（通信与信息系统专业论文）mimo系统中的迭代检测技术.pdf

摘要 摘要 多输入多输出( m i m o ) 通信技术目前是一个研究熟点，它能够在有限的频谱 带宽条件下，获得更高的信道容量和更好通信质量。m i m o 无线通信系统中的信 号检测( 即“m i m o 检测”) ，是m i m o 系统研究中不可回避的关键技术问题。近 年来，随着t u r b o 编码和迭代信道编码研究的发展，将这种迭代技术应用于m i m o 系统的联合检测中，可以大大提高其信道容量。由于最优的m a p 检测算法，需要 对所有可能的发射序列进行穷搜索检测，具有很高的复杂度。本文介绍了基于m 算法的树形搜索检测( i t s ) 算法，利用树形搜索原理找出对检测输出贡献最大的 m 组可能的发射符号向量，再利用这些候选向量计算信息的软信息。这里可以通 过改变m 的值来改变检测复杂度和精度。在高阶q a m 调制下，可以用多层比特 映射的方法，改进i t s 检测算法，使检测复杂度同调制阶数无关，进一步降低了 检测复杂度。最后的仿真结果证实了我们的理论分析。 关键词：多输入多输出( m i m 0 ) t u r b o 码迭代检测树形搜索迭代检测 a b s t r a c t a b s t r a c t 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 ( m i m o ) c o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ，w h i c hc a l lp r o v i d eh i g h e r c a p a c i t yg a i na n dc o m m u n i c a t i o nq u a l i t yo v e rl i m i t e ds p e c t l x l m ，h a v eb e e na h o tt o p i ci nr e c e n t y e a r s t h es i g n a ld e t e c t i o ni nm i m ow i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ( m i m od e t e c t i o n ”) i sak e y p r o b l e mi nm i m os y s t e m - r e l a t e dr e s e a r c ht h a tc a l ln e v e rb eb y p a s s e d r e c e n ty e a r s ，w i t ht h e d e v e l o p m e n to ft u r b oi t , o d e sa n dt h er e s e a r c hi ni t e r a t i v ep r o c e s s i n g o fc h a n n e lc x x l a s , t h e s e i t e r a t i v et e c h n i q u e sh a v eb e e nu s e dt og a i nh i g h e rc a p a c i t yg a i n0 1 1am u l t i p l e a n t e n n as y s t e m t h e o p t i m u mm a x i m u map o s t e r i o h ( m a p ) d e t e c t o rh a sh i g l lc o m p l e x i t y , w h i c hi sd u et ot h ef a c tt h a t t h em a pd e t e c t o rp e r f o r m sa l le x h a u s t i v es e a r c ho v e rt h ee n t i r es e to fp o s s i b l et r a n s m i t t e ds y m b o l v e c t o 格t h i sp a p e rp r e s e n t sac a l l e di t e r a t i v et r s e a r c hd e t e c t i o n i nt h i ss c h e m e ，al i s to f “g o o d c a n d i d a t es y m b o lv e c t o r st h a tc o n t r i b u t es i g n i f i c a n t l yt ot h es o f co u t p u to f t h ed e t e c t o r i sg e n e r a t e d 州o rt ot h ea c t u a lc o m p u t a t i o no ft h ed e t e c t o ro u t p u t , w i t ht h ea i do fas e q u e n f i a lt r e es e a r c h i n g s c h e m eb a s e do nt h em - a l g o r i t h m b yc h a n g i n gt h el i s ts i z em ，t h ei t sd e t e c t o ro f f e r st h ep o s s i b i l i t y o ft r a d i n go f fl o w e rc o m p l e x i t yf o ri m p r o v e dp e r f o r m a n c e t h e n , f o rl l i g 川口q a mm o d u l a t i o n f o r m a t s ，t h ec o m p l e x i t yo f t h ei t sd e t e c t o rc a r lb ef u r t h e rr e d u c e dw i t ht h ea i do f as p e c i a lt y p eo f b i tm a p p i n gc a l l e dm u l t i l e v e lb i tm a p p i n g s t h i sr e s u l t si nac o m p l e x i t yp e rb i tt h a ti sl i n e a ri nt h e n u m b e ro f t r a n s m i ta n t e n n a sa n dr o u g h l yi n d e p e n d e n to f t h em o d u l a t i o no r d e r t h ef i n a ls i m u l a t i o n r e s u l t sp r o v et h et h e o r e t i c a la n a l y s i s k e y w o r d ：m i m o t u r b oc o d em a pi t s 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己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：塑圭建日期筮翌篓：三：! f 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攥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，在一年解密后适用本授权书。 本人签名：型! 奎i 盔日期2 立涩：三：f f 导师签名：星拯渔茎奎日期浏：墨应 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 随着移动通信系统的普及和移动用户的增多，移动通信产业正呈现出空前的 繁荣，同时人们对通信质量的要求也日益提高。与现有的蜂窝移动通信系统相比， 后三代无线通信，也称为下一代( n e x t g ) 无线通信或第四代( 4 g ) 无线通信，将具 有更高的语音质量，并提供高数据传输速率业务。一般认为其峰值传输速率在高 速移动时可达到1 0 0 m b i t s s ，在用户静止或低速移动时可达到1 g b i t s s e e 。同时人 们希望移动终端设备既轻巧便于携带，又可以在各种环境( 室内或室外，郊区或城 市) e p 都具备良好的通信质量。人们希望下一代通信系统具有良好的通信质量、广 阔的覆盖范围、更高的频谱利用率，并能在各种环境中使用。下一代移动通信支 持的业务从语音到多媒体业务，包括实时的流媒体业务等。数据传输速率可以根 据这些业务所需的服务质量( q o s ) 的不同而自动进行调整。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，如何高效地利用有限 的无线频谱资源，提供高速率、高性能的数据传输能力是设计中必须解决的一项 关键而艰巨的任务。多输入多输出( 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 ) 技术可以 在不增加带宽和天线发送功率的情况下，成倍地提高无线信道容量。m i m o 技术 作为提高数据传输速率的重要手段得到人们越来越多的关注，已经被认为是新一 代移动通信系统的革命技术。 1 2m i m o 技术发展概述 在无线通信的发展史中，系统容量需求的不断增长与有限的无线频谱资源之 间的矛盾一直是推动无线通信技术不断革新的重要力量之一。下一代无线通信系 统对于数据传输速率提出了更高的要求，如何在有限的频谱上实现高速率、高性 能的数据传输，是下一代无线通信必须面临的一个巨大挑战。在这样的背景下， 一项被誉为“现代通信中最重大的技术突破之一“”的通信新技术“m i m o 技术”进入了人们的视野。m i m o 无线通信系统( 简称“m i m o ”系统) 在系统收发 两侧同时配置多个天线，由于引入了空间维，在适当的信道环境下，相对传统的 单天线系统可以提供额外的空间复用增益( 也称容量增益) 和空间分集增益。系统采 用m i m o 技术能有效地挖掘出这些性能增益，在不增加频谱和发送功率的情况下， 相对传统单天线系统显著地提高系统的容量( 或数据传输速率) 和通信质量【2 】1 3 】，正 是由于具有这些特性，m i m o 技术一经提出，就引起了通信业界的密切关注。 m 1 m o 系统中的迭代检测技术 在m i m o 技术的研究过程中，贝尔实验室的e t e l a t a r 和g j f o s c h i n i 做了开 创性的工作。上个世纪9 0 年代早期，他们通过在信息理论领域的研究，发现了 m i m o 系统相对传统单天线系统的巨大信道容量优势，从理论上指明了利用多天 线进行更高频谱效率传输的可能性。在e t e l a t a r 和g j f o s c h i n i 开创性的工作以 后，无线通信领域内掀起了m i m o 技术的研究热潮，有关m i m o 技术理论和实践 方面的研究成果层出不穷。如今，随着一些基于m i m o 技术的演示系统( 如贝尔实 验室基于b l a s t 技术的m i m o 系统1 4 】、i n t e l 公司的l o s p a nm i m o 无线通信系统) 的开发成功，以及m i m o 技术在各种无线通信国际标准( 如3 g 、无线局域网、无 线城域网标准【5 】等) 中不断地崭露头角，人们有足够的理由相信，m i m o 技术必将 成为下一代移动通信系统中的一项关键技术。 我们了解到使用多根发射天线和多根接收天线可以使无线通信系统的信息容 量得到显著提高。对于具有多根发射和接收天线，且接收机己知独立平坦衰落信 道的系统而言，信道容量随收、发天线数目的最小值呈线性增长。 使用空时编码( s t c ) 【6 j 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。空时编码是一种用于多发射天线的编码技术，该编码在多根天线和各 个时间周期的发射信号之间能够产生空域和时域的相关性。这种空时相关性可以 使接收机克服m i m o 信道衰落和减少发射误码。对于空间未编码系统，空时编码 可以在不牺牲带宽的情况下起到发射分集和功率增益的作用。 空时编码在编码结构上有很多种方法，包括空时网格码( s t t c ) 、空时分组 码( s t b c ) 和分层空时码( l s t c ) 等，所有这些编码方案的核心思想都是利用 信道多径特性获得较高的频谱利用率和性能增益。 1 3 迭代检测研究状况 在1 9 9 3 年，b e r r o u 等提出了具有革命性的基于迭代译码接收技术的t u r b o 副7 1 。 t u r b o 码得益于其非常有效的迭代译码算法。t u r b o 码由两个的递归系统的卷积码 并行级联而成，接收端通过两个分量译码器相互交换信号的先验信息，使得迭代 译码的t u r b o 码能够达到很低的误码率。 迭代编译码技术不仅在信道编译码技术上写下了崭新的一页，它还带来了更 为深远的影响，即“迭代原理”的形成和应用。迭代思想不仅成功的应用于信道 编译码技术，而且还成功的运用于信道均衡技术、调制解调技术、多用户检测技 术和联合信源及信道译码技术等。 随着多天线技术的发展，迭代检测及译码技术也成功的运用于多输入多输出 ( m i m o ：m u l t i p l ei n p u tm u l 邱l e0 i l ：c p u t ) 系统嘲中，它将信道编码器作为“外码”编 码器，然后将空时编码、映射过程作为“内码”编码器。由此，整个发射系统可 第一章绪论 以看成一个具有串行级联编码系统；在接收端，采用在s i s o 的空时译码器与s i s o 的信道译码器组成了迭代译码结构。使用s i s o 的译码器可以将各个子模块的软输 出信息返回到其他子模块中从而充分发掘接收信号中包含的有效信息，这样可以 逼近最优的性能。 1 4 本课题的研究意义及研究内容 1 4 1 课题的研究意义 如前所述，m i m o 技术可在不增加额外频谱和功率消耗的情况下显著地增加无 线通信系统的容量和通信质量，其一经提出，就引起了通信业界的强烈关注，并 被广泛认为是将在下一代无线通信系统( b 3 g 4 g ) e p 采用的一项革命性的技术。为 了开发m i m o 系统的性能增益，近年来，人们提出了一系列各具特点m i m o 传输方 案，它们在系统性能、传输速率以及实现复杂度的权衡中具有不同的折衷。在所 有的传输方案中，发端的空时编码以及收端的m i m o 检测是两个必需解决的核心技 术问题。与传统单天线系统中的信号检测相比，m i m o 检测需要进行包括空间维在 内的多维信号处理，复杂度更高；而且，m i m o 检测面临系统发端多个发射天线同 时发送信号引起的同信道干扰的挑战，检测难度也更大。虽然近年来，人们针对 不同的m i m o 传输方案提出了许多不同的m i m o 检测方法，但迄今为止，有关 m i m o 检测的研究还远不够系统和完善。在对具有代表性的m i m o 传输方案调研的 基础上，对现有m i m o 检测算法进行归纳整理，并重点对“m i m o 系统中的迭代 ( t u r b o ) 检测算法”进行深入研究，然后，介绍了有针对性的高效m i m o 检测算法， 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 建设等方面提供一点技术储备，是一项非常有意义的研究工作。 1 4 2 主要研究工作和内容安排 m i m o 技术能否被应用于实际通信系统的一个重要因素是其检测算法性能的 好坏及其复杂度的高低。本论文在对贝尔实验室分层空时结构( b l a s t ) 的检测 算法的前期研究基础上，采用理论分析与计算机仿真相结合的方法，对基于t u r b o 原则的迭代检测算法进行研究。介绍了一种新的检测算法并同最优的m a p 检测算 法进行了比较。全文共分为五章，其余章节具体安排如下。 第二章分析了无线信道的信道特性，然后在此基础上推导和分析平坦慢瑞利 衰落信道下的m i m o 系统容量。 第三章首先针对无信道编码的分层空时系统讨论了最大似然检测算法，迫零检 测算法、最小均方误差检测算法，串行干扰消除( s i c ) 检测算法和排序串行干扰消 除( o s i c ) 检测等几种主要的检测算法的原理和实现步骤，分析了几种算法的复杂 4 m i m o 系统中的迭代检测技术 度，并通过仿真比较了几种算法的性能。 第四章首先讨论了t u r b o 码的编译码原理，对t u r b o 码迭代译码原理进行归纳 和总结。在此基础上分析了基于迭代原则的m i m o 编解码模型，讨论了垂直空时 系统的最佳的迭代检测算法m a p 算法。最后介绍了新的低复杂度的i t s 检测算法 及其改进方法，通过理论分析和计算机仿真比较了其复杂度和检测性能。 第五章最后在全文的结束语中，对论文的全部工作进行了总结，并对下一步 的研究方向进行了展望。 第二章m i i m o 信道特性及信道容量 第二章m i m o 信道特性及信道容量 通信信道是信息传输的媒介，是决定通信系统性能的基本制约因素，是通信 系统理论分析和系统设计的基础，而其中无线信道的传播机制最为复杂，信道增 益总是处于变化当中，所以有必要深入认识和分析无线通信信道的特性。 本章首先介绍移动通信信道的基本特性，并着重介绍小尺度衰落；然后介绍 了m i m o 系统模型，并推导出了m i m o 系统的信道容量。 2 1 无线信道的传播特性 任何通信信号都是通过信道传送的，因此首先必须分析和掌握信道的特点与 实质，才能针对存在的问题给出解决的技术方案。无线信道不同于有线信道，它 是开放式的变参量信道，接收环境具有多样性，通信用户还可能处于随机的移动 当中，这些特点造成无线信道中的信号传输机制比较复杂。 通常，无线衰落信道的传播模型可以分为大尺度( l a r g e - s c a l e ) 传播模型和 小尺度( s m a l l s c a l e ) 传播模型两种。其中，大尺度模型主要用于描述发射机与 接收机之间长距离上的信号强度变化，而小尺度模型则用于描述短距离( 几个波 长) 或短时间( 秒级) 内接收信号强度的快速变化( 见图2 1 ) 。 情号 触 图2 1 无线信号衰落不慈图 值得注意的是这两种模型并不是相互独立的，在同一个无线信道中，存在大 尺度衰落，也会存在着小尺度衰落。下面将分别介绍这两种衰落模型的特征。 2 1 1 大尺度衰落 无线电波在自由空间内传输，其信号功率会随着传播距离的增加而减小，这 会对数据速率以及系统的性能带来不利影响。另外信号在电波传播路径上受到建 筑物及山丘等的阻挡所产生的阴影效应也会产生损耗，这些损耗就是大尺度衰落。 6 m i m o 系统中的迭代检测技术 大尺度衰落反映了大尺度意义上接收信号产生的损耗，一般遵从对数正态分布， 其变化率较慢。最简单的大尺度路径损耗的模型可以表示为： 三嘻= 足去d 协， 7 其中0 表示本地平均发射信号功率，p 表示接收功率，d 是发射机与接收机 之间的距离。对于典型环境来说，路径损耗指数，一般在2 到4 中选择。由此可以 得到平均的信号噪声比( s n r ) 为： s n r = 鲁= 足导d 上n o b ( 2 2 ) 只 7 其中0 是单边噪声功率谱密度，b 是信号带宽， 宽的常数。如果为保证接受可靠，要求鼢碾s n r o ， 则路径损耗会为比特速率带来限制： b 疋，则信号经历了时变的衰落，此时信道被称作时间 选择性衰落信道；如果正正，则在一个信号周期内，信道并没有发生显著变化， 不同时间分量的信号经历了相同的衰落，此时信道被称作是时间平坦衰落( 非选 择性) 。 此外，值得一提的是，在m i m o 系统中，由于移动台和基站周围的散射环境 不同而造成的不同位置上的天线经历不同衰落的特性，还会产生空间选择性衰落。 由多径时延扩展引起的小尺度衰落如下所示： 有多普勒扩展引起的小尺度衰落如下所示： 彳，、 l ，、一 ，i 、一 第二章m i i m o 信道特性及信道容量 9 2 1 3 衰落信道统计特性 下面我们来讨论一下信道的统计特性，设发送信号为： x ( f ) = r e ( 5 ( t ) e j ”口) ( 2 5 ) s ( f ) 是基带信号，正为载波频率。通过多径信道，接收信号为： 工 y o ) = a l ( t ) x ( t - r l ( t ) ) l = 1 = 悻e y 2 z l t a t ) s伽1 (2_6re o t t ( t ) e s ( t - r t ( t ) ) e i ，) = i 伽口i ( 2 一) ， 式( 2 6 ) 中，u a t ) 为复数信道损耗；r a t ) 为实数的信道时间延迟；均为随机过程。 等效的基带接收信号： r o ) = a t t ( t ) e 业嘞o s ( t - r t ( t ) ) i = s ( f ) 矗( f ；f ) h ( r ；t ) 为多径信道在t 时刻等效的基带脉冲响应。 工 | i i ( f ；f ) = 口，( f ) p 7 2 。正7 万( f f ，( f ) ) ， 2 卢，( f ) j ( f f ，( f ) ) ， ( 2 7 ) ( 2 - 8 ) 届( f ) 是一个复值随机过程。显然接收信号模化为一种复值高斯随机过程，均值方 差为： 孵= 肿( f ) ) ，彩= 三研( ，) r ( f ) ) 其分布密度( p d f ) 为： p = 去产笋 ( 2 - 9 ) 1 0 m i m o 系统中的迭代检测技术 接收信号的包络和相位： 其联合分布密度为： 其中： 可以求得： 善( ，) = i r ( r ) i ，口( f ) = a r g ( ，o ) ) ，p + ，f ( a l c o s e + a e m 0 ) 烈参d 2 刍f 研p 研( 2 - 1 0 ) q = r e ( q ) ，口o = i m ( 啡) ，a = f t p r p ( 善) = “6 0 ) a o = 毒厶移 浯 t o ( x ) 为零阶第一类修正贝塞尔函数，为： 厶c x ，= 吉了e 。”d 矽( 2 - 1 2 ) ( 2 1 1 ) 式的幅度分布为莱斯分布( m c e ：a n ) ，k = 刍称为“莱斯因子”。当4 = l 吖 = 0 时，( 2 - 1 1 ) 式的幅度分布变为： 、p ( ) ：乓e 2 一； ( 2 1 3 ) j 2 ( 善) = ；e ”j ( 2 一) 盯： 成为瑞利分布( r a y l c i g h ) 。此时接收信号的相位分布： 烈目) ：三，( o ，则日的秩不大于，等效信道如图2 7 所示；如果坼 k ) 至 v j v j v j 置一 “一 r 一 _ 掣_ 第二章m i i m o 信道特性及信道容量 o l “ 、l 二- 图2 8 等效m i m o 信道示意图( 坼 n r ) r 、x 和的协方差矩阵及其迹分别为： r e = u ”r u 墨，r = v 8 矿 ( 2 3 1 ) r t 。= u h r f r ( 墨) = t r ( 砟) f r ( 墨“) = 一( ) ( 2 3 2 ) 打( b _ ，) = f r ( 墨。) 上面的关系表明了r 7 、一和玎的协方差矩阵分别与r 、工和疗矩阵具有相同的迹， 所以这些信号具有相同的功率。 式( 2 - 3 0 ) 所体现等效的m i m o 信道模型中，分解后的子信道是独立的，所以 它们的容量可以相加。假设在每个发射天线上的发射功率均为叫 l r ，利用香农公 式可以得到系统总的容量为： c 一形扣【鲁 3 3 ) c = 形i o g l1 + l ( 2 一 l o i 、v 月， 其中w 为每个子信道的带宽，只是第f 个子信道的接收功率，它等于： 只：笙 ( 2 3 4 ) 坼 其中 是h 的奇异值。信道容量可以写为： c 一嗜( 1 + 羔一则：卅 去， 。s ， l l 圭 _ 1 6 m i m o 系统中的迭代检测技术 下面我们来推导信道容量与矩阵打的关系。设脚= m m ( n r n t ) ，由式( 2 2 7 ) 定义的特征值的关系有： ( h i 一q ) y = 0 ，y o ( 2 - 3 6 ) 其中： q = 腻麓三麓 s ， 也就是说a 是q 的特征值，所以必有： d e t ( a 1 - q ) = 0 ( 2 - 3 8 ) 我们考虑式( 2 3 8 ) 左边的特征多项式： p ( 名) = a e t ( , t 1 一q ) = 兀：1 ( 旯一丑) 令名= 一! 雩蔓并代入到式( 2 3 9 ) 中得到： 咪1 + 五利1 - = d e t ( 1 + 丽- q nn 所以式( 2 3 5 ) 的信道容量可表示为： 良明。g ：州+ 赢q ) ( 2 - 3 9 ) ( 2 - 4 0 ) ( 2 - 4 1 ) 由于矩阵h h ”和日8 目的非零特征值是相同的，所以当信道矩阵为日或者 日”时，信道容量相同。如果信道系数是随机变量，则式( 2 3 5 ) 和式( 2 4 1 ) 表 示的是瞬时容量交互信息量。可以通过对所有信道系数的实现取平均得到平均信 道容量。 天线数目做发均为n ) 图2 9 高斯信道不同s n r 情况下容量随天线数变化情况 第二章m i i m o 信道特性及信道容量 1 7 苜 壬 芝 8 删 饰 图2 1 0 瑞利信道不同s n r 情况下容量随天线数变化情况 图2 9 和图2 1 0 分别给出了在高斯信道和瑞利信道情况下，m i m o 系统的容 量随不同天线数目和信噪比的变化情况( 设收发天线数目相等) 。 在高斯信道下，由于信道系数固定，q 的特征值可以直接求出来，根据式 ( 2 3 5 ) ，m i m o 系统容量等效于i n 个s i s o 信道容量之和。而在瑞利信道下，由 于是随机系数信道，m i m o 系统容量是对随机信道容量的所有可能的实现进行平 均的结果： r p1 。e t w l 0 9 2d e t ( 1 + 丽- 9 j q 4 2 这个容量叫做平均m i m o 容量。 从图中我们可以看出：m i m o 系统容量随着发射端和接收端天线数的增加而 增加。在天线数相同时，信道容量随着信噪比的增加而增加。 m i m o 系统中的迭代检测技术 第三章分层空时系统的检测技术 无线传输的典型特点就是多径传播和频率选择性衰落。在传统的无线通信系 统中，由于多径传播的存在，各多径信号到达接收机的时间不同，会产生严重的 干扰而影响系统性能，所采取的各种解决方案一般均是考虑如何消除多径传播的 影响。而分层空时( b l a s t ：b e l l l a b o r a t o r i e sl a y e r e ds p a c e t i m e ) 技术却利用了无 线信道多径传播的特点，更适合于在传播路径较丰富的环境下使用。它利用先进 的信号处理技术，如同在原有系统带宽上建立了多个互不干扰、并行传输的子信 道，能够同时、准确、高效的传输数据信息，可以极大的提高系统容量。在分层 空时技术发展过程中，f o s c h i n i 于1 9 9 6 年在文献中提出了对角空时分层结构 - b l a s d ，但d b l a s t 的检测方法较为复杂。为了解决d b l a s t 检测的复杂 性问题，提出了b l a s t 结构的一种简单形式垂直分层空时结构( v b l a s t ) ，它不 仅能达到高频谱利用率而且又具有相对简单的发射结构和检测算法。 本章在介绍b l a s t 的基本原理基础上，介绍了b l a s t 系统中m l ，z f ，m m s e s i c ，o s i c 等一系列检测方法的基本原理，给出了z f 以及m m s e 检测滤波矩阵的 详细推导过程、并对算法性能进行了仿真比较。 3 1 分层空时结构简介 分层空时系统的结构框图如图3 1 所示。设发射天线数为 0 ，接收天线为。 信息源数据先经过符号映射器从比特流映射为符号流，再经串并转换变成 0 路并 行数据子流，最后用不同的空时分层结构进行发射。经过空时构造的信号通过 m i m o 信道传播以后，被根接收天线接收。在接收机中，利用信道估计信息进 行空时信号的检测。 图3 1b l a s t 系统框图 b l a s t 一般可分为水平分层空时结构( h b l a s t ：h o r i z o n t a lb l a s t ) 、对角分 第三章分层空时码的检测技术1 9 层空时结构( d b l a s t ：d i a g o n a lb l a s t ) 与垂直分层空时结构( v b l a s t ： v e r t i c a lb l a s t ) ，这些构造方式只是在空间和时间上对经过星座映射的符号进行 排列而没有进行任何形式的编码。 下面就从编码原理上来介绍三种不同的分层空时码，为了叙述方便，这里假 设坼= 3 ( 发送天线数为3 ) 为例来说明分层空时码的编码原理。假设经过信道编码器 和映射器1 后的输出序列为q ，a s ，a 3 ，a 4 ，a 5 ，a 6 ，信道编码器和映射器2 的输出序 y , j y g6 l ，6 2 ，6 3 ，6 4 ，也，6 6 ，信道编码器和映射器3 的输出序列为 c 1 ，0 2 ，岛，c 4 ，岛，c 6 ，如f 所不。 信道编码器和映射器l 的输出吼，呜，q ，a 3 ，a s ，q 信道编码器和映射器2 的输出6 6 ，屯，6 4 ，岛，6 2 ，岛 信道编码器和映射器3 的输出c 6 ，c 5 ，c 4 ，c 3 ，乞，q 水平分层空时码就是把并行信道编码器和映射器的输出按水平方向进行编码， 即第k 个信道编码器和映射器的输出信号直接从第k 个天线上发送出去，具体的编 码方式如下所示： 水平分层空时码： 从第一根天线发送口6 ，口5 ，口4 ，口3 ，a s ，q 从第二根天线发送6 6 ，6 5 ，6 4 ，6 3 ，如，岛 从第三根天线发送c 6 ，c 5 ，c 4 ，c 3 ，c s ，q 垂直分层空时码就是将并行信道编码器和映射器的输出，按垂直方向进行编 码。即信道编码器和映射器1 开始输出的m 个码元排在第一列，信道编码器和映射 器2 开始输出的，个码元排在第二列，依此类推。具体的编码原理如下所示： 垂直分层空时码： 从第一根天线发送q ，6 4 ，a 4 ，q ，岛，a l 从第二根天线发送岛，也，吩，c 2 ，屯，a s 从第三根天线发送c 6 ，6 6 ，a 6 ，q ，6 3 ，呜 对角分层空时编码就是将并行信道编码器和映射器的输出按对角线的形式来 进行空间编码，为了处理方便右下方的元素补做零。具体的编码形式如下： 对角分层空时编码： 从第一根天线发送c 4 ，6 4 ，a 4 ，q ，岛，a l 从第二根天线发送玩，取，岛，b s ，a s ，0 从第三根天线发送口6 ，c 3 ，6 3 ，a 3 ，0 ，0 上面具体的介绍了三种不同空时处理对应的三种分层空时码，从它们的结构 中可以看出水平分层空时码的结构最简单，并且在接收端的译码比较简单，但是 它的空时特性较差，每个信道上的信号从同一个发送天线上发送出去，如果一个 天线上发生深衰落就会严重影响到对应信道上的信道译码，性能较差。而垂直分 2 0 m i m o 系统中的迭代检测技术 层空时码是一个信道上的信号从三个不同的天线上发送出去，它有很好的空时特 性。如果一个天线上发生了衰落，其它两个天线上的信号可以通过信道译码来纠 正，同时所有发送天线发生衰落的概率比较小，在一定程度上还要时间特性，空 时特性较好，译码相对比较简单，因此应用的比较多。而对于对角分层空时码， 它的空时特性最好，性能也最好，但是由于有 ，；( 坼一1 ) 2 比特的传输冗余，而且 检测译码复杂度较大而实用性不强。 b l a s t 结构有以下的主要特点： 1 ) 各天线在同样的带宽下进行数据的传输，各发射信道同时占用整个系统的带宽； 2 ) 天线间的间距较大时，各天线间干扰较小，可以认为各子信道间的衰落特性为 独立分布； 3 ) b l a s t 系统充分利用无线信道的多径传输特性来达到区分同信道信号的目的， 而不是在发射信号之间引入正交关系来实现其不相关性。对其而言，无线信道中 传播路径越多，则系统的性能越好，这是由于在空间中传播路径较多时，各收发 天线对之间的信道特性会产生较大的差异，各信号间不相关性增强，进行信号处 理时便于分离各信号，从而可以提高系统性能； 4 ) b l a s t 系统的频带利用率随着发射天线的增加而线性增加，其能达到的频谱利 用率和数据传输速率是传统的单天线系统所无法比拟的。在平坦瑞利慢衰落的信 道中，各天线发射信号同步，接收端有理想信道估计条件下v b l a s t 系统的传输 速率与天线个数呈线性关系，在高信噪比条件下，频谱效率能够达到4 0 b i t s h z t l 0 1 。 因为v b l a s t 与h b l a s t 与d b l a s t 相比有着易于构造且检测译码复杂度低 的优势，得到了广泛的研究与应用。在本论文中，主要以v b l a s t 为研究对象进 行详细的讨论。 3 2 分层空时系统的检测技术 3 2 1b l a s t 系统模型 我们假设一个具有坼根发射天线。根接收天线的m i m o 无线通信系统，信道 是平坦瑞利衰落环境，即在突发符号期间信道传输矩阵日是恒定的，并且在接收 端已采用信道估计的方法将其精确的估计出来，接收端明确得到了信道信息。接 收信号服从下面的方程： r = - z + t ( 3 1 ) 其中，接收信号r 是一个。l 的列向量，日是信道矩阵，大小为 r 。坼，空时 发送符号z 是坼1 的列向量，t 是l 维的独立同分布加性高斯白噪声，均值 为0 ，方差为盯2 。因此，b l a s t 系统中信号检测的任务就是：给定接收信号向量r 和 m i m o 信道矩阵日，基于式( 3 1 ) 的b l a s t 信号模型，抑制不同发射天线发送符号 第三章分层空时码的检测技术 2 1 间的干扰，获得发送符号的估计值j = k ，而x 。r 。 3 2 2 最大似然检测 理论上，最大似然检测是最优的检测方法，其方法是在发射信号( 或者信号向 量空间) 内寻找其经过信道变换以后到接收信号距离最小的那个发射信号( 或者信 号向量空间) 。数学表达式如下： x = a f g m 碘钏r 一删仍 ( 3 1 ) 其中x 为工的估计值，中为发射信号x 存在的空间，即中= 谯 ：， x = a r g 表示在j所在的空间内寻找最小值，12为向量二范数运算符。_n些n 最大似然解的最基本方法是遍历所有可能的星座符号矢量，即测试石的所有可能 值，找出使得0r - 尼：5 1 1 2 值最小的j 即为最大似然解，其性能显然为最优。下面我 们介绍m l 算法的实现过程【4 7 】。 假设信号星座中共2 虬个点，星座符号集为豫 牡。若发送天线数为 0 ，在某 时刻接收天线，收到的信号为 0 = q ，j q + ，包+ + ，c 坼+ 乃 ( 3 一z ) 某时刻接收天线，共收到坼 t 比特信息。将构成q ，c 2 ，的这 t 比特信息 表示为： 6 = ( 6 l ，+ ，幔) ( 3 3 ) 其中6 【，。m 叱，表示为第f 根发射天线发送的星座点q ，i = 1 2 ，坼 我们用对数似然比来表示要判决比特的似然信息，那么在接收端用来判决b 的 第，比特信息岛的对数似然比为： 删礼g 搿 一p r ( 6 j2 1 ，k ) l = ：o g - j o p r o , 2u ，) 差，p 啦，k ，6 ) ( 3 - 4 ) 6 也= 1 。1 0 9 艺面厕 p r ( r 。，c ) 。1 0 s 鼍而 其中c = ( q ，c 2 ，f ) ，( 。) 为从6 到c 的映射。假设星座点各符号等概发送，式( 3 4 ) 可写为： m i m o 系统中的迭代检测技术 聪，i c i ，c r ) p r ( c i ，) a ( ”= l o g 革而i 而习丽 i - p r ( ，：，i 铀，) ( 3 5 ) = l o g 竺业丝等一 兀蹦o l q ，c ) 将高斯噪声统计量代入式( 3 5 ) 即得到判决比特6 ，的对数似然比： 焉。赫j = l 卜掣0i ，( 6 ) 1 1 l “ l a ( b 1 ) = l o g 1 - ( 3 6 ) e ，i 虬- i b l = oj = l 唧- 掣0 i ，【6 ) ， l ” i lj 利用式( 3 6 ) 得到的似然比对每一比特信息作判决即可检测出发送的信号。 现在来考察它的运算复杂度，因为调制信号星座图空间大小为q = 2 也，发射 天线为坼的系统，将要进行2 帆次比较。由此可看出，当系统采用多天线数、高 阶调制时，这种求解方式的运算复杂度级别为o ( 2 n ，u o ) ，且运算复杂度随着发射信 号调制阶数的增长成指数型增长，所以这种方法只应用于理论分析中。为此，有 学者相继提出了各种线性检测算法和非线性检测算法，包括迫零( z f ) 算法，最小均 方误差算法( m m s e ) 和基于干扰消除的s i c 和o s i c 检测算法。 3 2 3 迫零( z f ) 检测 采用迫零检测技术来消除所有的乘性干扰和信号间干扰，一般做三个方面的 处理：一是迫零，二是符号删除，三是信号补偿。迫零处理的目的是利用迫零矢量 消除信道的乘性干扰和未检测出信号的干扰，符号删除是消除已检测出的信号对 其他为检测出信号的干扰，信号补偿主要确定信号的检测顺序。一般而言，如果 先检测出信噪比比较大的信号，则可以降低该信号对其它信号的干扰，从而提高 系统的性能。 迫零检测主要设计目的是找到一个加权矩阵将接收信号重新分配到发射信号 的各数据流上，即满足： 形，日= 万= ： 0 _ ，_ 1 坼 ( 3 - 7 ) 第三章分层空时码的检测技术 其中加权矩阵形是一个 0 的线性联合系数矩阵。形，只分别表示信道矩阵日 和加权矩阵形的第所亍和第，列。如果加权矩阵满足式( 3 7 ) 的关系，可得： 只= 形r = 彬础+ w , n = t + 形 ( 3 8 ) x j = q ) ( 3 9 ) 式( 3 9 ) 中，烈) 表示量化处理。通过分析可知满足式( 3 7 ) 的加权矩阵就 是信道矩阵日的伪逆矩阵，即： w = ( h 8 日) 1 h ” ( 3 1 0 ) 所以矩阵迫零( z f ) 接收机的输出是： x = q ( 工+ ( 胃8 日) 。h ”疗) = q ( x + w n ) ( 3 1 1 ) 这里我们认为 k r ，日是列满秩矩阵。z f 接收机将信道矩阵分离成 0 个并行 的信道加上附加噪声。显然可见，噪声”被矿增强了。因为每个并行的信道上被 附加的噪声是相关的，所以各信道的信噪比是不独立的。但是各信道的平均信噪 比是有上限的，即： 瓦瓦( 眚，忙即” ( 3 - 1 2 ) 其中，p - - e o 是每个s i s 0 链路上接收天线上的平均信噪比，d 袖是发送符号星 座集中各星座之间的最小距离。从上式可以看出每个并行链路的分集大小是 ( 一 - + 1 ) ( p 坼) ，分集增益和阵列增益和一 r ，- i 是成比例关系的。z f 检测 无需知道信号与噪声的统计特性，复杂度等级为o ( p ) 。相对m l 检测大大地降低 了检测复杂度。 3 2 4 最小均方误差( m m s e ) 检测 z f 迫零检测算法完全消除了符号间干扰，但同时增强了噪声。而m m s e 最小 均方误差检测算法平衡了符号间干扰消除和噪声增强，从而令整体误码率最小化。 最小均方误差译码算法和迫零的译码算法一样，也是要找到一个加权矩阵矿，满 足最小均方误差准则：就是为了使x 与其估计值x 之间的均方误差达到最小，即 m i n 卜陋x 唧 ( 3 - 1 2 ) 最小均方误差译码算法的加权矩阵需要满足下面的关系： e 2 ；研( j 一皇) 一( x 一南】：研( z w r ) h ( x 一阡，) 】 ( 3 1 3 ) 要找的加权矩阵矿使得上式的均方误差最小，根据推导可得【1 4 】： m i m o 系统中的迭代检测技术 w = ( 日”日+ 仃2 l ) - 1 日_ ( 3 - 1 4 ) 从加权矩阵可以看出最小均方误差译码算法考虑了噪声的影响，而迫零的译码方 法没有考虑噪声