（通信与信息系统专业论文）mimoofdm系统中基于Ⅴblast的信号检测技术的研究.pdf

南京邮电大学硕士研究生学位论文摘要 摘要 多输入多输出( m i m 0 ) 技术是无线移动通信领域智能天线技术的重大突破，该技术 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。m i m o 通信系统结合 正交频分复用( o f d m ) 技术不仅能进一步提高频谱效率还具有良好的抗多径干扰能力， 是第四代移动通信系统的关键之一。 广义的多天线技术( m i m o ) 主要包含空间复用技术和发射分集技术。而其中的发射 分集技术，指的是在不同的天线上发射包含同样信息的信号，从而达到空间分集的效果。 空间复用与发射分集不同，它在不同的天线上发射的是不同的信息，空间复用技术真正体 现了m i m o 系统容量提高的本质。分层空时码是空间复用的典型应用，本论文详细研究了 垂直分层空时码( v - b l a s t ) 在m i m o o f d m 系统中的应用及其信号检测算法。 论文首先对无线移动信道进行了研究和仿真，分析了v - b l a s t 系统模型，重点研究 了v - b l a s tm i m o o f d m 系统，比较了v - b l a s t 的几种典型算法，并将它们应用在 v - b l a s tm i m o o f d m 系统中，对其误码率性能进行了仿真和比较。 为了降低系统复杂度和提高系统性能，论文分别提出了两种改进算法：m l o s i c 1 和 m l o s i c 2 。m l o s i c 1 算法在m l d f e 的基础上，交换了o s i c 和m l 的执行次序，用 一次简单矩阵乘法减法运算取代了利用q r 分解，寻找酉阵进行矩阵拆分的运算，降低了 的复杂度，并得到了和m l d f e 相近的性能。m l o s i c 2 算法在各层结合使用o s i c ，层 间进行m l 算法，减少了m l 算法的搜索次数，避免层间干扰和误码扩散，性能与m l 算 法近似。 论文研究了空时分组码s t b c ，以a l a m o u t i 码为基础，将s t b c 与v - b l a s t m i m o o f d m 相结合。对于传输速率和空间分集进行折中，给出了关于m 发收的信号 检测模型，实现了空间分集技术和空间复用技术的结合统一。 关键字：正交频分复用，多输入多输出，垂直分层空时码，空时编码，误码率 南京邮电大学硕士研究生学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t m i m oi sk n o w na sab i gb r e a k t h r o u g hi ns m a r ta n t e n n at e c h n i q u e so fw i r e l e s sm o b i l e c o m m u n i c a t i o na r e a s i tc a ne n h a n c es p e c t r a l e f f i c i e n c ys e v e r a lt i m e sw i t h o u ti n c r e a s i n g b a n d w i d t h t h ec o m b i n a t i o no fm i m oa n do f d mi so ft h ek e yt e c h n i q u e so f4 gf o ri t sh i g h e r s p e c t r a le f f i c i e n c ya n dt h ea b i l i t yt oc o m b a tm u l t i - p a t hf a d i n g m i m oi sc o m p r i s e do ft r a n s m i td i v e r s i t ya n ds p a t i a lm u l t i p l e x i n g t h et r a n s m i td i v e r s i t y c o n t a i n st h es a m ei n f o r m a t i o no fs y m b o l so nd i f f e r e n ta n t e n n a sa n da c h i e v e ss p a t i a ld i v e r s i t y s p a t i a lm u l t i p l e x i n gi sd i f f e r e n tf r o mt r a n s m i td i v e r s i t y , i tc o n t a i n st h ed i f f e r e n ti n f o r m a t i o no n t h ed i f f e r e n ta n t e n n a s ，a n di ti m p r o v e st h ec a p a c i t yo fm i m oi nn a t u r e l a y e r e ds p a c e - t i m ei sa t y p i c a la p p l i c a t i o no fs p a t i a lm u l t i p l e x i n g ，t h i st h e s i sm a i n l yr e s e a r c h e st h ea p p l i c a t i o no f v - b l a s tc o m b i n e dw i t hm i m o - o f d m s y s t e mi nd e t a i l i nt h i st h e s i s ，t h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nc h a n n e li si n t r o d u c e da n ds i m u l a t e d ；t h e c o m p o n e n ta n dm o d e lo fv - b l a s ts y s t e mi sa n a l y z e d b a s e do ni t ，t h et h e s i sm a i n l yd o e st h e r e s e a r c ho nt h ev - b l a s tm i m o o f d ms y s t e m ，c o m p a r e st h ep e r f o r m a n c e so fs e v e r a lt y p i c a l s i g n a ld e t e c t i o na l g o r i t h m so fv - b l a s t , t h e na p p l i e st h e mi n t ot h ev - b l a s tm i m o o f d m s y s t e m ，d o e st h ec o m p a r i s o no ft h eb e rp e r f o r m a n c e so ft h e i rs i m u l a t i o nr e s u l t s w i t l lt h ep u r p o s e so f r e d u c i n gs y s t e mc o m p l e x i t ya n di m p r o v i n gs y s t e mp e r f o r m a n c e t w o d i f f e r e n ti m p r o v e da l g o r i t h m sm l - o s i c 一1a n dm l - o s i c - 2a r e p r o p o s e d i nt h i st h e s i s m l o s i c - 1 ，a st h es i m p l i f i e da l g o r i t h mo ft h em l - d f e ，b ye x c h a n g i n gt h ee x e c u t i v eo r d e ro f o s i ca n dm l ，a n du s i n gs i m p l em a t r i xo p e r a t i o n st o r e p l a c et h e m e t h o do ft h r o u g hq r d e c o m p o s i t i o nt of i n dau n i t a r ym a t r i xf o rm a t r i xr e s o l u t i o n ，d e c r e a s e sc o m p l e x i t yo ft h em a t r i x o p e r a t i o n s ，a n dg e t st h es i m i l a rp e r f o r m a n c eo fm l d f e m l - o s i c - 2a l g o r i t h m ，b yu s i n go s i c i ne v e r yl a y e r s , u s i n gm la l g o r i t h mb e t w e e nl a y e r s ，r e d u c e st h e s e a r c h i n gt i m e so fm l a l g o r i t h m ，a v o i d st h ei n t e r f e r e n c eb e t w e e nl a y e r sa n de r r o rd i f f u s i o n ，t h ea l g o r i t h mp e r f o r m a n c e a p p r o x i m a t e st ot h em la l g o r i t h m f u r t h e r , s t b ci ss t u d i e di nt h i st h e s i s b a s e do ni t ，a l a m o u t ic o d i n gi si n t e g r a t e di n t ot h e v - b l a s tm i m o o f d ms y s t e m b a l a n c e dt h ep e r f o r m a n c eo ft r a n s m i s s i o nr a t ea n ds p a t i a l d i v e r s i t y , ac o m m o ns i g n a ld e t e c t i o nm o d e lf o r 脚x n r xm i m o - o f d ms y s t e mi sg i v e n ，t h i s m a k e st h ec o m b i n a t i o no f t h et e c h n o l o g yo ft r a n s m i td i v e r s i t yw i t hs p a t i a lm u l t i p l e x i n gf o rr e a l 堕京塑皇奎兰堡主里茎竺兰垡笙奎 垒! 竺竺l k e yw o r d s ：o f d mm i m ov - b l a s t s t b cb e r i i i 南京邮电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 含为获得南京邮电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。 研究生签名：日期： 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、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 南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名：导师签名：e t 期： 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 本论文对下一代移动通信系统中将要用到的多输入多输出- 正交频分复用 m i m o o f d m ( m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t - o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l y ) 系统的原理及其关键技术之一信号检测技术进行了研究。 本章简要回顾了移动通信技术的发展历程，展望了m i m o o f d m 技术的发展趋势， 介绍了v - b l a s t 信号检测技术，并对现有的信号检测技术进行了改进，以求获得高性能 的同时降低系统实现的复杂度。 1 2 移动通信的发展 现代移动通信技术的发展始于2 0 世纪2 0 年代，并从7 0 年代中期开始蓬勃发展至今， 期间经历了几代变迁，技术愈趋于成熟。 第一代移动通信( 1 g ) 出现于2 0 世纪8 0 年代早期，以模拟制式支持简单的话音业务， 典型系统有美国的a m p s 和英国的t a c s 等，由于其有着频谱利用率低，抗干扰能力差， 系统保密性差等缺点，在大规模集成电路开发成功和数字信号处理技术日趋成熟的8 0 年 代中期，以欧洲的全球移动系统( g s m ) 和美国的i s 9 5 ( u sc d m a ) 及日本个人数字蜂窝 ( p d c ) 等系统为代表的第二代数字移动通信( 2 g ) 系统应运而生。2 g 是为支持话音和 低速率的数据业务而设计的，但随着人们对通信业务范围和业务速率要去的不断提高，已 有的第二代移动通信网将很难满足新的业务的需求，比如没有统一的全球标准、传输速率 低等。在此情况下，具有9 6 1 5 0 k b p s 传输能力的通用分组无线电业务( g p r s ) 系统和 3 8 4 k b p s 传输能力的增强数据速率技术( e d g e ) 开始出现，并成为向第三代移动通信系统 过渡的中间技术。随着因特网的普及，与因特网技术相结合的各种宽带多媒体通信业务是 无线通信技术发展的必然趋势，也是3 g 的建设目标。在提交给国际电信联盟( i t u ) 的关 于第三代数字移动通信系统的各种方案中，欧洲提出的基于g s m 的w c d m a ，北美提出 的基于i s 9 5 的c d m a 2 0 0 0 和中国提出的t d s c d m a 成为主流体制，采用码分多址的空 中接口标准已基本达成共识。3 g 以全世界范围的个人通信和多媒体通信为目标，是一个支 持多速率、多业务、宽频带的系统，能够满足移动性、高比特率及可变业务等需求。 未来的移动通信系统要求以更高的通信速率、更高的系统容量、更低的误码率，与固 l 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一苹绪论 定公共网与专用网的“无缝”连接等更优的移动通信系统性能来传输各种新的多媒体业务， 这就同时迫使移动通信领域来大力研究能够更适合下一代通信系统应用的新技术。因此， 世界各国在推动3 g 产业化的同时，目前已经把研究重点转入下一代移动通信系统的研究， 目的是在概念和技术上寻求创新和突破，使无线移动通信系统的容量和速率有数十倍甚至 数百倍的提高【1 1 5 。下一代移动通信系统称为超3 代( b 3 g ) 移动通信或第四代通信( 4 g ) ， 其关键技术由2 g 和3 g 的关键技术演进而来，主要包括：智能天线技术、软件无线电技术、 m i m o 技术、o f d m 技术、混合a r q 技术、多用户检测技术和i p 技术l j 3 j 。 1 3m i m o - o f d m 通信系统 目前对b 3 g 系统的相关的研究非常活跃，其中以o f d m 为代表的多载波技术、多天线 技术以及二者结合形成的m i m o o f d m 技术是研究的热点。 1 3 1o f d m 技术的发展与应用 正交频分复用( o f d m ：o r t h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 技术是一种特殊 的多载波调制( m c m ：m u l t i c a r r i e rm o d u l a t i o n ) 技术。m c m 若应用于有线环境( 如a d s l ) 则称为离散多音频( d m t ：d i s c r e t em u l t i t o n e ) ，本论文中o f d m 主要应用于无线环境。 o f d m 技术最早提出是在2 0 世纪6 0 年代中期，之后很长一段时间内都没有实质性进 展。在o f d m 技术的发展过程中有两个重要的里程碑：一是w e i n s t e i n 和e b e r t 于1 9 7 1 年 提出通过离散傅立叶反变换( i d f t i n v e r s ed i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m ) 和离散傅立叶变换 ( d f t ：d i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m ) 来实现o f d m 的调制和解调，这样系统不再需用一组 振荡器来产生多个子载波，从而大大降低了o f d m 调制的计算复杂度1 9 。另一个里程碑则 是p e l e d 和r u i z 于1 9 8 1 年提出在每个o f d m 符号前面插入循环前缀( c p ：c y c l i cp r e f i x ) 【1 2 】，这样就可以防止符号间干扰( i s i ：i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e ) 和载波间干扰( i c i ： i n t e r - c a r r i e ri n t e r f e r e n c e ) 。与般在符号间插入空的保护时间来防止i s i 不同的是，c p 是 对o f d m 符号的循环扩展，这种方法能有效地将发送符号与信道之间的线性卷积转化为循 环卷积。当信道是慢时变的( 即信道的各条路径增益在单个0 f d m 符号间隔内保持不变) 且c p 长度大于信道最大时延时，就能保证子信道之间的正交性。c p 的插入确实消除了i s i 和i c i ，但也使系统能量有一定损失【1 0 j 1 1 。 2 0 世纪8 0 年代以来，大规模集成电路技术的发展解决了快速傅立叶变换( f f t ：f a s t f o u r i e rt r a n s f o r m ) 的实现问题，随着d s p 芯片技术的发展，格栅编码技术、软判决技术、 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一犟绪论 信道自适应技术等的应用，o f d m 技术开始从理论向实际应用转化。o f d m 每个子信道上 的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道上的可以看成平坦性衰落，从而可以消 除符号问干扰。而且由于每个子信道的带宽仅仅是原信道带宽的一小部分，信道均衡变得 相对容易。可见，o f d m 技术能够有效对抗多径干扰与频率选择性衰落，并具有频谱利用 率高，成本偏低等优点。随着高速无线局域网和第四代移动通信概念的提出，o f d m 技术 已成为继c d m a 后的技术热点，并可能成为4 g 主要的调制标准。 随着对o f d m 技术研究的逐渐深入，其应用也日益广泛。在无线通信应用中，欧洲电 信标准委员会( e t s i ) 制定的以o f d m 为核心传输技术的数字音频视频广播系统 ( d a b d v b ) 标准已经投入商业使用f 1 训5 】，大量实验证明它在瑞利频率选择性衰落信道 上性能良好。新的无线局域网标准( i e e e 8 0 2 1l a ) 、无线城域网标准( i e e e8 0 2 1 6 ) 及高 性能局域网标准( h i p e r l a a 2 ) 也将o f d m 作为其物理层的关键技术f 幡。 在有线通信 应用中，o f d m 技术被应用于v h d s l 和a d s l 系统中，称为离散多音频调制【l 引。 不过o f d m 提高频谱利用率的作用毕竟是有限的，在o f d m 的基础上合理开发空间资 源，也就是多天线o f d m ，可以提供更高的数据传输速率。另) b o d f m 由于码率低和加入 了时间保护间隔而具有极强的抗多径干扰能力。由于多径时延小于保护间隔，所以系统不 受码间干扰的困扰，依靠多天线来实现，即采用由大量低功率发射机组成的发射机阵列消 除阴影效应，来实现完全覆盖。 在实际中，许多无线信道是频率选择性衰落的，空时编码的设计将变得非常复杂，而 o f d m 技术可将频选衰落信道分成许多并行的平衰落信道，这将降低空时编码的复杂度。 将空时编码技术和多天线o f d m 技术两者很好地结合在起，发挥各自的性能特点，从而 提高系统的总体性能。并且，多天线o f d m 系统加空时编码技术能在不增大发射功率和不 扩展频带前提下实现高速数据传输，是空间资源利用技术的发展方向，这必将有效地满足 未来无线移动通信对高数据率传输的要求。 1 3 2m i m o 技术的发展与应用 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 ) 技术最早是由m a r c o 越于19 0 8 年提出的，是第 三代和未来移动通信系统实现高数据速率、高系统容量，提高传输质量的重要途径。在当 前第三代移动通信系统中，下行链路的容量构成了整个系统的瓶颈。由于诸多业务对上下 行链路容量要求的不对称性，尤其对下行容量有很高的要求，如视频多媒体、下载等业务。 在传输带宽定的条件下，这无疑给第三代移动通信系统提出了难题。但是如果在发送端 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 和接收端都使用多天线( 即m i m o 系统) ，此时的信道容量将随着天线数量的增大而线性增 大。也就是说可以利用m i m o 信道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 9 之o 】。 空间分集是在发射端和接收端安置多副天线进行发射和接收，而且天线之间相隔足够 远( 实际上在基站天线相隔1 0 倍载波波长；在移动台天线相隔1 2 倍载波波长即可) 。此时 各天线可以认为互不相关，从而在发射端和接收端之间构筑多条相互独立的通道，实现空 间分集。而在实现空间分集时，信号既没有在时间域内引入冗余，也没有在频率域内引入 冗余，因此空间分集没有降低频带利用率，这对高速传输特别有利。实际上在多天线传 输模式下，信号虽然在时间域和频率域都没有引入冗余，但是信号被赋予了一定的空间结 构，在空间域上引入了冗余，因此提高了传输性能。 传统的空间分集是在接收端采用多副天线进行接收分集，并采用合并技术来获得好的 信号质量的，例如r a k e 接收机。但是在下行通信链路中，由于移动台尺寸受限，在移动 台采用接收天线分集技术比较困难；而且在移动台端进行接收分集代价高昂，增加了用户 的设备成本，因而接收分集只适合于上行通信链路。从理论与实际应用中都发现，相同阶 数的发射分集与接收分集具有相同的分集增益。因此为了适应第四代移动通信的要求，在 下行通信链路中，只有增加基站的复杂度，在基站端采用发射分集技术才是比较合适的方 法。最近基于多发射天线的发射分集技术成为一种流行的分集方法，吸引了越来越多的注 意。 发射分集的概念实际上是由接收分集技术发展来的。为了减弱信号的衰落效应，发射 分集采用了在一副以上的天线上发射信号，并将发射信号设计成在不同的信道中保持独立 的衰落，在接收端再对各路径信号进行合并的方法。由于基站的复杂度较移动台端限制少， 且天线有足够空间，因此通常在基站采用多副天线进行发射分集以提高下行性能，在接收 端采用一副或两副天线进行接收。发射分集的成本代价相对于接收分集来说，是移动通信 业务运营商和用户所较能接受的；而且发射分集能够实现同一发射信号使多移动台获得发 射分集增益( 支持点对多点发射) ，而传统的接收分集增益只是针对一个移动台。 1 3 3m i m o 与o f d m 的结合 在高速宽带无线通信系统中，多径效应、频率选择性衰落和带宽效率是信号传输过程 中必须考虑的几个关键问题。多径效应会引起信号的衰落，因而被视为有害因素。m i m o 系统是针对多径无线信道而产生的，在一定程度上可以利用传播过程中产生的多径分量， 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 多径效应对其影响并不大，反而可以作为一个有利因素加以使用。但m i m o 对于频率选择 性衰落仍无法避免，而解决频率选择性衰落问题恰恰正是o f d m 的一个长处。 o f d m 技术实质上是一种多载波窄带调制，可以将宽带信道转化成若干个平坦的窄带 子信道，每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，所以每个子信道上的频率选择性 衰落可以看作是平坦性衰落。o f d m 被认为是第四代移动通信中的核心技术，然而4 g 需要 高的频谱利用技术和高速传输系统，为了进一步提高系统传输速率，使用o f d m 技术的无 线通信网就必须增加载波的数量，而这种方法会造成系统复杂度的增加，并增大系统的占 用带宽。而m i m o 多天线技术能在不增加带宽的情况下，在每一个窄带平坦子信道上获得 更大的信道容量，可以成倍地提高通信系统的容量和频谱效率，是一种利用空间资源换取 频谱资源的技术。 因此m i m o o f d m 系统的提出是无线通信领域的重大突破，其频谱利用率高、信号传 输稳定、高传输速率等基本特性能够满足下一代无线传输网发展要求。m i m o o f d m 系统 内组合了多输入和多输出天线和正交频分复用调制两大关键技术，这种系统通过空间复用 技术可以提供更高的数据传输速率，又可以通过空时分集和正交频分复用达到很强的可靠 性和频谱利用率。 1 4v b l a s t 系统 v - b l a s t ( v e r t i c a lb e l ll a b o r a t o r i e sl a y e r e ds p a c e t i m ec o d i n g ) 一垂直贝尔实验室 分层空时码是w o l n i a n s k y ，f o s c h i n i ，g o l d e n 和v a l e n z u e l a 在1 9 9 8 年提出一种分层空时码的系 统模型弘。v - b l a s t 属于空间复用技术( s m ：s p a t i a lm u l t i p l e x i n g ) 的范畴，就是一种典 型的空分复用系统，通过串并转换将单个数据流分解为多个子数据流，并从多个天线同时 发送出去；在接收端，同样用多个天线接收数据，然后用v b l a s t 算法检测出每个天线发 送的数据流，再经并串转换，恢复出原始数据流。v b l a s t 的编码很简单，即将数据流分 成n 路后并行送往各自对应的天线即可，因此它的主要复杂度是在解码( 或检测) 上，自 然地对b l a s t 的研究也主要集中在其检测算法上。该系统能够极大地提高系统频谱利用 率，在本地无线网和宽带无线接入有着广泛的应用前景。贝尔实验室于1 9 9 8 年采用 v - b l a s t 算法建立了一个m i m o 实验系统，收发两端相距1 2m ，发射端有8 个天线振子， 接收端有1 2 个天线振子，各振子间距为半波长，系统载频为1 9o h z ，带宽为3 0k h z ，传输 符号率为2 4 3ks y m s ，采用不编码的1 6 q a m 。在误帧率为0 0 1 时，v b l a s t 系统所需的信 噪比为2 5d b ，系统频谱效率为2 5 9b i t ( s - h z ) ，这些在普通系统中是极难实现的。这些工作 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 引起了各国学者的极大注意。并使得m m o 的研究得到了迅速发展。在这样的前提下，我 们可以运用v b l a s t 检测算法对于m i m o o f d m 系统进行信号检测的研究。 1 5 关于本课题的研究 1 5 1 课题研究的意义及作者的工作 m i m o 技术充分开发空间资源利用多个天线实现多发多收在不需要增加频谱资源和 天线发送功率的情况下可以成倍地提高信道容量，在v - b l a s t 算法下，理想情况下可以 达到2 0 - - 4 0 b i t s s h z ，这是目前任何一种技术所达不到的。o f d m 技术能够有效对抗i s i ( 符 号间干扰) ，同时具有频谱利用率高，抗多径衰落性能好，成本偏低等优点，因此这二者 的有效结合成是一种必然的趋势，技术上相互补充、使之成为实现无线信道高速数据传输 最有希望的解决方案之一，具有广阔的发展前景。因此，m i m o o f d m 系统将是无线通信 研究领域的必然趋势，也是本论文研究的基础和核心，其中接收端的接收及检测技术成为 本论文研究的重点。鉴于上述现况，基于v - b l a s t 分层检测的m i m o o f d m 系统的信号 检测技术即是本论文研究的重中之重。 目前用于实现的v - b l a s t 解码算法众多，大家都致力于寻找种兼顾复杂度和性能的 优秀解码算法来为更深入的研究m i m o o f d m 系统服务，这也将是本论文研究的一个着重 点。 v - b l a s t 属于空间复用技术( s m ：s p a t i a lm u l t i p l e x i n g ) 的范畴，这是随m i m o 技术 而诞生的空时信号处理的一个方面，还有一个即目前已被广泛讨论的空时编码技术( s t c ： s p a t i a lt i m ec o d i n g ) 。这两种技术的结合，势必在m i m o o f d m 的研究领域有更重大的价 值。 综上，本论文的研究目的，用一句话来概括，即是以改善m i m o o f d m 系统性能为 前提，寻找一种性能最优，复杂度最低的信号检测算法，为新一代移动通信( b 3 g 4 g ) 时 代的早日到来，为提高人们生活质量添砖加瓦。 1 5 2 论文内容安排 本文主要研究了利用v - b l a s t 检测算法对m i m o o f d m 系统进行信号检测。 第一章对o f d m 技术、m i m o 技术，m i m o o f d m 技术，v - b l a s t 信号检测技术予 以概述。 6 雨京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 第二章对本文中仿真中所用的无线移动信道进行了研究和仿真分析。 第三章介绍了o f d m 技术和m i m o 技术的原理，分析了v - b l a s t 系统模型，重点研 究了v - b l a s tm i m o o f d m 系统，比较了v - b l a s t 的几种典型算法，并将它们应用在 v - b l a s tm i m o o f d m 系统中，对其误码率性能进行了仿真和比较。 第四章提出了分别对于降低系统复杂度和提高系统性能的两种改进算法m l o s i c 1 和m l o s i c 2 ，进行了仿真和比较。m l o s i c 1 算法在m l d f e 的基础上，降低了矩阵 运算的复杂度，得到了和m l d f e 相近的性能。m l o s i c 2 算法在各层结合使用o s i c ， 层间进行m l 算法，减少了m l 算法的搜索次数，避免层间干扰和误码扩散，性能与m l 算法近似。 第五章研究了空时分组码s t b c ，以a l a m o u t i 码为基础，将s t b c 与v - b l a s t m i m o o f d m 相结合。对于传输速率和空间分集效率的折中，描述了关于必发收的信 号检测模型，实现了空间分集技术和空间复用技术的结合统一。 第六章总结全文工作，提出本文的后续工作和展望。 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章移动信道 2 1 无线衰落信道特性 第二章移动信道 无线衰落信道由于地面情况复杂，信道条件恶劣，传输信号受干扰大，具有多径效应 和时变性两个特征。 移动通信的主要特征之一是多径传播。在实际的移动环境中。尤其是城市地区，传播 过程中会遇到各种建筑物、树木、植被以及起伏的地形，引起能量的吸收和穿透以及电波 的反射、散射和绕射等。这样，到达接收端的信号不是从单一路径到达的，而是多条路径 来的许多发射信号的合成。由于信号通过各个路径的距离不同，因而各条路径来的发射信 号的到达时间不同，相位也就不同；不同相位的多个信号在接收端叠加，同相叠加则增强， 反相叠加则减弱。这样，接收信号的幅度将发生急剧变化，即衰落，这样的衰落一般为 r a y l e i g h 衰落。对于r a y l e i g h 衰落，其接收信号包络的概率密度函数为： ! 匕( 曲= 去p 2 矿 石 0 ( 2 ，1 ) 仃 其中x 为衰落信号的包络，盯为方差。对于半径在0 2 1 公里的微小区( m i c r o e e l l ) ，通常 有较强的直射波，此时信道特性可以用r i c e 分布来近似。 无线信道的多径效应和时变性分别引起了传输信号的时延扩展和多普勒扩展。时延扩 展是信号在时域上的扩展，而多普勒扩展则是信号在频域上的扩展。 多普勒扩展b d 定义为多普勒功率谱s ( f ) 的宽度，也称为频谱展宽。由于信道的时间 相关函数r ( f ) 和多普勒功率谱s ( f ) 互为傅立叶变换，作为一个近似，多普勒扩展b d 的倒 数可以作为对信道的相干时间疋的度量，即1 。相干时间是指信道特性没有显著 变化的那段持续时间。显然，变化慢的信道相干时间大，或者等效为小的多普勒扩展。如 果信号码元周期比相干时间大的话，称为快衰落信道；反之，若相干时间比码元周期 大，则称为慢衰落信道。 相干时间和多普勒扩展是描述信道时间特性方面的重要参数，而描述信道频率特性方 面的重要参数就是相干带宽和时延扩展。由于信道的频率相关函数x ( 6 f ) 和时延功率谱 s p ) 互为傅立叶变换，作为一个近似，是大多径时延扩展l 的倒数可以作为信道的相干带 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章移动信道 宽坟的度量，即色1 l 。相干带宽是指在这样的带宽上信号传播特性是相关的，在这个 频率范围( 带宽) 内信道以近似等增益和线性相位通过全部频谱分量。因此相干带宽代表 一频率范围，在这个范围内两个接收信号的幅度、相位都有高度的相关性，即这两个信号 的频谱分量以类似方式受到信道的影响，如出现衰落或不出现衰落。如果传输信号的带宽 b 。比相干带宽最大的话，则称信道是频率选择性衰落信道。反之，如果相干带宽比信号 带宽大的话，则信道是频率非选择性或称平坦衰落信道，所有频率分量遇到同样的衰耗和 相移。 由上述可知，当信号通过移动无线信道传播时，其衰落类型取决于发送信号特性及信 道特性。信号参数( 如带宽、符号间隔等) 与信道参数( 如均方根时延扩展和多普勒扩展) 决定了不同的发送信号将经历不同类型的衰落。移动无线信道中的时间色散与频率色散可 能产生4 种显著效应【2 6 】，这些是由信号、信道及发送速率的特性引起的。当多径的时延扩 展引起时间色散以及频率选择性衰落时，多普率扩展就会引起频率色散及时间选择性衰 落。这两种传播机制彼此独立。不同多径参数与信号经历的衰落类型之间的关系总结如图 2 1 所示： 窭 匿 咖 靶 m 卜 妲 煳 越 e l 平坦慢衰落平坦快衰落 频率选择性频率选择性 慢衰落快衰落 c 发送信号符号周期 髑 靼 篓b 醐 蹬 b ! k 频率选择性 频率选择性 快衰落慢衰落 平坦快衰落平坦慢衰落 b d 发送基带信号带宽 ( a )( b ) 图2 1 信号所经历的衰落类型 2 2 信道模型及参数 本文的信道采用了e t s i 的u t r a ( u m t s 陆地无线接入) 信道模型【2 2 】。 u t r a 的测试环境如表2 1 所示： 9 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章移动信道 表2 1u t r a 测试环境的定性描述 测试环境定性描述 室内基站和移动台位于建筑物内；小尺寸蜂窝： ( i n d o o r ) d o p p l e r 频率由步行速度决定。 步行基站的天线高度较低，位于室外：小尺寸蜂窝； ( p e d e s t r i a n ) 较低的发射功率；d o p p l e r 频率由步行速度决定， 偶尔更高的频率是由于受到车速的影响。 车速基站使用屋顶天线：用户处于车速、步行或静止 ( v e h i c u l a r ) 状态；更大尺寸的蜂窝；更高的发射功率：最大 d o p p l e r 频率由车速决定，更低的频率用于步行和 静止的用户。 每一种测试环境( t e ：t e s te n v i r o n m e n t ) 都分为c h a n n e la 和c h a n n e lb 两种信道类 型。c h a n n e la 代表较低的延迟扩展，c h a n n e lb 代表较高的延迟扩展。 本文信道模型采用了v e h i c u l a rt e 的c h a n n e la 类型 2 3 j 。v e h i c u l a rt e 主要的特征参数 如下： 1 路径损耗( p a s sl o s s ) v e h i c u l a rt e 的平均路径损耗由下式决定： 三= 4 0 ( 1 4 1 0 a h 6 ) l o g l o ( r ) 一18 l 0 9 1 0 ( ) + 2 1l o g l o 厂+ 8 0 ( 2 2 ) 其中，足是基站与移动台之阒的距离，单位为k m ，f 是载波频率，单位为m h z ，吃是 以平均屋顶高度为基准测出的基站天线高度，单位为m 。这个模型仅适用于o 觇5 0 m 的情况。 2 阴影衰落( s h a d o wf a d i n g ) 对于v e h i c u l a r t e ，无论是在市区或郊区环境，阴影衰落损耗都可用均值为零且方差为1 0d b 的对数正态随机变量来模拟。位置相关函数可用如下方程来描述： r c a x ) = e x p 陧m 亿3 ， 其中缸是增加的距离，单位为m ，如为解相关长度，此处d ，= 2 0 m 。显然，相关性随 着距离增加呈指数衰减。 1 0 雨京邮电大学硕士研究生学位论文第二章移动信道 3 脉冲响应( i m p u l s er e s p o n s e ) 对于v e h i c u l a rt e ，抽头延迟线脉冲响应参数如表2 2 所示。多普勒( d o p p l e r ) 频谱用经 典的j a k e s 模型来建模。a 模型有6 径，其均方根( r m s ：r o o tm e a ns q u a r e ) 时延扩展( 定 义为功率延迟分布的二阶矩的平方根) 为3 7 0n s ；b 模型也有6 径，i m s 时延扩展为4 0 0 0 表2 2 车速测试环境：抽头延迟线模型的脉冲响应说明 c h a n n e l a 相c h a n n e l b 相 c h a n n e l a 平 c h a n n e l b 平 d o p p l e r t a p 对延迟对延迟 均功率( d b )均功率( d b )频谱 ( n s e c )( n s e c ) 10oo 2 5j a k e s 23 1 0- 1 03 0 00 j a k e s 37 1 0- 9 o8 9 0 01 2 8j a k e s 41 0 9 01 0 01 2 9 0 01 0 oj a k e s 51 7 3 01 5 o1 7 1 0 0- 2 5 2j a k e s 62 5 1 02 0 02 0 0 0 01 6 oj a k e s 2 2 1 多径衰落的物理特性 设某个时刻t ，接收机有n 个多径信号源，接收信号可表示为： _ s ( f ) = 4 e c 。c o s ( 2 n ( f 。+ ) f + 丸) = x ( t ) c o s ( 2 7 f , r ) 一r ( t ) s i n ( 2 n f c t ) x ( f ) ：扛兰c 。c 。s ( 2 , f i e f + 九) m ：厄ngs i n ( 2 矾f + 九) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) 其中，z 、丸是第n 个信源的多普勒频移、相位，破为第n 个接收信号的幅度，e ， 为归一化系数g = l 。有 e x 2 0 ) = 昱 y 2 ) = e s 2 ( ，) 2 詈= 盯2 ( 2 7 ) 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章移动信道 当多径数目n 很大时，由中心极限定理可知，接收信号x ( f ) 和i ，( ，) 为互不相关的零均 值高斯随机过程，对应于s ( f ) 的同相和正交分量。x ( t ) + j y ( t ) 也是带通信号s ( f ) 的等效地 同表达式。 因为x q ) 和y ( t ) 为互不相关的零均值高斯随机过程，他们的分布为： p ( 石( f ) ) ： p 叫f ) 2 脯 ( 2 8 ) p ( 石o ) ) = f 三p 吖【f ) 佗矿 ( 2 8 ) 、7 0 对于多径信道，研究者