（通信与信息系统专业论文）mimo检测算法研究与实现.pdf

摘要 摘要 新一代移动通信( b e y o n d3 g 4 g ) ，将提供高速的数据传输速率，以支持新业 务的不断涌现。如何在有限的频谱资源上实现高速率和大容量是未来移动通信系 统的关键因素之一。m i m o 技术利用多个天线实现多发多收，充分开发空间资源， 可以成倍地提高信道容量，同时也可以提高信道的可靠性，降低误码率。多用户 检测技术与m i m o 结合可以进一步提高传输效率，提高系统性能。但是在m i m o 系统多用户检测的研究上，尽管最早提出的最优多用户检测算法全空间最大似然 ( m l ) 检测能获取最优的检测性能，但由于其算法复杂度太高，一直无法实际应用， 于是研究复杂度较低，性能接近m l 的次优多用户检测算法具有重要意义。这些 算法可分为线性检测与非线性检测两大类。本文主要研究的是非线性检测中基于 智能优化算法的多用户检测技术。 本文首先介绍了m i m o 系统以及多用户检测理论，然后结合m i m o 多用户系 统和遗传算法研究利用遗传算法进行m i m o 多用户检测，从组合优化的角度讨论 了一种基于改进遗传算法的m i m o 多用户检测算法1 g a - m u d ( i m p r o v e dg 哦 a l g o r i t h mm u l t i u s e rd e t e c t i o n ) ，并与传统检测算法进行了性能仿真比较。仿真结 果表明，i g a m u d 的性能大大优于z f ( z e r of o r c i n g ，迫零) 和m m s e ( m i n i m u m m e a n s q u a r ee r r o r ，最小均方误差) 算法，在获取接近最大似然检测性能的同时显 著降低了算法的复杂度。 最后，本文在硬件设计与实现方面，研究了基于d s p + f p g a 硬件平台的m i m o 检测系统的设计方案，并对各个功能模块的f p g a 设计进行了详细阐述。 关键词：多输入多输出垂直分层空时码多用户检测遗传算法 a b s t r a c t a b s t r a c t t h en e x tg e n e r a t i o no fm o b i l ec o m m u n i c a t i o n sw i l lb ea b l et op r o v i d eah i 曲d a t a t r a n s f e rr a t et os u p p o r tt h ec o n t i n u o u se m e r g e n c eo fn e wb u s i n e s s t h ek e yc h a l l e n g eo f m o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mi sh o wt oa c h i e v eh i 曲- s p e e da n dl a r g e c a p a c i t yi nt h e l i m i t e ds p e c t r u mr e s o u r c e s m i m ot e c h n i q u e su s em u l t i p l ea n t e n n a st oi n c r e a s et h e c h a n n e lc a p a c i t y , i m p r o v et h er e l i a b i l i t y , a n dr e d u c et h ee r r o rr a t e b yc o m b i n i n g m u l t i - u s e rd e t e c t i o n t e c h n o l o g yw i t hm i m o ，t r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c y a n dt h e p e r f o r m a n c eo ft h es y s t e mc a nb ef u r t h e re n h a n c e d t h eo p t i m u md e t e e t o r - - m l m u d i sh a r d l yi m p l e m e n t e di np r a c t i c ef o ri t se x p o n e n t i a l l y - r a n k e dc o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t y , t h e r e f o r et h ed e t e c t i o n a l g o r i t h m s a r ea l l s u b o p t i m a l o n e sw h i c hh a v el o w e r c o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t yb u tg o o dp e r f o r m a n c ec l o s et o t h eo p t i m u mo n e t h e s u b o p t i m a la l g o r i t h m sc a nb ed i v i d e di n t ot w oc l a s s e s - - - l i n e a rd e t e c t i o na n dn o n l i n e a r d e t e c t i o n i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h en o n l i n e a rm u l t i u s e rd e t e c t i o nb a s e do nc o m p u t a t i o n a l i n t e l l i g e n c ei ss t u d i e dw h i c hp r o v i d e sap r o m i s i n gs u b o p t i m a lm u l t i u s e rd e t e c t i o n i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h ep r i n c i p l eo fm i m os y s t e ma n dm u l t i u s e rd e t e c t i o n a l g o r i t h m si sf i r s ti n t r o d u c e d s e c o n d l y , am u l t i u s e rd e t e c t i o na l g o r i t h m i g a - m u d ( i m p r o v e dg e n e t i ca l g o r i t h mm u l t i - u s e rd e t e c t i o n ) i sa n a l y z e d s i m u l a t i o nr e s u l t s s h o wt h a tt h ep e r f o r m a n c eo fi g a - m u di si m p r o v e ds i g n i f i c a n t l yo v e rz f ( z e r o f o r c i n g ) a n dm m s e ( m i n i m u mm e a ns q u a r ee r r o r ) a n d ，i g a - m u dc a na c h i e v ea n e a r - o p t i m u mp e r f o r m a n c e w i t l ls i g n i f i c a n t l yl 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 f i n a l l y , a na r c h i t e c t u r ed e s i g no ft h ed e t e c t i o na l g o r i t h mi nm i m os y s t e mi s p r o p o s e d , w h i c hi sb a s e do nt h eh a r d w a r ep l a t f o r mo fd s pa n df p g f o l l o w e db y d e t a i l e di l l u s t r a t i o n so ft h ef p g ad e s i g nf o re a c hf u n c t i o nm o d u l e k e y w o r d s ： m u l t i p l e - l n p u t - m u l t i p l e - o u t p u t ( m i m o ) v - b l a s t m u l t i u s e rd e t e c t i o n g e n e t i ca l g o r i t h m 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 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 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果：也不包含为获得西安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做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名： 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在- 年解密后适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期趁丝：z ：z 日期2 望竺! 么! z 广 第一章绪论 第一章绪论 1 1研究背景 无线移动通信已经经历了第一代模拟通信系统和第二代数字通信系统。从2 0 世纪8 0 年代开始，由于市场需求的推动，无线移动通信在覆盖范围和用户数量上 都得到了空前的发展；这让普通人享受到无线移动通信的方便和益处。可以说， 无线移动通信已经深刻地影响了人们的生活和工作方式。 目前，人们已经提出了第三代( 3 g ) 无线移动通信系统标准；而且第三代无 线移动通信技术的应用已经在世界范围内兴起，可以为人们提供基本的数据业务 和多媒体业务，这使得人们的生活变得更加丰富多彩，使得人们的工作变得更加 有效率。然而，随着无线业务的不断增长，无线通信领域面临着一些新的亟待解 决的挑战u 】，如： ( 1 ) 未来的无线通信系统需要解决极大的系统容量问题； ( 2 ) 未来的无线通信系统需要解决高速数据传输问题： ( 3 ) 未来的无线通信系统需要解决更高的频谱利用率问题。 上述的一些问题已经成为遏制无线通信技术快速发展的严重障碍。通信专家 及学者提出了各种解决方案和解决途径，如功率控制技术，多用户检测技术，正 交频分复用技术等等。m i m o 技术利用多个天线实现多发多收，充分开发空间资 源，可以成倍地提高信道容量，同时也可以提高信道的可靠性，降低误码率，已 经成为通信领域的前沿技术。 1 1 1m i m o 系统简介 多输入多输出( m i m o ，m u l t i p l e t n p u tm u l t i p l e o u t p u t ) 技术最早由m a r c o n i 于1 9 0 8 年提出的，是利用多天线来抵御信道衰落。m i m o t 2 】可以简单定义为：在 一个任意的无线系统中，链路的发端和收端都使用多天线，也包括单入多出系统 和多入单出系统。m i m o 的核心思想是：将发送端的信号分开而将接收端天线的 信号合并，使每个m i m o 用户的传输质量比特误码率( b e r ) 或数据速率得 到改进，提高网络服务质量。 m i m o 技术可以把多径效应作为有利因素来加以利用，在不增加带宽的情况 下成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率。在理想情况下，m i m o 系统的信道 容量随发送天线个数和接收天线个数的最小值线性增加，从而提供目前其他技术 无法达到的容量潜力。多天线发送和接收技术是空间分集与时间分集技术的结合， 有很好的抗干扰能力，如果能进一步将多天线发送和接收技术与信道编码技术结 合，就可以更大程度地提高系统性能。 m i m o 检测算法研究与实现 目前m i m o 技术领域另一个研究热点就是空时编码。常见的空时码有分层空 时码、空时网格码、空时分组码f 3 1 。空时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。m i m o 无线通信技术采 用空时处理技术进行信号处理，在多径环境下，无线m i m o 系统可以极大地提高 频谱利用率，增加系统的数据传输速率。 1 1 2m i m o 系统研究发展概况 a 在信道容量方面： 1 9 9 9 年，t c l a d a r 给出了高斯信道情况下单用户m i m o 的信道容量【4 】； 2 0 0 3 年，c a i r 9 给出了高斯广播信道下多用户m i m o 信道的和速率容量【5 】； b 在空时编码方面： ， 1 9 9 8 年t a r o k h 等人讨论了用于m i m o 的空时码【6 】。 c 在空时分层结构方面： ， 19 9 6 年f o s h i n i 给出了一种m i m o 检测算法d b l a s t 算法【7 】； 1 9 9 8 年f o s h i n i 对d b l a s t 结构进行了简化，提出了v - b l a s t 算、法【8 】； 2 0 0 2 年1 0 月贝尔实验室研制出了b l a s t 芯片，该芯片支持最高4 x 4 的天线 布局，使终端能在3 g 网络中接收最高1 9 2 m b p s 的数据。 1 1 3m i m o 系统研究所面临的主要挑战和尚需解决的问题 在未来的b 3 g 4 g 环境下，如何在有限的频谱资源上实现高速率和大容量是未 来移动通信系统的关键因素之一。 m i m o 技术利用多个天线实现多发多收，充分开发空间资源，可以成倍地提 高信道容量，同时也可以提高信道的可靠性，降低误码率。多用户检测技术与 m 1 m o 结合可以进一步提高传输效率【9 j 。但是在m i m o 系统多用户检测的研究上， 尽管全空间最大似然( m l ) 【i o 】【1 1 】检测能获取最优的检测性能，但由于其算法复杂 度太高，一直无法实际应用，于是研究复杂度较低，性能接近m l 的多用户检测 算法具有重要意义。在各种检测方法中，m m s e 算、法【9 】【l l 】，西算法【1 2 1 以及文献【1 3 1 【1 4 】 提出的基于q r 分解m i m o 检测算法都在牺牲了一定性能的情况下降低了复杂度。 文献【1 5 h 1 8 1 研究了c d m a 系统使用遗传算法进行多用户检测的性能，文献提出 可以利用遗传算法来解决s d m a o f d m 多用户的检测，从而获得接近最优多用户 检测器的性能。 1 2m i m o 多用户系统概述 t c l a t a r 4 和f o s c h 砬对多天线信息论的开创性工作证明，在丰富散射信道下， 第一章绪论3 m i m o 系统的信道容量与收发天线数成正比增长。基于同样的原理，在独立同分 布的r a y l e i g h 信道下，各收发天线对之间的衰落近似独立，这使得空分多址 ( s d m a ) 成为多用户系统上行多址接入的一种可能选择。 现在m i m o 系统的研究己经从单用户m i m o 系统扩展到m i m o 多用户系统。 多用户的多天线配置可以带来许多好处：多天线的空分复用增益可以直接提高频 谱利用率，扩大多用户的信道容量；多天线的分集增益可以提高可靠性即误比特 率性能，从而间接提高频谱利用率；另外，若采用智能天线的配置方式，多天线 可以带来方向性增益从空间上区分用户而进一步消除用户间的干扰。 m i m o 多用户系统可以使用多种多址接入方式。时分多址( t d m a ) 的频谱 效率低，系统容量不高，码分多址( c d m a ) 需要消耗大量的码资源。空分多址 ( s d m a ) 技术频谱利用率且不消耗码资源，是我们讨论m i m o 多用户系统的主 要方式，同时，考虑到空间信道的相关性，s d m a 可以与其它多址接入方式相结 合，降低或消除相关信道对m i m o 系统的不利影响。 m i m o 多用户系统和传统的多用户系统一样，在上行链路中，所有用户工作 在相同频段上向基站发送信号，基站则可以针对不同的多址接入方式采用不同的 技术检测各个用户的发送数据。在s d m a 的m i m o 多用户系统中，则可以考虑使 用分层空时码的检测技术，如v - b l a s t 等。 我们将在后续的章节中对m i m o 多用户系统进行深入讨论。 1 3基于改进遗传算法的m i m o 系统多用户检测的目的和意义 遗传算法【2 0 】是由美国的j h o l l a n d 教授在他的专著自然界和人工系统的适 应性中首先提出的，它模拟自然选择和自然遗传过程中发生的繁殖，交叉和基 因突变现象，在每次迭代中都保留一组候选解，并按某种指标从种群中选取较优 的个体，利用遗传算子( 选择，交叉和变异) 对这些个体进行组合，产生新一代 的候选种群，重复此过程，直到满足某种收敛指标为止或者达到制定的进化代数 量而终止。 近几年来，遗传算法主要在复杂优化问题求解和工业工程领域应用方面，取 得了一些令人信服的结果，所以引起了很多人的关注。在发展过程中，进化策略、 进化规划和遗传算法之间差异越来越小。遗传算法成功的应用包括：作业调度与 排序、可靠性设计、车辆路径选择与调度、成组技术、设备布置与分配、交通问 题等。 本文针对多输入多输出( 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 ) 系统中最优 多用户检测的指数计算复杂度问题，研究利用遗传算法进行m i m o 多用户检测的 方案，并从组合优化的角度讨论了一种基于改进遗传算法的m i m o 多用户检测算 4 m i m o 检测算法研究与实现 法一i g “m u d ( i m p r o v e dg e n e t i ca l g o r i t h mm u l t i u s e rd e t e c t i o n ) 。仿真表明， i g a - m u d 的性能大大优于z f ( z e r of o r c i n g ，迫零) 和m m s e ( m i n i m u mm e a n s q u a r ee r r o r ，最小均方误差) 算法，在获取接近最大似然检测性能的同时显著降 低了算法的复杂度。 1 4本论文的主要工作及内容安排 本论文首先介绍了m i m o 系统的基本概念，讨论了三种基本空时编码技术。 然后，介绍了多用户检测理论，并详细分析了m i m o 多用户系统检测问题，研究 了基于改进遗传算法的m i m o 系统多用户检测算法，这种算法避免了直接使用最 大似然带来算法复杂度的巨大增加，与传统的多用户检测算法相比较，提高了检 测性能，误码率得到了显著改善。最后，研究讨论了如何在d s p + f p g a 硬件系统 平台上实现m i m o 检测技术。 本文内容安排如下： 第一章作为本论文的研究背景，概述了目前m i m o 系统的应用与发展现状。 简要介绍了m i m o 多用户系统和基于改进遗传算法的m i m o 系统多用户检测的目 的和意义。 第二章介绍了m i m o 系统容量及空时编码技术，给出了m i m o 系统的模型， 着重分析了三种基本的空时编码技术：分层空时码( b l a s t ) 、空时分组码( s t b c ) 和空时网格码( s t t c ) 的编译码原理。 第三章讨论了m i m o 多用户系统检测问题，从多用户检测理论的提出，原理 进而详细分析了m i m o 系统多用户检测的各种检测方法，并在基于v - b l a s t 的 m i m o 多用户系统中对各种检测算法进行了仿真比较。 第四章结合m i m o 多用户系统和遗传算法研究利用遗传算法进行m i m o 多用 户检测的方案，并从组合优化的角度讨论了一种基于改进遗传算法的m i m o 多用 户检测算法i g a - m u d ( i m p r o v e dg e n e t i ca l g o r i t h mm u l t i - u s e rd e t e c t i o n ) 。最后 给出了m a t l a b 仿真结果，对仿真图形进行了详细分析，仿真结果能够很好的支 持前面的理论。 第五章m i m o 检测的硬件设计，根据项目所提出的系统设计方案，选取 d s p + f p g a 硬件系统作为其核心部分，阐述了m i m o 检测的开发实现流程和软硬 件开发实现平台。然后描述了设计中模块的划分以及设计方案。最后，本章详细 介绍了m i m o 检测的f p g a 设计与实现过程，重点分析了浮点数加减法以及乘法 运算模块的设计方法。 第六章对全文进行总结，并对m i m o 多用户检测技术的应用前景进行展望。 第二章m i m o 系统和空时编码技术 5 第二章m i m o 系统和空时编码技术 无线通信技术的发展使得人们对高速可靠的数据业务的需求越来越高。高速 业务和用户数的激增使得对频谱的需求量急剧增加，而频谱资源却是有限的。现 代无线通信系统最主要的问题就是如何在有限的频谱资源和多径衰落对其传输性 能恶化的影响下提供高性能、高速率、高容量的服务。m i m o 系统能在不增加带 宽的情况下成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率。 本章介绍和分析了m i m o 系统在无线信道中的容量特性以及空时编码技术。 2 1 1m i m o 系统模型 2 ：1m i m o 系统容量分析 假定一个点对点m i m o 系统有坞个发射天线、峨个接收天线。集中于用离 散时间描述的复基带线性系统模型，系统框图如图2 1 所示。用肘rx l 列矩阵s 表 示每个符号周期内的发射信号，其中第i 个元素s ；表示第i 根天线发射的信号。 信 号 处 理 图2 1m i m o 系统框图 对于高斯信道，按照信息论可知，发射信号的最佳分布也应该是高斯分布的。 因此，s 的元素是零均值独立同分布的高斯变量。发射信号的协方差矩阵为： 。r 。= e s s ( 2 1 ) 式中，e ) 代表均值；s 表示矩阵s 的复共扼转置矩阵。不管发射天线数m ，是 多少，总的发射功率限制为p 。如果信道在发射端未知，则假定从各个天线发射的 信号都有相等的功率p m r 。这样，发射信号的协方差矩阵为： p r 2 隶i j l ， 门j ) 6 m i m o 检测算法研究与实现 由于发射信号的带宽足够窄，因此可以认为它的频率响应是平坦的。换句话 说，假定信道是无记忆的。 用x m r 的复矩阵日描述信道。i l 打表示矩阵日的第个元素，代表从第i 根发射天线到第根接收天线之间的信道衰落系数。为了规范，假定m 月根接收天 线中每一根天线的接收功率都等于总的发射功率。这种假定，实际上忽略了信号 传播过程中的信号衰减和放大，包括阴影、天线增益。于是得到了具有确定参数 的信道矩阵日中的各元素的规范限定，如下式所示： 艺m = m r ，j = l ，2 9 # * e 9 m r ( 2 3 ) 当信道矩阵元素为随机变量时，规范就是对上述表达式取期望值。 假定己知接收端信道矩阵，但发射端不确定，那么可以通过向接收端发射训 练序列来估计信道矩阵，然后再通过可靠的反馈信道将估计的信道状态信息( c s i ) 发送到发射端。用m 詹1 的列矩阵描述接收端的噪声，表示为i t 。它的元素是统计 独立的复零均值高斯变量，它具有独立且方差相等的实部与虚部。接收噪声的协 方差矩阵为： r 。= e n n 嚣 ( 2 - 4 ) 如果n 的元素之间没有相关性，则接收噪声的协方差矩阵为： r 。= o i 材。 ( 2 5 ) 个接收分支中每一个都有相同的噪声功率o 。 接收端基于最大似然准则，在膨露根天线上进行联合操作。用心1 的列矩阵 描述接收信号，表示为r ，其中每个复元素代表一根接收天线。表示每根接收天 线输出端的平均功率。则每根接收天线处的平均信噪比( s n r ) 定义为： y = 毛 泣6 ) 前面己假定每根天线的总接收功率都等于总发射功率，这样，s n r 就等于总 的发射功率和每根接收天线的噪声功率的比值，而且它独立于m r ，写为： ，：一p ( 2 7 ) y 2 瓦 旺刁) 使用线性模型，可将接收矢量表示为： r = i f i s + i i( 2 8 ) 接收信号的协方差矩阵定义为e r r 何 ，利用式( 2 1 6 ) 可以得出： r ，= h r 。h 碍 ( 2 - 9 ) 而总接收信号功率可表示为t r ( r 。) 。 第二章m i m o 系统和空时编码技术 2 1 2 独立衰落m i m o 的信道容量 将图2 1 的m i m o 信道模型作为我们的研究对象。假设信道衰落为频率平坦 且时间平坦的，并分别做如下假设来分析其容量。 1 、发射机未知信道信息的状况下 如果信道状况发射机未知，并且发射向量s 是统计独立的，那么将总的发射功 率分配到每个天线上是一种最优方案，这样得到信道容量【1 2 】为 l 0 9 2 d e t ，( i 坼+ 硒p 刚j协 2 喜- o g z ( “去叫 其中，是矩阵h h 的秩，五( f = 1 , 2 ，) 是对应的特征值。我们可以看出，m i m o 信道的容量等效于，个s i s o 子信道的容量之和，每个子信道的功率增益为五( f = 1 , 2 ，) ，发射功率为p = p m r ，并且与子信道的特征值无关。由此，式( 2 1 0 ) 可以改写为： 器舡h 专) 像 其中符号“= ”表示平均分配功率的方案。 2 、发射机已知信道信息的状况下 如果信道h 对于发射端来说是已知时，就可以使用特征值分解e v d ，提取信 道矩阵的，个特征值。为了使整个信道的容量达到最大，可以按照提取出来的特征 值 以 ，来给每一个子信道分配发射功率a 。根据g a l l a g e r 的注水定理，给每一 个子信道分配的功率满足下列关系式： a + 去1=所+石1-p2+夏 = 三( 2 m ) a + i2 2 所+ 石2 三 2 ) 为一公共因子，各个子信道所分配到的发射功率要受总发射功率p 的限制： 办= p ( 2 1 3 ) 式( 2 1 2 ) 说明，具有最大特征值的子信道或最高增益的子信道被分配到最大 一部分功率。当1 4 l 时，b = 0 。因此，信道容量表达式为： c 竺喜b g ：h 惹) 沼 其中符号“= 表示注水功率分配方案。 8 m i m o 检测算法研究与实现 2 1 3m i m o 系统小结 m i m o 空间复用技术就是在接收端和发射端使用多副天线，充分利用空间传 播中的多径矢量，在同一频带上使用多个数据通道( m 蹦o 子信道) 发射信号， 从而使得容量随着天线数量的增加而呈线性增j j h 2 1 1 。这种信道容量的增加不需要 占用额外的带宽，也不需要消耗额外的发射功率，因此是提高信道和系统容量的 一种非常有效的手段。空间复用是将需要传送的信号经过串并转换成几个平行的 信号流，并且在同一频带上使用各自的天线同时传送。由于多径传播，每一副发 射天线针对接收端产生一个不同的空间信号，接收方利用信号不同来区分各自的 数据流。实现空间复用必须要求发射和接收天线之间的间距大于相关距离，这样 才能保证收发端各个子信道是独立衰落的不相关信道。 m i m o 无线通信技术通过空间分集来克服无线传输中的信道衰落。空间分集 分为接收分集和发射分集两类，通常可以认为s i m o 系统是接收分集，m i s o 系统 是发射分集。无线信号在复杂的无线信道中传播产生瑞利衰落，在不同空间位置 上其衰落特性不同。如果两个位置间距大于天线之间的相关距离( 通常相隔十个 信号波长以上) ，就认为两处的信号完全不相关，这样就可以实现信号空间分集接 收。需要说明的是，空间分集适于在多散射体的多径情况下应用，天线间距应适 当拉开以保证发射、接收信号的相互独立性，以充分利用多散射体造成的多径( 也 称之为充分多径) 。 m i m o 技术是无线通信领域智能天线技术的重大突破，能在不增加带宽的情 况下成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率。能够通过空间分集将传统通信系 统中存在的多径影响因素变成对用户通信性能有利的增强因素。m m o 技术有效 地利用随机衰落和可能存在的多径传播来成倍地提高业务传输速率。 2 2空时编码技术 空时编码的概念是j h w i n t e r 于1 9 8 7 年提出的，空时编码就是将空间域上的 发射分集和时间域上的信道编码相结合的联合编码技术，空间域上的编码可以利 用空间冗余度来实现分集，以克服信道衰落，提高性能。空时编码在不同的天线 所发送的信号中引入时间和空间的相关性，从而不用牺牲带宽就可以为接收端提 供编码系统所没有的分集增益和编码增益。 2 2 1空时编码技术概述 随着因特网和多媒体应用在下一代无线通信中的集成，宽带高速数据通信服 务的需要正在不断增长。由于可用无线频谱资源的有限性，高数据速率只能通过 高效的信号处理来实现。信息论领域近期的研究表明，在无线信道中使用m i m o 第二章m i m e 系统和空时编码技术 9 系统可以显著提高通信容量。在无线链路两端设置多元天线阵列就构成了m i m e 信道。在m i m e 信道中，空时编码是可以使信息容量接近理论容量的一种较实用 的编码。它的基础理论由t a r o k h 、s e s h a d r i 和c a l d e r b a n k 于1 9 9 8 年提出。自那以 后，空时编码和相关的m 1 m o 信号处理技术在无线通信领域取得了广泛应用和飞 速的发展。 剧 空 一 时 编 码 _ 空 一时 译 码 - 图2 2 空时码处理系统 空时编码是一种能获取更高数据传输率的信号编码技术。它是空间传输信号 和时间传输信号的结合，实质上就是空间和时间二维的处理相结合的方法。在新 一代移动通信系统中，空间上采用m i m e 天线的空间分集来提高无线通信系统的 容量和信息率；在时间上把不同信号在不同时隙内使用同一个天线发射，使接收 端可以分集接收，如图2 2 所示的一个空时码处理系统的结构图，用这样的方法可 以获得分集和编码增益，从而实现高速率的传输。现在是第三代移动通信系统中 提高频谱利用率的一项技术。作为一种把编码、调制和空间分集结合起来的新兴 技术，也将成为后3 g 技术中重要的一部分。目前空时发送分集技术已经进入了 3 g 协议，发送分集和接收分集可以提高系统的容量，将编码调制分集技术有机地 结合起来。m i m e 系统从空时编码信号处理的角度上主要分为分层空时码、空时 分组码和空时格码，下面我们一一简要介绍。 2 2 2 分层空时码( l a y e r e ds p a c e t i m ec o d e ，l s t ) 分层空时码最早由贝尔实验室的f o s c h i n i 7 j 【8 】等人提出。分层空时码的最大优 点在于能够极大的提高系统的频谱利用率。它的基本思想是把高速数据业务分解 为若干低速数据业务，通过普通的并行信道编码器编码后，对其进行并行的分层 编码。编码信号经调制后从多根天线发送。分层空时码中，原始信息比特首先被 分解成多个并行的数据流( 称为层) ，并将它们送入不同的编码器，然后再将编码 器的输出调制后从不同的天线上发送出去。所有数据在同一个频段内传输，所以 频谱效率非常高。接收机端首先分离不同的编码数据流，然后将数据送入不同的 解码器，解码器的输出再重新组合建立原始的信息比特流。 1 0 m i m o 检测算法研究与实现 - q 编码与调制 串 - q 编码与调制 并 转 换 - q 编码与调制 r l 信道 一解调与译码卜 估计 r 2 一解调与译码卜 并 干扰由 抑制 转 换 干扰 r 脚 消除 一解调与译码卜 图2 3 空时分层码编译码 空时分层码的实现方式很简单： 第一步，将输入信息比特流分解成1 1 个比特流，独立地进行信道编码与调制。 第二步，n 个已编码的比特流通过矢量编码器的变换映射到对应的发射天线上 发送出去，( 如图2 3 所示) 。 第三步，通过好的信道估计获得准确的信道参数，并经过线性判决反馈均衡 器实现分层判决反馈干扰抵消，然后再进行分层空时码的译码。 第四步，最后用单个信道译码器完成信道译码工作。 分层空时码按发射端分路方式的不同可以分为水平分层空时码( h l s t ) 、垂 直分层空时码( v l s t ) 和对角分层空时码( d l s t ) 。对于水平分层空时码来说， 各向量编码器的输出数据流之间不进行空间交织，直接经数据流内的时间交织后 送往相应的天线发射。垂直分层空时码将向量编码器的输出数据流在分路器内进 行垂直方向的空间交织，再进行新数据流的时间交织。而对于对角空时码来说， 各向量编码器的输出数据流在分路器内按对角线进行空间交织，然后再对所形成 的新的数据流进行内部的时间交织，这就等价于在各向量编码器输出数据流之间 进行了空间编码。 由于分层空时码在解码时利用了信道信息，所以其性能在很大程度上依赖于 信道的衰落环境和对信道衰落特性估计的准确性，只有当各子信道所受的衰落尽 可能独立时，才可以恢复出发送信号。 分层空时码允许采用一维的信号处理方法对多维空间信号进行处理，极大降 低了译码复杂度。一般地，分层空时码的接收机复杂度与数据速率成线性关系。 2 2 3 空时分组码( s p a c e - t i m e b l o c kc o d e ，s t b c 2 2 】) 空时分组码s t b c ，最早由a l a m o u t i 2 3 】提出，通过发送天线的简单编码方式， 获得发送分集增益。a l a m o u t i 的空时分组码的最大优势，在于简单地采用最大似 然译码准则，就可以获得完全的分集增益。一般地，两发n 收的a l a m o u t i 系统获 得的分集增益与一发2 n 收的分集系统所获得的分集增益完全相同。 第二章m i m o 系统和空时编码技术 a l a m o u t i 的两发一收的s t b c 系统的编码，译码结构图2 4 。输入的信息流经 过调制之后送入空时二维编码器，再从两根发送天线分别发送。接收端则采用最 大似然检测器。 编码器 卧x 2 1h l - x ： 盥区巫圃互扩 ( b ) 译码框图 图2 4 空时分组码的编译码框图 s t b c 编码设计的关键在于保证两天线之间发送信号序列之间的正交性。接下 来，t a r o k h 进一步将两根天线的s t b c 推广到多天线的形式，并提出了通用的正 交空时分组码设计准则。这些s t b c 码可以获得完全的分集增益，而且只要利用 简单的最大似然译码。 2 2 4 空时格码( s p a c e t i m et r e l l i sc o d e ，s t t c ) 空时分组码能够获得分集增益，但不能提供编码增益。分层空时码能够极大 提高系统的频谱利用率，但它一般不能获得完全的分集增益。1 9 9 8 年，t a r o k h t 6 】 等人首次提出将信道编码，调制及收发分集联合优化的思想，构造了空时格码 s t t c 。s t t c t 2 4 】既可以获得完全的分集增益，又可以获得极大的编码增益，同时 还能提高系统的频谱利用率，并且能够有效的抵抗衰落，抑制干扰和噪声。 空时格码是继分层空时码之后被提出的另一种空时编码技术，它把编码和调 制结合起来，综合考虑了编码增益和分集增益的影响，充分利用多发送天线的空 间分集和信道编码及交织的时间分集，提高了频带利用率。格型编码器采用多进 制调制方式，可以提高系统的传输速率，但采用多进制后，信号之间的差别减小， 要达到相同的误码率性能，多进制方式所需的信噪比要比二进制高，所以，只有 在信道衰落较小时，才可以考虑使用更高频谱效率的调制方式来提高平均数据速 率。空时格码编码方案可以获得与最大比合并接收m r r c ( m a x i m a lr a t i or e c e i v e c o m b i n e ) 相同的分集增益。除了分集增益外，设计良好的空时格码还可以获得大 的编码增益。 一般地，可以将空时格码的编码器看作一个有限状态机，最新的一组数据流 的值可以确定当前状态和下一状态之间的转换关系，这一转换的结果就是空时码 元的发射过程。与多进制调制相对应，空时码元的组成可以有很多种，例如4 p s k ， 1j 1玉t嗣 r。卜l r，。l 1 2 m i m o 检测算法研究与实现 s p s k ，1 6 q a m 等。 空时格码的编码过程如下( 假设在每帧的开始和结尾编码器处于零状态) ：假 设采用有2 ”个星座点的星座图进行调制，在每一时刻t ，有b 个比特输入网格编码 器，该编码器有n 个不同的生成多项式决定其n 个输出，它们分别对应n 个天线 上发送的数据，此时数据已经不再是信息比特，而是调制星座图中符号。对应到 格型图上，就是编码器根据当前所处的状态和当前输入的比特序列，选择输出分 支，并且所有这些信号同时发射。对于空时格码的译码，假设在接收端可以准确 地估计出衰落信道的路径增益，即信道传输矩阵h 。由于空时格码采用网格编码 方法，所以在接收端可利用v i t e r b i 译码算法进行译码，选择累计度量最小的路径 作为译码器的输出就可以以最小错误概率恢复出编码数据。 若采用有2 。个信号点的星座图，在保证最大分集增益前提下s t t c 可达到的 频带利用率最大为bb i t s s h z ，不再随着天线数增加而增加。采用多进制调制方式， 可以提高频带利用率。与其它编码方案相比，s t t c 的一个显著特点是它在各种信 道环境下均有较好的性能，它以部分频带利用率为代价来换取最大分集增益。 s t t c 的译码复杂度与分集度和传输速率成指数关系，即使对于较小的分集度和传 输速率，相应的译码复杂度也会很大，这是限制s t t c 在实际通信系统中应用的 一大因素。 上述三种空时编码中，空时分组码s t b c 和空时格码s t t c 不是本文主要关 心的空时编码技术，而分层空时码，尤其是垂直贝尔实验室分层空时码( v $ l a s t ) 是本文重点讨论的内容，在下一章中将有深入的讨论。 2 3本章小结 本章主要介绍了m i m o 系统容量及空时编码技术。m i m o 技术是无线通信领 域智能天线技术的重大突破，能在不增加带宽的情况下成倍地提高通信系统的容 量和频谱利用率。本章由图2 1 给出的m i m o 系统模型，分析了独立衰落m i m o 系统的信道容量。在m i m o 信道中，空时编码是可以使信息容量接近理论容量的 一种较实用的编码，本章着重分析了三种基本的空时编码技术：分层空时码 ( b l a s t ) 、空时分组码( s t b c ) 和空时网格码( s t t c ) 的编译码原理。 第三章m i m o 多用户系统检测技术 1 3 第三章m i m o 多用户系统检测技术 t c l a t a r 和f o s c h i n i 对多天线信息论的开创性工作证明，在丰富散射信道( 如独 立同分布r a y l e i g h 信道) 下，m i m o 系统的信道容量与收发天线数成正比增长。基 于同样的原理，在独立同分布的r a y l e i g h 信道下，各收发天线对之间的衰落近似 独立，这使得空分多址( s d m a ) 成为多用户系统上行多址接入的一种可能选择。 3 1 多用户检测理论 3 1 1多用户检测技术的提出 多用户检测( m u f t i u s e rd c t c c t i o n ，抓j d ) 技术能够有效的消除m 触，又可以 抵抗远近效应及多址干扰，提高系统性能。m u d 是一种从接收机端解决干扰抑制 的方法，它解决的基本问题是：如何从相互干扰的数字信息串中可靠地解调出某 支特定用户的信号。 m u d 检测的想法最早是由k s s c l l n e r d c r 在1 9 7 9 年提出的，他第一次提出将 多个用户的码字和定时等信息联合起来以检测出每个用户信息的多用户检测思 想。最佳多用户接收机也就是最大似然序列估计( m l s e ) 检测器f 2 5 】，该检测器的主 要思想是：产生最大似然序列b ，使得b 的概率最大化。最优检测从本质上说是一 个序列检测问题，即采用最大似然序列准则或者最小差错概率准则，对接收信号 序列的整体进行处理。虽然最佳多用户接收机有极好的性能，但是却有巨大的复 杂度o ( n ”) ，这是在实际工程中无法实现的，因此m u d 的研究方向主要集中在易 于实现的次优多用户检测器。 3 1 2多用户检测技术的原理 传统的接收机进行的都是单一用户的检测，它的缺点是在对一个用户解调时 没有利用已知的其它用户的信息，而是将多址干扰当作高斯白噪声处理，按照经 典的直接扩频理论对每个用户信号分别进行扩频码匹配处理