仿真实验结果，最后通过和原有 q rc h a s e 检测算法性能的比较，指出了改进算法的优势和不足。 第四章：给出球形译码检测算法的改进算法，加入了初始半径确定及可靠性准则。 文中给出了改进算法的详细步骤，进行了仿真实验，并和球形译码检测算法的检测性能 和计算复杂度进行了比较。 第五章：总结全文的工作，并对今后的工作进行展望。 人连理一l 人! 学硕+ 学位论文 2mim o 通信系统理论基础 m i m o 技术可以在不增加发射功率和所占用频带的条件下提高系统的信道容量和可 靠性，引起了各国学者的广泛关注和研究，并被认为是将在下一代无线通信采用的一项 关键技术。为了对m i m o 技术有一个全面、概括性的了解，本章将对m i m o 技术的几个主要 部分进行介绍。首先介绍无线通信信道特性；然后是m i m o 无线信道模型，也就是m i m o 通 信系统输入输出模型；其次给出m i m o 系统的容量分析；接下来介绍m i m o 发射端的编码即 空时编码技术，最后回顾已有的m i m o 信号检测算法并给出仿真实验结果和性能分析。 2 1无线通信信道概述 无线通信信道是指无线通信中信号的传输媒介，它描述了无线通信发射端和接收端 之间电波传送的通道。不同于有线通信，无线通信从发射端到接收端之间并没有一个有 形的传输媒介，这导致无线通信的传播环境复杂且容易发生变化，使得无线信道具有很 大的随机性和时变性，给发射信号在接收端的正确接收带来了困难。所以了解无线信道 的传播特性对于无线通信具有重要意义。 无线通信是通过无线电波的传播来实现的。无线电波在传播中会受到各种因素的影 响，并与传播路径中的物体相互作用，使接收端接收到的信号产生起伏和波动。归纳起 来，无线电波的传播主要有以下几种方式：直射、反射、绕射和散射h ，。当发射端和接 收端之间没有物体的阻挡时，一部分电磁波会直接到达接收端，这叫做直射，可以认为 是自由空间无线电波的传播。当电磁波遇到比自身波长大得多的物体时，会在物体的表 面发生反射，另外也有部分会透射进入物体内部。反射波和透射波的强度以及方向由物 体的材料特性、入射波极化方向、频率以及入射角等参数决定。如果物体的尺寸和电磁 波的波长相近，且物体的边缘光滑不规则，那么电磁波碰到物体时会发生绕射，即绕过 物体继续传播，电磁波波长越长越容易发生绕射。当电磁波在传输的过程中遇到大量尺 寸小于波长的物体，比如树叶、电灯灯柱、道路标志等时，会发生散射。 在通信过程中，无线电波受到上述各种因素的影响，会产生衰落现象。总的来说， 信道对无线电波的影响可以分为三类：自由空间路径损耗、阴影衰落和多径衰落。自由 空间路径损耗是指大尺度范围内信号强度随距离发生变化的特性，它主要和距离有关。 阴影衰落，又称慢衰落，是指由地形起伏、建筑物阻挡所引起的衰落，表现为中等尺度 ( 几百个波长) 范围内信号强度的慢变特性。多径衰落描述的是小尺度( 数个或数十个 波长) 范围内信号强度的变化特性。发射端的信号到达接收端时并非是由一个路径到达， 而是由多个路径到达，这些多路径信号在接收端进行叠加合成，得到接收信号。到达接 m i m o 通信系统信号检测技术研究 收端的这些多径信号，由于经历了不同的衰落，不同的时延，在接收端合成的信号会发 生幅度和相位的畸变，并且这种变化随时间和空问的变化而变化，我们把这种现象称为 多径衰落，又称为快衰落。多径衰落会导致无线信号的强度发生突变，衰落深度可达 3 0 d b ，所以多径衰落成为影响信号接收的主要因素。在这里我们重点介绍无线信道的多 径衰落。 在无线信道中，有三种重要的多径衰落效应：不同路径时延扩展引起的多径衰落； 多普勒频移引起的多径衰落以及信号强度在一段很小的传播距离或时间间隔内快速变 化产生的多径衰落瞄3 。下面我们分别进行介绍。 ( 1 ) 时延扩展和相干带宽 从发射端发出的信号，经过多径传播到达接收端，这导致在接收端接收到的信号是 多个信号的叠加，这些信号拥有不同的增益、不同的相位和不同的时延。从信号持续时 间上来看，如果发射端发射一个持续时间很短的窄脉冲，那么经过信道的传播，接收端 接收到的将是一个展宽的脉冲，即发射信号在时间上被展宽了，这就是时延扩展，也称 为时间色散。当信号的时延比较大，可以和信号的码元间隔相比较的时候，在接收端就 会产生前后码元之间的重叠，即码间干扰现象，从而导致在接收端不能正确恢复发射信 号，限制了通信系统的传输速率。例如，当发射端发射一个脉冲信号s o ( t ) = a o s ( t ) ，由 于多径传播，接收端接收到的信号将为： 一1 ，( f ) = a o 歹 e 6 8 ( t - r i ) ( 2 1 ) ，= 0 其中f ，为第f 条路径的相对时延，口，为第f 条路径的衰减，三为总的路径数。可见，接收 端接收到的信号将是多个不同路径信号的叠加。描述此类传播效应的两个参数为时延扩 展和相干带宽，它们互为倒数关系。时延扩展是指发射信号码元在时间上的扩展。相干 带宽的意义是发射信号中的两个频率分量通过信道传输后的输出保持强相关的频率间 隔，当它们的间隔小于相干带宽时，它们通过信道所产生的衰落具有一致性，如果它们 的频率间隔大于相干带宽，那么它们的衰落就没有一致性，即不相关了。 根据信道的相干带宽和发射信号带宽之间的关系，信道可以分为平坦衰落信道和频 率选择性衰落信道。平坦衰落信道也称为窄带信道。当无线信道的相干带宽大于发射信 号的带宽时，发射信号经过信道时经历的是平坦衰落过程，接收端接收到的信号会发生 幅度变化，而频谱特性保持不变。假设b 。为信号带宽，眵是信道的相干带宽，t 是发 射信号的码元间隔，盯为信道的时延扩展。发生平坦衰落的条件是： 大连理：l 人学硕十学位论文 e 0 5 ( 2 2 ) 如果发射信号的带宽大于无线信道的相干带宽，或时延扩展大于信号的码元间隔， 即b 、 e 或t s 乏或鼠 相干带宽码元间隔 相干时间信号带宽 多普勒扩展 多普勒扩展 慢衰落信道码元间隔 多普勒扩展 空间平坦衰落信道天线距离 相干距离 我们己知接收端接收到的信号是来自多个路径信号的叠加，这些多径信号经历了不 同的衰落以及时延，这使得接收信号的幅度和相位呈现随机变化的特性。研究表明，在 大连理工大学硕士学位论文 平坦衰落信道情况下，接收信号的幅度一般服从瑞利( r a y l e i g h ) 分布或莱斯( r i c e a n ) 分布特性h 1 ，由此可将信道分为瑞利衰落信道和莱斯衰落信道两种类型。 瑞利衰落是常见的用于描述平坦衰落情况下接收信号包络时变统计特性的一种衰 落类型。如果传播环境中存在足够多的散射物体，则接收端的接收信号将表现为大量统 计独立的随机变量的叠加，根据中心极限定理，这一无线信道的冲激响应将是一个高斯 过程。瑞利衰落属于小尺度的衰落，它总是叠加于如阴影、衰减等大尺度衰落效应上。 瑞利衰落信道的增益可以一个复数来表示，它的实部和虚部都是零均值独立同分布的高 斯过程。由瑞利衰落所导致的接收信号包络的概率密度函数为： p ( ，) 2 孑- e x p ( 一寺) o 附 ( 2 4 ) 其中盯是所接收到信号的均方根( r m s ) 值。 若信道中存在一个主要分量，例如直射信号( l o s ) ，则接收信号的包络服从莱斯 分布，对应的信道模型为莱斯衰落信道。由莱斯衰落所导致的接收信号包络的概率密度 函数为： p = 孝e 冲 _ 警愕) 枷贮。 眩5 ， 其中参数a 为直射信号的幅度，厶( ) 为0 阶第一类修正贝塞尔函数。当a 专0 时，即直 射信号幅度趋向于零时，莱斯分布转化成瑞利分布。 2 2 m 0 无线信道模型 一个m n 的m i m o 系统框图如图2 1 所示，它的发射端有m 根发射天线，接收 端有根接收天线。 肘根发射天线 ，根接收天线 图2 1m i m 0 通信系统框图 f i 9 2 1 b l o c kd i a g r a mo fm i m o s y s t e m m i m o 通信系统信号检测技术研究 假设在某一时刻，发射端的发射信号向量为；x = h ，屯，嘞r ，经过信道传输， 接收端的接收信号向量为：y = y l ，y 2 ，巩r ，接收机输入端所叠加的噪声为： 形- 【，w 2 ，r 。考虑m i m o 系统发射端和接收端之间的信道为平坦衰落信道，则系 统输入输出模型n 1 为： y = 4 _ x + w( 2 6 ) 其中日为n m 的信道传输矩阵，可表示为： h = 啊。扛。： 吃，z。： ，。，： 啊朋 也朋 ： k m ( 2 7 ) h ，表示该时刻发射端第f 根天线和接收端第，根天线之间的信道传输系数。当发射端天 线间距和接收端天线间距都足够大，并且传播环境中的散射体丰富时，任意两个发射端 天线和接收端天线间的信道传输系数都不相关，此时在瑞利衰落的情况下，h ，为零均 值单位方差独立同分布的复高斯随机变量。噪声向量形的各元素为零均值独立同分布复 高斯随机变量，方差为盯2 。 式( 2 6 ) 可写成分量表达式形式： m y j = 嘭，x t + 吩，_ ，= 1 ，2 ，n ( 2 8 ) i - 1 由式( 2 8 ) 可见，每根接收天线上接收到的信号都是发射端的各个信号经过信道传输之 后的叠加，并且还有加性噪声的干扰，所以如何将这些信号分开就成为m i m o 技术中一 个重要的研究课题。 2 3 m 0 信道容量分析 信道容量是指在任意小的错误概率下，系统所能达到的最大的传输速率。根据 t e l a t a r 口3 的分析，在假定发射端未知信道状态信息，发射端天线数为膨，接收端天线数 为，总的发射功率为p ，并且功率在各个发射天线平均分配、接收端有全部的信道信 息的情况下，m i m o 系统的信道容量为： y，p 。c = 1 。9 2 【d e t ( i u + 而删爿) 】( b p s 7 h z ) ( 2 9 大连理工大学硕士学位论文 假设信道h 满秩，并且秩为k ，根据矩阵的相关定理，可得：k = m i n ( m ，n ) 。设 矩阵朋的特征值为：五，五，久，利用矩阵特征值的性质可以将上式化简为： c = 善k 崦：( - + 南丑) c 伽 由此式可见，在发射天线数目小于接收天线数目的情况下，信道容量随发射天线数目呈 线性增长引。 下面我们分别选择2 x 2 ，4 x 4 ，6 x 6 ，8 x 8 ，1 0 x 1 0 五种天线配置方案，对信道容 量进行仿真，得到的结果如图2 2 所示，其中横轴为信噪比，纵轴为信道容量，信噪比 的定义为： s n r = 1 0 l o g ，o ( 南) 包 差 眚 蓬 图2 2 不同天线配置下的m i m o 系统信道容量 f i 醇2 m i m o s y s t e mc a p a c i t yo fd i f f e r e n ta n t e n n ac o n f i g u r a t i o n s 由图2 2 可见，在理想情况下，信道容量随发射端天线数目呈线性增长。 2 4mim 0 空时编码技术 m i m o 技术在通信链路两端均使用多个天线，并行的多路信号通过不同的发射天线 在同一频率、同一时刻发射，接收端则通过有效的检测算法从重叠信号中分离估计出原 始信号码流，这实现了频带资源的重复利用，提高了系统的频带利用率和链路可靠性。 根据不同的应用目标，可以将m i m o 技术分为空间复用和空间分集两大类。其中空间复 用技术充分利用了空间多径信道并行传输数据的能力，可以提高通信系统的信道容量。 m i m o 通信系统信号检测技术研究 空间分集可以利用信道的多径特性抵抗信道衰落及噪声干扰，提高接收信号的可靠性。 为了实现有效通信的目的，不同的应用应该使用不同的空时编码方案。 目前，m i m o 技术中使用的空时编码方法主要有三种，它们分别是：空时分组编码 ( s t b c ) 、空时格型编码( s t t c ) 和分层空时编码。 下面我们将分别对这三种编码方法进行介绍。 ( 1 ) 空时分组编码 1 9 9 8 年，a l a m o u t i 提出了一种利用发射分集的编码方法n 1 ，该方法在发射端配置两 根天线，接收端配置一根天线，并且发射端的信号用一个固定的编码矩阵进行编码，经 过仿真验证，该方法达到了和在接收端利用两根天线实现接收分集一样的检测性能。 t a r o k h 陋3 采用正交设计方法对a l a m o u t i 提出的方案进行了推广，给出了任意发射天线数 目的通信系统进行空时分组编码的方法，并由此提出了空时分组编码s t b c 的概念。 空时分组编码可以用一个m xl 的编码矩阵表示，矩阵的元素是待发射信号及其共 轭的线性组合，其第f 行第，列的元素表示第f 根发射天线在时刻，发射的信号。例如 a l a m o u t i 提出的编码结构可用编码矩阵表示为： r - 一 g = i 1t 2l( 2 1 2 ) l x 2墨j 该矩阵表示信号五，岛经过空时分组编码后，发射端的发射信号矩阵。在某一时刻，发射 天线1 发射信号x l ，发射天线2 发射信号x 2 ，在下一时刻，发射天线1 发射信号一z ，发 射天线2 发射信号薪。其中，i 和葛分别代表墨和x ，的共轭。 空时分组编码能够提高通信系统的检测性能，具有传输可靠性高，译码简单的优点。 但同时，由于应用空时分组编码的系统在不同的时刻发射含有相同信息的信号，所以空 时分组编码并不能提高系统的传输速率。 ( 2 ) 空时格型编码 空时格型编码是传统格型编码阳1 在多天线系统的扩展。1 9 9 8 年，贝尔实验室的t a r o k h 等人n 提出了用于m i m o 通信系统的空时格型编码( s t t c ) 方案，其以格型编码调制作 为基础，将发射分集和信道编码调制相结合，在空间域和时间域上进行联合编码。在平 坦衰落信道中，空时格型编码可以同时提供编码增益和分集增益，能够有效抵抗信道中 的衰落和噪声，提高接收端接收信号的正确率。 大连理工大学硕士学位论文 空时格型编码能够取得良好的检测性能，有较强的抗衰落能力，但其缺点也是不可 忽视的。空时格型编码的缺点是译码过程比较复杂，译码复杂度随发射天线数目和数据 传输速率呈指数级增长，限制了其在实际当中的应用。 ( 3 ) 分层空时编码 分层空时编码是m i m o 通信系统中的一种重要编码方法，是最早的空时编码模型， 使用该编码方法能够极大的提高系统的容量和通信速率。1 9 9 6 年f o s h i n i 提出对角- 贝尔 实验室分层空时码n 订( d b l a s t ) 。1 9 9 8 年w o l n i a n s k y 等人提出垂直贝尔实验室分层 空时码n 2 3 ( v b l a s t ) 。两种编码方案都是将输入发射端的串行比特流经串并转换转换 为m 个并行的比特流，然后这些并行的比特流分别输入对应的编码器中，最后经过向 量编码器后从相应的发射天线发射出去。向量编码器的作用就是确定由串并转换并编码 后得到的信号流和发射天线的对应关系。根据向量编码器对m 层信号流映射关系的不 同，分层空时编码可以分为：水平分层空时编码( h b l a s t ) ，对角分层空时编码 ( d b l a s t ) ，垂直分层空时编码( v b l a s t ) 。由于在不同的天线发射不同的信号， 这些信号占用相同的频带，分层空时编码可以提高系统的容量和频带利用率。下面对这 几种分层空时码进行简单介绍。 ( a ) 水平分层空时编码( h b l a s t ) 。在本编码结构中，首先对信息序列进行编码， 然后经过串并转换转换为肘个并行的数据流，对每路数据流进行调制、交织， 最后对应到一根发射天线上。在水平空时分层编码方式下，每个子数据流都从固 定的发射天线发射。 一 ( b ) 对角分层空时编码( d b l a s t ) 。为了提高传输的正确率，f o s h i n i n u 提出了该种 编码方法，在该方法中m 个并行的数据流经过调制、交织后得到的码流将按照 对角线规律轮流对应到膨个发射天线上进行发射，即并行的m 路码流并不是从 固定的天线发射，而是按照对角线轮流从m 根天线发射。d b l a s t 的好处是， 通过m 路码流轮流在不同天线上进行发射，可以获得时间分集效果，提高了链 路的可靠性。其主要缺点是，由于符号在空间与时间上呈对角线形状，使得一部 分空时单元被浪费，增加了传输数据的冗余。 ( c )垂直分层空时编码( v b l a s t ) 。该编码方法对信息序列进行编码后，先不进行 串并转换，而是接着进行调制、交织，然后进行串并转换得到m 个并行的码流 分别对应到相应的天线上进行发射。垂直分层空时编码编码方式简单，信息传输 效率比对角空时分层编码要高，解码方法也比较简单，得到了广泛的应用。 1 9 9 8 年，贝尔实验室的研究人员实现了v b l a s t 实验系统，该系统发射端有8 根天 线，接收端有1 2 根天线，天线之间的间距为系统采用电磁波波长的一半，系统工作频率 m i m o 通信系统信号检测技术研究 为1 9 g h z ，带宽3 0 k h z ，采用未编码的1 6 q a m 调制。在室内无线环境中的实验结果表 明，系统频带利用率可以达n 2 5 9 b p s h z 。而传统的s i s o 无线通信系统可以取得的频带 利用率一般为：1 5b p s h z 。可见，m i m o 技术能够极大的提高通信系统的容量和频带 利用率。 2 5 m o 通信系统信号检测算法 m i m o 系统接收端接收到的信号在时间和频率上是重叠的，并且还可能会发生码间 干扰，因此m i m o 系统信号检测难度将远高于传统单输入单输出的检测难度。如何在接 收端将发射信号分离开来，并正确的检测出发射的信号是m i m o 技术的一个关键问题。 m i m o 系统接收端检测性能的好坏对整个系统的性能有重要影响。 到目前为止，有关m i m o 系统接收端信号检测的研究已经较多，研究人员提出了一 系列检测算法，这些算法具有不同的检测性能和计算复杂度。本节对已有的m i m o 系统 信号检测算法进行简单的回顾和介绍。 2 5 1最大似然检测算法 最大似然检测算法的目标是寻找最佳的岩，使得：| | y 一磁最小。该算法可表示 如下： x = a r g m i n l l y h x i i ( 2 1 3 ) 州” “ 其中s 代表发射信号的星座点的集合，f s 肘代表发射信号向量空间，】，代表接收端向量， 日为信道矩阵，在本文中，我们都假设在接收端对信道矩阵进行了正确的估计，即接收 端拥有全部的信道信息。 最大似然检测算法( m l ) 可以使系统获得最佳检测性能，是m i m o 系统的最优检 测算法。但其缺点是计算复杂度高，其计算复杂度随着天线和发射信号调制阶数的提高 而迅速增加。假设发射天线数目为m ，发射信号调制阶数为。，则m l 检测算法要得到 检测结果需进行碟次遍历搜索，当天线数目或调制阶数较高时，这是难以承受的。 最大似然检测算法过高的计算复杂度是限制其实际应用的一个障碍，所以如何降低 最大似然检测算法的计算复杂度以及研究接近最大似然检测性能的算法成为研究的一 个热点。1 9 9 9 年，v i t e r b o 和b o u r o s 提出了一种被称作球形译码n 卵( s p h e r ed e c o d i n g ) 的 检测算法。该算法能够达到最大似然检测算法的性能，同时计算复杂度较最大似然检测 大连理工大学硕士学位论文 算法低得多。d a m e n 等n 4 1 将球形译码检测算法用在了m i m o 通信系统中，取得了良好的 检测性能。文献 1 5 提出了一种降低球形译码计算复杂度的改进球形译码算法，它在保 持良好检测性能的同时，能够降低算法的计算复杂度。文献 1 6 提出了一种m l 检测的 简化算法，其对前m 一1 个信号进行m l 检测，而对剩下一个信号进行迫零( z f ) 检测， 这样就在检测性能下降不多的情况下大大降低了算法的计算复杂度。 球形译码检测算法是m i m o 系统的一类重要检测算法，本文将对该算法做深入研 究，给出球形译码检测算法的一种改进算法。 2 5 2 迫零( z f ) 检测算法 在m i m o 系统中，接收端每根天线接收到的信号都是发射端每根天线发射信号的叠 加，由此产生信号之间的干扰，而迫零检测算法口7 1 的出发点就是设法在接收端将信号之 间的干扰消除。此时接收端的信号检测矩阵为： g z p = ( h 月日) _ h 月 ( 2 1 4 ) 其中h 为信道矩阵。 在接收端将g 耵和接收信号向量相乘，得： g z , ? r = ( 戤+ ) = x + 啄形 ( 2 1 5 ) 对g ：f 】，进行判决可以得到检测结果。