（通信与信息系统专业论文）gbps高速无线通信系统多天线信号检测技术的研究.pdf

摘要 摘要 当今人类社会已进入信息时代，无线通信越来越受到人们的重视。随着l m e m e t 和多媒体等高速 数据业务在无线通信系统中的广泛应用，下一代移动通信系统( b 3 g 4 g 系统) 需要提供比现有的第二 代移动通信( 2 g ) 系统和第三代移动通信( 3 g ) 系统更高的频谱利用率和功率效率，更快的传输速率， 更大的用户容量，以及更稳定的服务质量。 东南大学移动通信国家重点实验室在国家自然科学基金重大项目和前期8 6 3 重大项目的基础 上，设计在小于1 0 0m h z 的无线传输带宽和5 0 米的传播距离内。实现无线传输速率超过1g b p s 的通信系统。为我国在下一代无线通信系统的核心技术掌握、标准制定、乃至今后实际系统的建设 等方面提供技术储备，推动我国从无线通信大国到强国的跨越。本文作为8 6 3 项目。g b p s 无线传输 关键技术与试验系统研究开发”的一部分，研究了多天线检测部分的技术理论和算法实现。 本文首先叙述了g b p s 系统中运用的主要关键技术，包括m 叫o 和o f d m 然后重点讨论了多 天线检测技术，特别是基于q r 分解的检测算法，并通过浮点仿真研究出适用于本高速通信系统的 检测算法。为了适合硬件实现，将此检测算法改进，最后根据x i l i n x r t c x 5 芯片进行检测模块硬件 结构设计、定点仿真和f p g a 实现，并对占用资源进行估算。 关键词：g b p s ，m i m o ，o f d m ，多天线检测，q r 分解，硬件实现 a b s t r a c t a b s t r a c t t o d a yh u m a ns o c i e t yh a se n t e r e dt h ei n f o r m a t i o na g e ，a n dw i r e l e s sc o m m m d c a t i o n sg e tm o l ea n d m o r ea t t e n t i o n w i t ht h ew i d e l yu s eo fh i g h - s p e e dd a t as e r v i c es u c ha si n t e m e ta n dm u l t i m e d i a , t h en e x t g e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o n ss y s t e m ( b 3 g 4 gs y s t e m ) i sa b l et oh a v eh i g h e rs p e c t r u me f f i c i e n c ya n d p o w e re f f i c i e n c y , f a s t e rt r a n s f e rr a t e ，g r e a t e ru s e rc a p a c i t ya n db e t t e rq u a l i t yo fs e r v i c ei nc o m p a r i s o nw i t h t h es e c o n dg e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o n ss y s t e m ( 2 g ) a n dt h et h i r dg e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s s y s t e m ( 3 g ) b a s e d0 1 1t h en a t i o n a ls c i e n c ef o u n d a t i o np r o j e c ta n dp r e v i o u s8 6 3r e s e a r c hp r o j e c t , n a t i o n a lm o b i l e c o m m u n i c a t i o n sr e s e a r c hl a b o r a t o r yo fs o u t h e a s tu n i v e r s i t ya r cr e s e a r c h i n gan e wc o m m u n i c a t i o n s s y s t e mw h i c hc a na c h i e v et h et r a n s m i s s i o no fg r e a t e rt h a nlg b si na1 0 0 - m h zc h a n n e lb a n d w i d t hi nt h e d i s t a i l c a go f 5 0m e t e r s t h er e s e a r c h i n gc a r tn o to n l yp r o v i d et e c h n i c a ls u p p o r tf o ro u rc o u n t r yt om a s t e rt h e t e c h n o l o g i e s ，s t a n d a r da n dc o n s t r u c t i o n s ，b u ta l s ot r a n s f o r mc h i n ai n t oac o m m u n i c a t i o n sg i a n t a sap a r t o ft h e8 6 3p r o j e c t “k e yt e c h n o l o g yi ng b p sw i r e l e s st r a n s m i s s i o ns y s t e m ，t h i sp a p e rf o c u s e so nt h e t h e o r ya n di m p l e m e n t a t i o no ft h em u l t i - a n t e n n ad e t e c t i o n f i r s tt h e k e yt e c h n o l o g i e s o fo b p ss y s t e ma r ep r e s e n t e d , i n c l u d i n gm i m o ，o f d m t h e n m u l t i - a n t e n n ad e t e c t i o n sa r ed i s c u s s e d , e s p e c i a l l yt h ed e t e c t i o na l g o r i t h mb a s e do nq gd e c o m p o s i t i o n b y r e s e a r c h i n g o nt h ef l o a tp o i n ts i m u l a t i o n s ，t h ea l g o r i t h mw en e e di n 咖s s y s t e mh a sb e d e s i g n e d t h e a l g o f i t h mi s m o d i f i e df o rh a r d w a r ei m p l e m e n t a t i o n a tl a s t , h a 咖s n c t u r ed e s i g n , f i xp o i n _ t s i m u l a t i o n sa n df p g ai m p l e m e n t a t i o no f t h ed e t e c t i o na l g o r i t h ma r cm a d ew i t ht h ec h i po f x i l i n xv l r t e x - 5 ， a n da l s ot h er e s o u r c en e e d e di se s t i m a t e d k e y w o r d s ：g b p s ，m i m o o f d m ，m u l t i - a n t e n n ad e t e c t i o n q rd e c o m p o s i t i o n ，h a r d w a r ei m p l e m e n t a t i o n l 插图目录 插图目录 图1 1m i m o 系统模型。2 图1 2 单个o f d m 载波频谱4 图1 3 多个o f d m 载波频谱4 图1 - 4o f d m 时域频域图4 图1 5o f d m 发送端4 图1 6o f d m 接收端5 图1 7 g b p s 系统发射端6 圈1 - s g b p s 系统接收端7 图2 1m i m o - o f d m 系统时域传输框图9 图2 - 2m 江o d f d m 简化频域传输框图9 图2 34 发4 收在频域信道下不同检测算法性能比较2 0 图2 04 发6 收在频域信道下不同检钡8 算法性能比较2 0 图3 1 过时域信道检测仿真框图2 3 图3 - 2 过时域信道检测仿真流程图2 4 图3 - 3 子载波分配图2 7 图3 44 发4 收q p s k 不同检测算法性能比较2 8 图3 54 发4 收1 6 q a m 不同检测算法性能比较。2 8 图3 - 64 发6 收q p s k 不同检测算法性能比较2 9 图3 74 发6 收t 6 q a m 不同检测算法性能比较2 9 图3 - 8 4 发4 收1 6 q , 蝴编码下不同算法性能比较( s c m - 6 信道) o 3 0 图3 - 9 4 发6 收1 6 q a m 编码下不同算法性能比较( s c m - 6 信道) 3 l 图3 1 04 发6 收1 6 q a m 编码下不同算法性能比较( s 3 信道) 3 l 图3 二堕不同接收天线数和不同编码速率对系统性能的影响3 2 图3 1 2 不同仿真信道下系统性能比较3 3 图3 1 3 g b p s 系统帧结构3 3 图3 1 4g b p s 系统3 径样条插值l s 信道估计下不同检测算法的性能3 5 图3 1 5g b p s 系统6 径样条插值l s 信道估计下不同检测算法的性能3 5 图3 1 6g b p s 系统样条插值l s 信道估计下不同仿真信道对系统性能影响3 6 图3 1 7g b p s 系统不同信道估计算法下检测算法的性能3 7 图知lz f - s q r 分解的运算流程图4 4 图4 2 检测解上三角阵的运算流程图4 5 图4 - 3z f - s q r 分解的定标硬件结构总图( 前半部分 4 7 图4 4z f - s q r 分解的定标硬件结构总图( 后半部分) 4 8 图4 5 l 句量q ，的存储结构4 9 图4 6 n o r m d = l l q ，8 的硬件结构设计4 9 图4 7 7 l o r r t l ，排序选最小的硬件结构设计5 0 1 图4 - 8 查表一的硬件结构设计5 0 n o r m i v n 东南大学硕士学位论文 图4 - 9 ，i i = q ：j q i 的硬件结构设计5 1 图4 - 1 0q = 生一的硬件结构设计5 l n o r m l 图4 - i i = 坐一的硬件结构设计。5 2 n o r m l i 1 2 图4 - 1 2n o g m t = ，n o f m k 一旦l 的硬件结构设计_ 5 3 n o r m l 图4 1 3 q i = q i 一 t q l 的硬件结构设计5 4 图4 1 5 检测解上三角方程的存储单元结构。5 6 图4 - 1 6i = q 圩x 的硬件结构设计5 7 图4 1 7 五o f 五= 五一的硬件结构设计。5 8 图4 1 8 构造软量的硬件结构设计5 8 图4 - 1 9 硬判的硬件结构设计5 9 图4 - 2 0o b p s 系统1 8 径样条插值l s 信道估计下不同检测算法的性能6 0 图4 - 2 1g b p s 系统6 径样条插值l s 信道估计下不同检测算法的性能6 0 图4 2 2g b p s 系统3 径样条插值l s 信道估计下不同检测算法的性能6 1 图4 - 2 3g b p s 系统样条插值l s 信道估计不同仿真信道z f s q r 检测算法的性能( 定点) 6 2 图4 - 2 4o b p s 系统样条插值l s 信道估计不同仿真信道z f s q r 检测算法的性能( 浮点) 6 2 i i 表格目录 表格目录 表3 1 仿真参数2 5 表3 - 2s u i 3 信道模型3 径抽头延迟线参数2 5 表3 3s c m - d 信道模型6 径抽头延迟线参数2 5 表3 - 4s c m - d 信道模型1 8 径抽头延迟线参数2 6 表3 - 5 物理链路仿真d o p p l e r 频移参数2 6 i x 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。 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学i 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。 第l 章绪论 1 1 论文背景 第1 章绪论 当前。移动通信在全球范围内发展迅猛，移动用户数的增长超出了预期，移动业务正从话音业 务为主向口接入和多媒体业务为主的方向发展，手持移动终端将逐步成为人机接口的主要设备。世 界各国在第三代移动通信( 3 g ) 系统投入商用的同时，也均在开展下一代移动通信系统( b 3 g 4 g ) 技术的研究，在概念和技术上寻求创新和突破。b 3 g 4 g 系统需要在有限的无线频率资源范围内，提 供比现有的第二代和第三代移动通信系统更高的传输速率，更大的覆盖范围，更稳定的性能，而且 还要能够满足各种业务的传输要求【l l 。为了实现上述目标，国际上普遍认为b 3 g 4 g 系统应当在 1 0 0 m h z 无线频段范围内达到1 g b p s 的峰值速率，也就是频谱效率高达1 0 b p s t i z 。同时，为了满足 绿色环保要求，b 3 g 4 g 系统的发射功率还要远低于2 g 和3 g 系统。 日本n n d o c o m o 公司在2 0 0 5 年5 月进行实验，实现了最大速度l g b p s 的无线通信系统，并 于2 0 0 6 年在原来的系统中采用了多值化技术，将解调方式由1 6 q a m 改为了6 4 q a m ，将多路输入 输出( m m 幻) 天线由4 x 4 增加到了6 6 ，从而实现了最大2 5 g b p s 的分组信号传输，所占带宽为 1 0 0 m h z 。频率利用效率高达2 5 b p s h z ，终端以大约2 0 k m h 的速度移动时也可接收信号2 0 0 6 年 1 2 月，n t i d o c o m o 在l o 千米时速下实现了5 g b p s 的传输速率，m i m o 收发天线数量为1 2 个。 2 0 0 6 年8 月，韩国三星电子利用高传输率的m i m o 技术，通过8 个收发天线同时收发信号，在 静止时实现了3 5 g b p s 、6 0 千米时速下1 0 0 m b p s 传输速率的实验结果。2 0 0 7 年1 0 月韩国电子通信 研究院( e t r r ) 展示了4 g 无线系统，在低速移动状态下实现了3 6 g b p s 的传输速率。e t r i 实现了对 8 0 个高清电视频道同时进行实时传输，还利用f r p 文件传输展示了高速传送移动数据 国际电信联盟( 1 t u ) 对于4 g 技术的定义是静止状态下速率1 g b p s ，高速移动状态1 0 0 m b p s 。 目前。4 ( 3 标准”尚未成型，但各国已经在争相研究开发4 g 通信系统。提前抢占4 ( 3 的话语权对国 家民族有着十分重要的意义。 东南大学移动通信国家重点实验室在国家自然科学基金重大项目和前期8 6 3 重大项目的基础 上，设计能够在小于1 0 0m h z 的无线传输带宽内，5 0 米的传播距离内，实现的无线传输速率超过 lg b p s 的通信系统。为我国在下一代无线通信系统的核心技术掌握、标准制定、乃至今后实际系统 的建设等方面提供技术储备，推动我国从无线通信大国到强国的跨越。本文作为8 6 3 项目。o b p s 无 线传输关键技术与试验系统研究开发 的一部分，研究了多天线检测部分的技术理论和算法实现。 1 2g b p s 系统关键技术 1 2 1m i m o 技术 当今人类社会已进入信息时代，无线通信越来越受到人们的重视。随着i n t e m e t 和多媒体等高速 数据业务在无线通信系统中的广泛应用，b 3 g 4 g 系统要求提高链路吞吐量和网络容量，拥有更大 的覆盖范围。更稳定的性能，而且还要能够满足各种业务的传输要求。国际上普遍认为b 3 g 4 g 系 统应当在1 0 0 m h z 无线频段范围内达到1 g b p s 的峰值速率，也就是频谱效率高达1 0 b p s n z ，同时为 了满足绿色环保要求，b 3 g 4 g 系统的发射功率还要远低于2 g 和3 g 系统。 然而，由经典的香农信息论可知上述对b 3 g 4 g 系统容量的要求，在单天线的情况下远远超 l 东南大学硕士学位论文 过了传统的香农信道容量极限。换句话说。采用传统的单天线通信手段根本无法获得如此高的信道 容量的。因此，要想超越经典香农理论设定的信道容量极限，必须要有全新的理论支持。 贝尔实验室的t e l a t a r 和f o s c h i n i 等人的研究成果显示：在无线富反射衰落环境下采用多个发射 天线和接收天线可以成倍地提高无线通信系统的信道容量，这种采用多个收发天线的系统通常被称 为多入多出( m 蹦o ) 系统【，j ，其信道容量近似于收发天线数目的最小值成正比，这意味着：通过增 加收发信机两端的天线数目就可以大幅度提高无线系统的频谱效率。 1 2 1 2m i m o 系统模型 图i - i 为一个基本的m i m o 系统框图【4 】。收发信机两端均安装有多根天线，其中发射天线数目 为坼，接收天线数目为；在数据传输过程中，发射机对来自信源的数据进行处理后产生坼路 数据流，每一路数据流从不同的发射天线同时、同频发射，经过空间信道衰落后，来自不同的发射 天线的信号以及噪声在每一根接收天线上进行叠加，最后送入接收机进行处理。一般将收发信机两 端所做的处理统称为空时处理。其中发射机空时处理通常有：b l a s t 、空时编码，天线选择、波 柬赋形等；接收机空时处理通常有：空时译码、空时信号检测、空时信道估计等等。 假设每对收发天线之间最大可分辨路径的数目为p ，则m i m o 信道的统计模型可以表示为： h ( f ) = a ，万( f 一，) ( z 1 ) 其中f ，表示第p 径的延时系数，a p c 。吩表示收发天线闽第p 个独立可辨路径的信道矩阵： f ，口1 1 ( p ) 口l ，吩( p ) 、 a p = l ； ； l ( 1 2 ) l ，p ) ，峰o ) j 口辨。( p ) 表示发送天线甩到接收天线朋间第p 径的信道系数当角度扩展较小而天线间距不够大时， 信道在空间上存在相关性。假设发送接收天线之间的相关阵分别为r ，r ，c r 。，发送和接收信 道之间的相关矩阵可以表示为r 阍叼= r ，0r ，本文中的仿真基于收发天线不相关的情况，即 r t = i f ，r ，= i | 当收发天线之间存在大量的反射体且时延远小于信号带宽时，离散时间平坦m i m o 信道可以建 模为： 雌：引 n 3 ， l 。t rj 其中吒。表示发射天线n 到接收天线r f i 的信道参数 系统容量是通信系统的重要指标之一，矗坼的m i m o 系统，对于坼发m 收m i m o 系统， 假定信道为独立的r a y l e i g h 衰落，则系统的容量可以表示为【5 j ： c = l 0 9 2 d e t t l s + 崇h h h 】c o p s h z ) ( 1 4 ) 其中p 是接收端平均信噪比。 当且，坼很大时- 则信道容量c 近似为： c = m i n i v ，n r l 0 9 2 乓) ( 1 5 ) 二 可以看出，m i m o 系统的信道容量随着天线数量的增大而线性增大。也就是说m i m o 技术可以 成倍地提高无线信道容量，在不增加带宽和天线发送功率的情况下，频谱利用率可以成倍地提高。 1 2 1 3m i m o 现状和前景 m i m o 信道容量的新发现是信息理论的一次重大飞跃它将经典的香农信息论扩展到更加广义 的m i m o 信息论。从根本上打破了人们以往对无线频谱效率认识上的栓桔，对无线通信的系统结构、 分析方法、调制技术、编译码算法、信号检测技术、信道估计技术等各个方面都产生了极其深远的 影响极大地激励了各种传统通信技术向m i m o 技术的跨越式发展。 将m i m o 技术与一些高效的宽带无线传输技术相结合，可以有效地对抗宽带无线信道的频率选 择性衰落，大幅度提高无线通信系统的数据吞吐量。目前。国际上公认的最有效的结合是将m i m o 与正交频分复用( o f d m ) 技术结合而成的m i m o o f d m 技术【6 】，它集中了m i m o 技术和o f d m 技术的诸多优点，具有更为强大的通信潜力，能够在宽带无线信道上获得极高的频谱效率，哒到惊 人的吞吐量。枷m o d f d m 己被看作是b 3 g 4 ( 3 系统的核心物理层技术。各国政府、各大通信公司、 科研机构等都己针对基于m i m o - o f d m 技术的b 3 g 4 g 系统制定了周密的研究发展计划，并开展了 非常密集的研究工作此外，其它各种无线通信标准的物理层技术也正在向m i m o - o f d m 技术逐步 过渡，如：3 g p p l t e , i e e e 8 0 2 1i n , i e e e s 0 2 1 6 ，i e e e 8 0 2 2 0 等。 1 2 2o f d m 技术 1 2 2 1o f d m 概述 正交频分复用( o f d m ) 技术是一种多载波数字通信调制技术i l l 射它由多载波调制( m c m ) 技术发展而来。美国军方在上世纪6 0 年代就建造了世界上第一个m c m 系统随后衍生出采用多 个子载波的o f d m 系统。2 0 世纪9 0 年代，o f d m 开始被欧洲和澳大利亚选用于广播信道的宽带 数据通信、数字音频广播( d a b ) 、高清晰度数字电视d m 和无线局域网( w l a n ) 等。此外， 还由于其具有更高的频谱利用率和良好的抗多径干扰能力，也被看作是第四代移动通信的核心技术 之一 1 - 2 2 2o f d m 的实现原理 在传统的多载波通信系统中，整个系统频带被划分为若干个互相分离的子信道( 子载波) 。子信 道之间有一定的保护问隔接收端通过滤波器把各个子信道分离之后分别接收所需信息这样虽然 可以避免不同信道互相干扰，但却以牺牲频率利用率为代价。而且当子信道数量很大的时候。滤波 器的设置就成了几乎不可能的事情。 o f d m 选择相互之间正交的载波频率作为子载波，既能充分利用信道带宽。也可以避免使用高 3 东南大学硕士学位论文 速均衡，并且有抗突发噪声差错的能力。o f d m 不采用带通滤波器来分隔子载波，而是通过快速傅 里叶变换( n 丌) 来把混叠在一起的波形分离出来。o f d m 增强了抗频率选择性衰落和抗窄带干扰 的能力。在单载波系统中，单个衰落或者干扰可能导致整个无线链路不能使用，但在多载波的o f d m 系统中，只会有- d , 部分子载波受影响。此外，纠错码还可以帮助恢复这些受损载波上的信息。o f d m 的频谱模式如下图所示，图1 2 是单个o f d m 子信道的频谱。图1 3 是o f d m 系统的频谱。通过合 理地挑选子载波位置，可以保证各载波之间的正交。 图1 - 2 单个o f d m 载波频谱 图1 3 多个o f d m 载波频谱 1 2 2 2 1o f d m 信号发送器 图1 4o f i ) m 时域频域图 o f d m 信号发送器的原理说明见图l _ 5 。 号 图1 5o f d m 发送端 用户信号以串行的方式输入发送器，经过串，并变换器，信号以并行的方式输出到m 条线路上， 4 第1 章绪论 表示为x t k 其中下标i 表示码字所属的子信道，其范围是从l 到m ：下标k 表示第k 个m 码字 组。从x l 。k 到xm k 组成了一个o f d m 码。随后被送入快速傅里叶逆变换模块( i f f r ) ，进行n 点 的快速傅里叶逆变换。快速傅里叶逆交换可以把频域离散的数据转化为时域离散的数据。由此用 户的原始输入数据就被o f d m 按照频域数据进行了处理，输出n 个时域样值。之后，长度为l p 的 循环前缀( c y c l i cp r e f i x ) 被加到了n 个样值之前。形成长度为s + l p 的o f d m 信息码字，完成了 o f d m 调制。一般来说，该循环前缀就是那n 个时域数据的最后l p 个样值。最后数据经过并串转 换进入信道。 添加循环前缀技术利用的是离散线性系统原理中的一个概念。在连续时间域，两个时域信号的 卷积就等于这两个信号频域形式的乘积。但是，这在离散时域的情况下一般是不成立的。除非卷积 是圆周卷积，所利用循环前缀使o f d m 信息码在我们感兴趣的时间区间内呈现出圆周卷积。循环前 缀的另外一个好处是可以消除码闻干扰( i s i ) 。当l p 大于信道长度时，码问干扰仅仅会干扰当前信 息码的循环前缀，从而使o f d m 信息码避免了码问干扰 1 2 2 2 2o f d m 信号接收器 图1 6 中所示的是o f d m 接收器构成。 图1 - 6o f d m 接收端 该接收器完成与发送器相反的操作。接收到的信号经过串并转换器并且把循环前缀去掉。再 经过n 点的快速傅里叶变换 f f t ) ，把信号从时域转变回频域最后经过并串转换模块就完成了 对原始o p d m 信号的接收 1 2 2 3o f d m 技术的优缺点分析 o f d m 技术主要有如下优点。 ( 1 ) 抗衰落能力强。o f d m 把用户信息通过多个子载波传输，在每个子载波上的信号时间就要 相应地比同速率的单载波系统上的信号时间要长很多，使o f d m 对脉冲噪声 i m p u l s en o i s e ) 和信 道快衰落的抵抗力更强。 ( 2 ) 频率利用率高。o f d m 采用了正交子载波来承载信息和区分子信道，面不是传统的利用保 护频带分离子信道的方式提高了频率利用效率。 ( 3 ) 适合恶劣环境下的高速数据传输。首先。o f d m 自适应调制机制，可以按照信道情况使用 不同的调制方式再有，使系统可以把更多的数据集中放在条件好的信道上以高速率进行传送。 ( 4 ) 抗码间干扰( i s i ) 能力强，o f d m 由于采用了相互正交的子载波分别传输部分信息和加 入循环前缀的方式，大大增加了抗码间干扰的能力。 o f d m 技术的不足之处包括： ( 1 ) 对频偏和相位噪声比较敏感。 ( 2 ) 功率峰值与均值比( p a p r ) 大，导致射频放大器的功率效率较低。 ( 3 ) 负载算法和自适应调制技术会增加系统复杂度 5 东南大学硕士学位论文 1 2 2 4o f d m 技术的应用现状和发展前景 o f d m 技术良好的性能使得它在很多领域得到了广泛的应用。包括目前已经广泛应用的a d s l 宽带接入系统，欧洲的数字音频广播( d a b ) 、高清晰度数字电视0 - r d l 、厂) 和无线局域网( w l a n ) 等。此外，它还被看作是第四代移动通信的核心技术之一。 1 2 3g b p s 通信系统 本方案基于多输入多输出正交频分复用( m i m o - o f d m ) 技术，实现无线传输速率超过lg b p s 的无线通信实验系统。系统采用时分双工( t d d ) 模式，工作在3 5g h z 频段，占用带宽1 0 0m h z 。 系统采用4 发6 收的m i m o 方案。图1 7 为系统发射端框图。用户数据经过信道编码和符号映 射后，进行快速傅立叶变换( f f l r ) ，变换到频域，并进行交织。这里的f f t 、交织，再加上后面的 反向快速傅立叶变换( i i 礓叮) ，能够将每一时间点上的信号，扩展到同一f f r i f f r 数据块内的各个 时间点上，也能将每一时间点上的信号，扩展到频域的各处，也即进行了信号的时域和频域扩展， 为获得更大的分集增益提供了基础。多个用户的信号复用到4 条天线通路上进行传输。复用的方式 依据信道条件、业务要求等改变。在每一条天线通路上，采用了典型的o f d m 调制技术 辛颧序列p r e q k m b l izf f t 4 _ 牛如c p 律一 睑幽幽 墨 i ：i f f t l - 计加c p 盛 _ 一 7 写 、蛭 尹，髫 函浏函汹 培琬霹翳 譬冒 冲 j 冬用羹 幽幽鎏 t 卜 乃口c p j 卜一 薯嚣 区 i ， ，。j 露 t ， ；，茗 j 。j； 蔫 、 黎，兹 j 囊、l 捅一lt f 冒t 1 ih n r 口瑚 褫赡澎编鳓晒弱纩 仁时黼号叫 o f d h i 罔制 iii _ 哼额域信号叫：-时域信号_ 图l - 7g b p s 系统发射端 图1 8 为系统接收端框图。从6 条天线通路上收到的信号先进行帧检测和粗同步，找到每一个 数据帧的大致起始位置，然后进行频偏检测和校正，去除收发端频偏带来的影响，并提供射频电路 进行自动频率控制( 忧) 需要的频偏信号，再进行精同步。找到o f d m 解调中进行f 兀变换的起 始样值位置。f f t 变换后。在频域进行信道估计和信号检测。检测出的信号需要对其相位进行校正。 校正后的信号的数据部分进入解复用模块，导频部分用来对频偏进行跟踪，更新相位校正的信息。 数据解复用后分配到各个用户每个用户进行解交织、i f f t 、符号逆映射和信道解码后，得到发射 信息的估计。 6 第l 章绪论 i h t 斌信号 - i- 卜一颇氓信号1 - 图l 一8g b p s 系统接收端 1 3 论文的主要研究内容和安排 l 卜l 耐黜号_ 本文是作者在攻读硕士学位期间，参与移动通信国家重点实验室8 6 3 项目矗g ：b p s 无线传输关键 技术与试验系统研究开发静，负责多天线信号检测模块的研究与实现，主要研究g b p s 通信系统中的 检测算法，在阅读文献和报告的基础上对各种已有的检测算法进行仿真、分析、比较和改进。，寻求 一种性能优良且适合硬件实现的检测方案最终完成硬件实现。 第一章介绍了论文的研究背景、c b p s 通信系统使用的关键技术以及论文的工作安排 第二章主要研究了移动通信中多天线检测的概念、理论和算法。介绍了多种检测算法，、包括线 性检测和非线性检测，对文献中各种算法步骤作了详细的总结，研究并提出了改进的检测方法 第三章搭建时域链路浮点仿真平台，对各种检测算法进行浮点仿真在此基础上分析仿真结果， 比较各种检测算法的性能，寻求性能优良且适合硬件实现的检测方案，并且在g b p s 通信系统中对各 种算法进行浮点仿真。 第四章对算法进行面向硬件的改进，设计出合理的硬件结构框图，依据硬件结构进行g b p s 通信 系统的定点仿真，确定数据位宽定标格式并从定点仿真的结果中分析性能。 第五章对论文的工作做出总结，并提出进一步改进的建议。 7 第2 章多天线系统中的检测算法 第2 章多天线系统中的检测算法 2 1 多天线检测概述 自然界和人类社会中信息的传输与交换，都是通过信号这一物理实体来完成的。信号是信息的 载体和传送者。在信号的产生和传输过程中，必然受到各种干扰因素的影响；因而必须加以处理， 才能提供给信息接收者使用。由于被传输信号本身和各种干扰往往具有随机性，信号处理设备必须 具有进行统计分析，而这个统计分析的基本任务就是检测信号是否存在和估计携带信息的信号参 量由此可知，信号检测与估计理论就是信号处理的统计理论，所要解决的问题是信息传输系统的 基本问题，因而具有广泛的应用。 m i m o - o f d m 系统有r 个发送天线。个接收天线，可以提供空间分集复用。输入为多个分 支的比特流，每个分支都经过信道编码、调制、交织、插入导频信号、i f f t 变换、加循环前缀等过 程，完成o f d m 调制。再分别经天线发送到无线信道中；在接收端进行与发射端相反的信号处理过 程，如去除循环前缀、f f t 交换、解码等等，其主要传输框图如图2 1 所示。本文中我们主要讨论 的是多天线信号检测方案对系统性能的影响，而信号的检测又是在频域完成的，所以可以将时域的 传输框图( 图2 1 ) 化简为频域的传输框图，如图2 - 2 所示。后面的内容都是根据图2 - 2 来描述的。 其中的刀和w 都是高斯白噪声，且万是w 经过f f i 变换之后的频域表示。 图2 - im i m o - o f d m 系统时域传输框图 图2 - 2m i m o - o f d m 简化频域传输框图 令s = h 。j r r ，为坼l 的发射信号向量，相对应的1 接收信号向量x = 【五一】r ，定 y , 为x - - h s + n ，其中h ：on , 坼的频域信道响应矩阵，i l = ，l i 。川i r 表示坼个接收天线接收 到的高斯白噪声 9 东南大学硕士学位论文 2 2 多天线检测算法 2 2 1 非线性检测 2 2 1 1 最大后验概率检测( m a p ) 当所有的假设都先验等概率时最大似然检测就变成了最大后验概率检测。丽从信息论的角度 来讲，最大后验概率检测是最佳的判决系统1 9 。m a p 算法的全称是m a x i m u map o s t e r i o r ip r o b a b i l i t i e s ， 即最大后验概率译码。最大后验概率准则是以p ( six ) 最大为准则的译码方案，其检测的估计值为 s 脚= a r g m a x p ( six ) = a r g m a x p ( s ) p ( xls ) 】 ( 2 1 ) 最大后验概率检测虽然是最优的检测方法，但是运算量非常大，且需要知道信源s 的先验概率 信息，因此实际中并没有得到广泛应用。 2 2 1 2 最大似然准则检测( m l ) 在通信系统中一般我们都很难知道发射信号的概率分布，所以常常假设所要传输的数据都先 验等概且不相关。这样，通常可以把最大似然检测看作通信系统的最佳接收策略 最大似然( m l - m a x i m u m - l i k e l i h o o d ) 准则同后面即将提到的几种线性检测方法比较最大的优 点就是不需要计算矩阵的逆，它是让接收信号和所有可能的发送信号进行比较，产生最大似然的估 计值$ u z ，这里的s m 可以由下面的式于得到 s 尬；a r g m a x p ( xl8 ) = a r g m i n l l x - a s l l ( 2 2 ) 最大似然算法的搜索次数是m n t ；其中m 代表星座图中的点数( 例如若采用q p s k 调制，m = 4 ； 若采用1 6 q a m 调制，m = 1 6 ；若采用6 4 q a m 调制，m = 6 4 ) 。搜索次数随着发天线的数目成指数增 长。不适合发送天线数目比较多的系统和高阶调制方式。 在m i m o 信道中，最大似然比检测( m l d ) 的优点在于，能够增大信道容量和频谱效率，r a l e i g h 衰落情况下，m l d 算法的分集阶数等于接收天线的数目；而z f 算法的分集阶数是接收天线的数目 减去发无线的数目加一，例如：在瑞利环境中，采用2 发4 收天线，m l d 的分集阶数是4 ，而z f 的分集阶数是4 2 + 1 = 3 。m l d 这方面的优势很是明显的：另外最大似然检测不要求收无线的数目大 于发无线的数目，这是其他很多算法所没有的。 m l d 唯一的缺点是算法的复杂度随着发天线的数目呈指数增长，严重的制约了它的应用范围。 当发送无线的数目比较小，且调制阶数比较低时，采用m l d 是能够实现的。或者部分数据采用m l 检测算法，其他数据采用运算量小的检测算法【i o l ，也是可行的。m l d 常常作为评价其他算法性能的 最优比较算法。 人们提出了一系列次优的检测算法，例如下面的线性检测算法。 2 2 2 线性检测 前一节最大似然检测，可以看出当调制维数比较高，或是发射天线比较多时，算法的复杂度依 然很高，因为它的复杂度计算中依然包含指数项。所以尽管性能很好，我们也不得不寻找另外的检 测算法来取得一个比较好的性能和复杂度的折中。这一节就要讨论这样的一些算法。 线性的m i m o 检测通过对接收信号向量x 进行基于某种准则的线性滤波，分离不同发射天线发 l o 第2 章多天线系统中的检测算法 送的符号，也就是说。将接收到的信号乘以一个滤波器矩阵，再经过判决就可得到每个发射天线传 输的信号。 最真接的检测方法是将式( 2 1 ) 的两边都乘以h 一，即 h 一1 x 蛊h 一1 h s + h 一1 1 1 = s + h 一1 n ( 2 3 ) s ；h 。1 x h 。1 n ( 2 4 ) 令 季= h q x ( 2 5 ) 吾就是s 的估计值。 此方法有很多缺点： 1 放大了噪声h 1 n ； 2 h - 1 只有当发射天线数等于接收天线数( r = 虬) 的时候，即h 为方阵时才存在，而一 般的通信系统不能保证这个条件； 3 求逆运算有很大的运算复杂度，不适合在高速无线通信系统中采用。 下面介绍了几种实际中采用的线性检测方法，但几乎所有的检测算法都是以2 f 检测m m s e 检 测为基础发展而来的，z f 准则和m m s e 准则是所有检测算法所依赖的基础，下面首先介绍这两种 经典的检测算法。 2 。2 2 1 迫零检测( z j f ) 迫零( z f ) 准则下的滤波器矩阵可以完全消除各天线传输符号间的干扰， 义