（通信与信息系统专业论文）b3g中的mimo检测算法与实现技术研究.pdf

摘要 摘要 m i m o 技术是_ f 新兴的无线通信技术，其系统的基本结构非常简单：一个 无线通信系统，其发射端与接收端都采用多个天线传输并行的数据流，就可以构 成一套无线m i m o 系统。并行的数据流由多个发射天线发送到空中，而接收端的 多个天线分别接收到后对其作解码合成处理。由于各发射信号占用同一频带，多 个数据链路同步进行，因而并未增加带宽，并一举将数据传输性能提高数倍。 在b 3 g 项目( 国家“8 6 3 ”f u t u r e 计划) 中，电子科技大学负责下行链路设计。 此链路基于o f d m + m i m o 构架，传输速率达到1 0 0 m b p s ，基于现场可编程门阵列 ( f p g a ) 进行开发。m i m o 检测成为b 3 g 项目中重要的一个环节。 本文负责b 3 gt d d 下行链路m i m o 检测算法的研究、设计与f p g a 实现。 主要工作包括m i m o 检测算法的化简，硬件实现的算法映射与设计，f g p a 实现 环节的性能验证和优化，并最终实现b 3 gt d d 下行链路在无线m i m o 环境中的 成功运用。 本文在m i m o 检测算法研究与设计方面，分析化简s i cm m s e ( 软干扰抵消最 小均方误差) 检测算法，使其复杂度和运算量适应硬件实现的需求。通过公式推导 和计算次序安排，化简了迭代检测过程中的各个算法模块。本文还详细讨论了 m i m o 检测中的矩阵求逆方法，研究适合s i c m m s e 检测算法的矩阵求逆方法。 在硬件实现与设讨+ 方面，针对现有的s i cm m s e 算法的步骤和特点，分析算 法实现复杂度并进行算法映射。充分利用各种基本运算的硬件实现方式，结合各 类i p 以及f p g a 芯片特点，规划矩阵求逆，矩阵乘法，指数运算等大规模运算环 节，完成了m i m o 检测及其迭代检测的f p g a 设计。 本文结合算法性能要求和f p g a 设计要求，对m i m o 检测方案进行总体设计， 提出了硬件实现结构，并运用f p g a 进行实现，现已成功运用于我国第一套b 3 g t d d 移动通信实验系统中。 关键词：b 3 g ，m 1 m o 检测，s i cm m s e ，f p g a a b s t r a c t a b s t r a c t m u l t i i n p u tm u l t i o u t p u t ( m i m 0 1i s as t a t e o f - a r tt e c h n i q u ei nt h ef i e l do f w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n i t ss i m p l ef r a m e w o r kb a s e so nm u l t i p l ea n t e n n a sa tt h e t r a n s m i t t e ra n d r e c e i v e r t h eb a s i cp r i n c i p l eo fm i m 0i st ot r a n s m i tp a r a l l e ld a t a s t r e a m sb ym u l t i p l ea n t e n n a so ft h et r a n s m i t e r ，t h e nc o m b i n ea n dp r o c e s st h ed i f f e r e n t d a t as t r e a m st e e e i v e db ym u l t i p l ea n t e n n a so ft h er e c e i v e r 。b e c a n s et h ee n t i r ep a r a l l e l d a t as t r e a m ss h a r et 1 1 es a m eb a n d w i d t ha n dt r a n s m i ts i m u l t a n e o u s l y , m i m oc a n e n h a n c es y s t e mc a p a c i t yw i t h o u ta d d i t i o n a lb a n d w i d t h u e s t ci si nc h a r g eo fd e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no ft h eb 3 gt d dd o w n l i n k s y s t e mi nt h en a t i o n a lh i 曲t e c hd e v e l o p m e n ta n dr e s e a r c hp r o g r a m “f u t u r e p r o j e c t t h ed a t at r a n s f o rr a t eo fm i ss y s t e r ni sd e s i g n e du p t o1 0 0 m b p s w h o s eb a s i c f r a m e w o r ki so f d ma n dm i m o t h es y s t e r nu t i l i z e sf p g at od e s i g n a n dm i m o d e t e c t i o nb e c o m e sa ni m p o r t a n tk e yp a r t t h i sp a p e rf o c u s c so nt h er e s e a r c h ，d e s i g na n df p g ai m p l e m e n t a t i o no fm i m o d e t e c t i o na l g o r i t h m s i tc o n t a i n ss i m p l i f y i n gt h em i m 0d e t e c t i o na l g o r i t h ma n d m a p p i n gt h ea l g o r i t h mf o rm ed e s i r eo f h a r d w a r ei m p l e m e n t a t i o n a f t e rv e r i f i c a t i o na n d o p t i m i z a t i o n t h et d dd o w n l i n ks y s t e mh a st e s t e ds u c c e s s f u l l yi nt h em i m ow i r e l e s s e n v i r o m e n t i nt h et o p i co f r e s e a r c ha n dd e s i g n t h i sp a p e rs i m p l i f i e st h es i cm m s ed e t e c t i o n a l g o r i t h ma n di t ss u b a l g o r i t h mb l o c k si nt h ec a s eo fi t e r a t i v ed e t e c t i o nb ya n a l y s i s i n g a n dd e d u c i n g t h ec o m p l e x i t ya n dc o m p u t i o nh a v eb e e ns i m p l i e da n dc u td o w nb vm e w o r k sm e f i o n e da b o v e t h i sp a p e rp a r t i c u l a r l yd i c u s s e st h em e t h o d so f m a t r i xi n v e r s i o n c o m p u t i o ni nm i m 0s y s t e m sa n dt r yt of i n do u tt h eo n e w h i c hi ss u i t a b l et os i c m m s ed e t e c t i o ni nt h i sc a s e 1 1 1t h et o p i co fh a r d w a r ei m p l e m e n t n i o n ，t h i sp a p e l a n a l y s e sa n dm a p st h e c o m p l e x i t yo fa l g o r i t h mb ys t e p sa n dc h a r a c t e r i s t i c ，l a y o u t st h em a t r i xi n v e r s i o n ，m a t r i x m u l t i p l i c a t i o n ，e x p o n e n t i a lc o m p u t i o ne t c u s i n gi pc o r e sp r o v i d e db yt h et h i r dc o r p ， t h i sp a o 盯a n di t sm a i up r a c t i c a lw o r kc o m p l e t et h ef p g ad e s i g no fm i m oa n di t s i t e r a t i v ed e t e c f i o n t h i s p a p e l i n t r o d u c e st h e h a r d w a r ep l a t f o r mf o rf p g a ，a c c o r d i n gt ot h e p e r f o r m a n c eo fa l g o r i t h ma n di m p l e m e n t a t i o nd e s i r e t h ed e s i g nh a sb e e ns u c c e s s f u l l y b r o u g h tt ot h eb e y o n d3 gt d d m o b i l ee x p e r i m e n t a ls y s t e m k e y w o r d s ：b 3 g ，m i m od e t e c t i o n , s i cm m s e ，f p g a i i 图表目录 图2 1 图2 - 2 图2 3 图2 4 图2 5 图3 - 1 图3 2 图3 3 图3 - 4 图3 5 图3 - 6 图3 7 图3 8 图3 - 9 图3 1 0 图3 1 l 图3 一1 2 图3 1 3 图3 1 4 图3 1 5 图3 1 6 图3 1 7 图3 1 8 图3 1 9 图3 2 0 图3 2 1 图3 2 2 图3 2 3 图3 2 4 图3 - 2 5 图3 2 6 图3 2 7 图3 2 8 图3 - 2 9 图3 3 0 图3 3 1 图表目录 b 3 gt d d 下行链路的系统帧结构6 b 3 gt d d 下行链路基本框架6 m m i o 系统原理图7 负指数函数线性拟合示意图1 3 4 x 4 矩阵求逆脉动阵列结构图1 9 b 3 gt d d 下行链路硬件总体框图2 2 f p g a 系统规划流程图2 4 f p g a 设计流程图2 5 b 3 gt d d 下行链路信道估计和m i m o 检测电路板。2 6 v i r t e x i ip r o 系列产品结构示意图2 7 m i m o 检测硬件实现模块划分框图3 4 m i m o 检测输入数据概率密度图。3 6 矩阵求逆数据概率密度图3 7 定点验证仿真框图3 8 d c m 标准原型示意图3 9 系统时钟模块原理图4 1 并行乘法器原理图4 2 复数乘法器原理图4 3 乘累加器原理图4 4 c o r d i ci p 核结构框图4 6 流水线除法器时序图4 6 s q r 分解矩阵求逆示意图4 7 变量循环重新编号法矩阵求逆结构图4 9 乒乓操作存储器结构图5 0 矩阵求逆状态机状态转移示意图5 l 矩阵求逆时序图5 l 比特似然比模块结构图5 2 1 6 q a m 星座图示意图5 3 欧式距离计算结构图5 3 符号概率计算模块结构图5 4 均值实部计算结构图5 5 均值虚部计算结构图5 5 l 、，d s 原理图。5 6 信道估计端l v d s 数据接口结构图5 7 m i m o 检测端l v d s 数据接口结构图5 7 a u r o r a 协议流模式原型示意图5 8 v 图表目录 图3 3 2 图4 1 图4 - 2 图4 3 图4 4 a u r o r a 流模式框图。5 9 f p g a 设计定点仿真测试框图6 1 f p g a 设计定点仿真结果图6 2 f p g a 设计c h i p s c o p e 采集结果图6 2 无线环境下m i m o 检测后的星座图6 3 表2 1 b 3 gt d d 下行链路设计目标5 表2 - 2 b 3 gt d d 下行链路基本参数5 表2 3指数函数分段线性拟合函数1 2 表2 - 4m m s e 滤波权值化简前运算复杂度表1 5 表2 5m m s e 滤波权值化简后运算复杂度表1 5 表2 64 x 4 矩阵求逆算法复杂度表2 0 表3 1m i m o 检测算法操作复杂度表3 2 表3 2m i m o 检测算法存储复杂度表3 3 表3 - 3m i m o 检测硬判决误码率表3 8 表3 - 4数字时钟管理器标准原型引脚说明4 0 表3 5除法运算复杂度表4 7 表3 - 6变量循环重新编号法加法器操作表4 9 表3 7m i m o 检测综合结果表5 9 表3 8m i m o 迭代检测综合结果表5 9 v i 缩略语 b 3 g c a i c d m a c l b c o r d i c c p l d d c m d s p e d a f i f 0 f p g a h d l i c o n i l a i p i t u j 1 a g l d p c l u t l u t i d s m a c m ( 、t m m o m m s e m s b o f d m 缩略语 b e y o n d3 “g e n e r a t i o n c o - a n t e n n ai n t e r f e r e n c e c o d ed i v i s i o nm u l t 垃l ea c c e s s c o n f i g u r a b l el o g i cb l o c k s c o o r d i n a t er o t a t i o n a ld i g i t a lc o m p u t e r c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e d i 百t a lc l o c km a n a g e r d i 百t a ls i g n a lp r o c e s s o r e l e c t r o n i cd e s i g na u t o m a t i e f i r s ti n p u tf i r s to u t p u t f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t e a r r a y h a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e i n t e r g r a t e dc o n t r o l l e r i n t e r g r a t e dl o g i ea n a l y s i s i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y i n t e r n a t i o n a lt e l e c o r n m u n i c a t i o nu 1 1 i o n j o i n tt e s ta c t i o ng r o u p l o w - d e n s i t yp a r i t y - c h e e k l o g a r i t h m i cl i k e l i h o o dr a t i o l o o k - u pt a b l e l o w v o l t a g ed i f f e r e n t i a ls i g n a l m e d i a a c c e s sc o n t r o l m u l t i g i g a b i tt r a n s c e i v e r m u l t i - i n p u tm u l t i - - o u t p u t m i n i m n l nm e a ns q u a r ee r r o r m o s ts i g n i f i c a n tb i 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 e x v 超三代移动通信系统 共天线干扰 码分多址 可配置逻辑模块 坐标旋转数字计算 复杂可编程逻辑器件 数字时钟管理 数字信号处理器 电子设计自动化 先进先出 现场可编程门阵列 硬件描述语言 集成控制器 集成逻辑分析器 知识产权核 国际电信联盟 联合测试行动小组 低密度极性校验 对数似然比 查找表 低电压差分信号 媒体接入控制 多吉比特收发器 多输入多输出 最小均方误差 最高有效位 正交频分复用 缩略语 p ：a l q a m q o s s i c s n r s o c t d d v b l a s t v h d l z f p r o g r a m m a b l ea r r a yl o g 沁 q u a d r a t u r ea m p l i t u d em o d u l a t i o n q u a l i t yo f s e r v i c e s o f ti n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o n s i g n a lt on o i s er a t i o s y s t e mo nc h i p t i m ed i v i s i o nd u p l e x v e r t i c a lb e l ll a b sl a y e r e ds p a c e - t i m e v h s i c ( v c d yh i g hs p e e di c ) h a r d w a r e d e s c r i p t i o nl a n g u a g e z e r of o r c i n g 可编程阵列逻辑 正交幅度调制 服务质量 软干扰抵消 信噪比 片上系统 时分双工 垂直贝尔分层空时 硬件描述语言 迫客 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，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作了明 确的说明并表示谢意。 签名：多爱日期：2 0 0 7 年f 月22 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规 ， ， 签名j 曼! 坠 导师签名 日期：z 口p 7 年g - 月1 1 日 第一章引言 第一章引言 1 1 移动通信系统的发展与现状 从1 8 9 7 年m ，g 马可尼完成人类第一次无线系统通信试验至今的一个多世纪 里，无线移动通信在飞速发展的计算机和半导体技术的推动下，其理论和技术不 断取得令人瞩目的成就和进步。今天，无线移动通信已经发展到大规模商用系统， 并成为人们日常生活不可缺少的通信方式【1 】。 当代移动通信系统经历了三个主要发展阶段，每一阶段的发展都是技术的突 破和观念的创新。 第一代移动通信系统出现于2 0 世纪8 0 年代早期，采用频分多址和模拟技术， 典型的系统有美国的a m p s 、英国的t a c s 、前西德的c - 4 5 0 等。但由于模拟蜂窝 网频谱利用率低、抗干扰能力差、系统保密性差，并且容量受限制以及各类通信 系统制式不统一，使其逐渐被淘汰。 第二代移动通信系统以欧洲的全球移动通信系统( g s m ) 和北美的窄带码分多 址( c d m a ) 蜂窝移动通信系统i s 9 5c d m a 为代表。两者主要是为支持话音和低速 率的数据业务而设计，并且在商业应用和推广上获得了巨大的成功。 第三代无线通信系统( 3 g ) ，也称i m t - 2 0 0 0 ，采用智能天线阵、软件无线电、 多载波、多用户检测、移动性管理及智能网等技术，具有宽带化、智能化、综合 化的特点，支持话音和多媒体数据通信，是新一代宽带无线通信的标志【2 】。 然而，第三代移动通信系统并不是真正意义上的个人通信和全球通信，还不 足以满足未来移动通信发展的需要。因此，人们已经把目光越来越多地投向三代 以后( b e y o n d3 g ) 的移动通信系统中，使其可以达到更高速数据传输，容纳更庞大 的用户数，提供更丰富的多媒体业务。 1 2b 3 g 移动通信系统的主要特点 信息技术的迅猛发展以及人们对宽带业务日益增长的需求，为宽带移动通信 电子科技大学硕士学位论文 技术孕育了新一轮的发展机遇。根据业界讨论达成的广泛共识，未来移动通信的 发展目标将是汇集蜂窝、固定无线接入、游牧、无线区域网络等接入系统，结合 全i p 网络，在高速移动和步行环境下为用户提供高速无线传输能力【3 j 【钔。根据这 一目标，国际电联i t u 积极倡导关于下一代无线移动通信技术规范的研究。b 3 g 系统的主要要求是： ( 1 ) 高速率的数据传输。b 3 g 系统的数据传输速率从3 g 的2 m b p s 提高到 l o o m b p s ，在热点地区的频谱利用率可达到5 b p s h z 。 ( 2 ) 全i p 网络。以移动数据为主面向i n t e r n e t 大范围覆盖高速移动通信网络， 改变了以移动电话业务为主设计移动通信网络的传统观念。 ( 3 ) 灵活多样的通信业务。b 3 g 系统支持更为丰富的移动通信业务，包括高分 辨率实时图像业务、会议电视虚拟现实业务等，使用户在任何地方可以获 得任何所需的信息服务，且服务质量( q o s ) 得到保证。 ( 4 ) 多种新技术的应用。b 3 g 移动通信系统的关键技术包括正交频分复用 ( o f d m ：o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 技术、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 ) 技术、软件无线电技术、低密度极 性校验码( l d p c ：l o w - d e n s i t yp a r i t y - c h e c kc o d e ) 技术、智能天线技术等。 1 3 本文的主要研究内容 1 3 1 课题来源 国家“8 6 3 ”未来移动与无线通信发展的f u t u r e 计划于2 0 0 2 年制定并启动， 其目的是在b 3 g 移动通信发展初期即着手开展相关的研究与开发，与国际上同步 发展，获取具有自主知识产权的核心技术专利，为我国未来提出后三代或第四代 移动通信标准奠定基础。 电子科技大学通信抗干扰技术国防重点实验室从项目启动之日即参与承担该 项目的完成工作。在f u t u r e 计划第二阶段中，电子科技大学负责t d d 方式下行 链路演示系统的设计与实现，项目编号：2 0 0 3 a a l 2 3 3 1 0 0 6 。 1 3 2 主要贡献 本文的主要贡献是： 2 第一章引言 ( 1 ) 在m i m o 检测算法研究与设计方面，分析化简s i cm m s e 检测算法使其 适应硬件实现的需求，并通过推导，化简了迭代检测过程中的各个算法模 块。讨论m i m o 检测中常用的矩阵求逆方法，总结不同求逆方法的实现 复杂度，研究适合s i cm v i s e 检测算法的矩阵求逆方法。 ( 2 ) 本文在m i m o 检测实现与设计方面，针对现有的s i cm m s e 算法的步骤 和特点，分析算法实现复杂度和进行算法映射，充分利用各种基本运算的 硬件实现方式，设计出m i m o 检测及其迭代检测的f p g a 设计。 ( 3 ) 本文结合算法要求和f p g a 设计要求，对m i m o 检测方案进行总体设计， 提出了硬件实现结构，并运用f p g a 进行实现，现已成功运用于我国第一 套b 3 gt d d 移动通信实验系统中。 1 3 3 论文结构及结构安排 第一章引言，回顾移动通信系统的发展历史，介绍本文所研究的b 3 g 系统的 定义及技术要求，对本文研究工作的课题来源、论文内容进行了概述。 第二章b 3 gt d d 下行链路的m i m o 检测算法，首先对m i m o 技术的基本原 理进行了概述，并对其常用检测技术进行了归纳和综述。然后描述了b 3 gt d d 下 行链路使用的s i cm m s e 检测算法，并对其所涉及的矩阵求逆方法进行了描述和 分析。 第三章m i m o 检测的硬件设计，首先介绍了b 3 gt d d 下行链路的总体设计 和硬件结构，然后介绍其开发流程和软硬件开发平台。随后描述了设计的定点仿 真和算法分析，结合x i l i n xs y s g c n 定点仿真工具分析各部分的定点要求，化简算 法步骤和表达式，使其更适合于硬件实现。之后，本章详细介绍了m i m o 检测设 计的f p g a 设计与实现过程，包括时钟、基本运算、矩阵求逆、星座映射和软译 码信息、l v d s 及r o c k e ti o 接口等主要功能模块的实现结构。最后对资源占用和 设计性能情况作出总结。 第四章测试与性能分析，通过构造的各类测试方法和环境，分析了系统性能， 证明本设计的可行性和正确性。 第五章对全文进行了概括总结，指出本文的主要贡献和创造性，以及今后的 研究内容。 电子科技大学硕士学位论文 1 4 本章小结 本章首先回顾了移动通信系统发展历程，然后概述了后三代移动通信系统的 定义及技术要求，最后对本文的课题来源、论文结构及内容安排进行介绍。 4 第二章b 3 gt d d 下行链路的m i m o 检测算法 第二章b 3 gt d d 下行链路的m i m o 检测算法 2 1b 3 gt d d 下行链路物理层简介 在国家“8 6 3 ”f u t u r e 计划第二阶段中，电子科技大学负责t d d 方式下行 链路设计嗍。根据系统需求分析，b 3 g - t d d 下行链路采用m i m o + o f d m 的基本 框架，采用t d m a + o f d m a 的多址方式。 b 3 g t d d 下行链路的设计目标如表2 。1 所示。 表2 1b 3 g t d d 下行链路设计目标 类别 业务数据率误码率要求 e b | n i 频谱效率 移动速度 l 1 0 0 m b p s 1 0 43 d b 5 b p s h z 5 ，1 2 0 ，2 5 0 k m h 2 5 0 m b p s 1 0 6o d b 2 5 b r s h z 5 ，1 2 0 ，2 5 0 k m h 3 8 k b p s 1 矿t b d 5 ，1 2 0 ，2 5 0 k m h b 3 gt d d 下行链路的基本参数如表2 - 2 所示。 表2 2b 3 gt d d 下行链路基本参数 载频五 3 4 5 g h z 系统带宽占 2 0 m i z 子载波数 1 0 2 4 有效子载波数帆 8 8 4 有效带宽 1 6 ，2 2 m h z 子载波间隔4 ， 1 9 5 k h z 循环扩展c p2 1 6 ( 1 0 8 t s ) 符号周期乃6 2 0 a s 调制方式 1 6 q a m 车速矿 5 - 2 5 0 k m h 保护载波数 1 9 2 信道模型 c o s t 2 0 7 发送与接收天线数8 ( 基站) 4 ( 移动台) 电子科技大学硕士学位论文 b 3 g 系统的业务需求大都为宽带高速多媒体数据流，而且下行的数据量可能 远大于上行业务量，因此本案利用了t d d 的特点设计了灵活的帧结构，上下行链 路可进行灵活的时隙配置。而且终端的移动速度范围很大，从很慢的步行移动速 度到高速车载环境，本方案都满足业务的q o s 需求。根据上下行传输速率的不同 划分方式，并以极速下行模式为例，b 3 gt d d 下行链路的系统帧结构如图2 1 所 示。 帧长5 r a s 、 嘉l 垂鲁l 磊i 嚣l 同步i 翥l 上行l 荔i 保护i 曩i 篓专f 翕l l 篓者i 曩l 奏鲁i 曩l 蠢 1 5 u s3 6 9 u s 5 4 符号 7 5 u s 1 个符号 1 5 u s 图2 1 b 3 gt d d 下行链路的系统帧结构 根据上述要求而设计的b 3 gt d d 下行链路基本框架如图2 2 所示。 图2 - 2b 3 gt d d 下行链路基本框架 6 第二章b 3 g t d d 下行链路的m m o 检测算法 2 2m i m o 系统基本原理 随着全球移动通信用户规模的不断扩大，对于无线系统语音和高速数据传输 业务能力的需求也在不断增长。m i m o 的历史最早可以追溯到1 9 8 5 年，当时的贝 尔实验室发表一系列文章，详细阐述了一种概念新颖的多天线通信系统，即m i m o 通信系统。 m i m o 系统的基本结构非常简掣6 1 ：任何一个无线通信系统，只要其发射端与 接收端都采用多个天线或者是矩阵式阵列天线，便可构成一套无线m i m o 系统。 并行的数据流由多个发射天线发送到空中，而接收端的多个天线分别接收到后对 其作解码合成处理。由于各发射信号占用同一频带，多个数据链路同步进行，因 而并未增加带宽，并一举将数据传输性能提高数倍。 在传统的无线通信理论中，多径效应会引起无线信号的衰落，因而被视为一 种不利因素，但只要多天线系统中各天线闯距足够大，无线信道的多径分量又足 够丰富，那么接收到的多径信号就趋于独立。m i m o 技术利用了这一特性，获取 复用增益与分集增益，从而提高无线链路的容量与质量。 2 2 1m i m o 系统基本模型 图2 - 3 所示为m i m o 系统原理图【7 1 。 空时 编码 翻修锄锄萝? 空时 解码 图2 - 3m i m o 系统原理图 用m 和分别表示发射天线和接收天线的数目。在该m i m o 系统中，每根接 收天线接收到的信号均是m 根发射天线发射信号在时间和频带上的叠加信号。假 定信道为独立的r a y l e i g h 信道，则系统容量【8 】可以表示为： c t o g ：d e t i n + 昙册8 陋触) ( 2 - 1 ) 电子科技大学硕士学位论文 其中，户是接收端平均信噪比。日= ( ) 。是信道矩阵，表示第j 根发射天线 到第i 根接收天线的信道增益。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和频谱利用率。 用j ，= ，y ：，蜘】1 表示接收信号矢量，s = 【s 。，屯，】1 表示发送信号矢量， 竹= r 6 , ，栉，r 表示噪声矢量。一般地，假设n 各项独立同分布，吩一n ( o ，盯2 ) ， n ( o ，盯2l 表示均值为零，方差为盯2 的高斯分布。则对于平坦衰落的m i m o 系统， 其等效基带时域信号可表示为： y = h s + n( 2 - 2 ) 式( 2 2 ) 即为m i m o 系统时域基本数学模型。 2 2 2m i m o 系统常用检测技术 对于如图2 - 3 所示的信道参数已知的m i m o 系统，常用的检测方法有迫零算 法、最小均方误差算法和极大似然算法。 2 2 2 1 迫零算法 迫零( z f ：z e r of o r 0 _ n g ) 算法【9 1 是m i m o 检测中的基本算法，其过程是利用信道 矩阵的逆矩阵直接对接收信号作均衡，去除来自其他信道的干扰，得到发送信号 估计值。其具体计算方法如下： ；= 口一j ， ( 2 3 ) 迫零算法虽然十分简单，但是由于没有考虑噪声的影响，其性能不是太好， 故在实际系统中运用较少。 2 2 2 2 最小均方误差算法 考虑噪声影响后，最小均方误差f m m s e ：m i i l i 】m mm e a ns q u a r ee r r o r ) 算法【1 川 可以得到与式( 2 3 ) 类似的均衡方法： = 日”日+ 吒2 一， - 1 日”j ， ( 2 4 ) 其中盯2 是噪声功率谱密度，l 是单位矩阵。 2 2 2 3 极大似然序列算法 极大似然序列( m l ：m a x i m u ml i k e l i h o o d ) 算澍n 1 可以直接计算出发送序列，其 第二章b 3 g t d d 下行链路的m i m o 检测算法 过程如下： ；= a r g m 。i n0 y 一协1 1 2 ( 2 - 5 ) 其中，c 是发送符号集，1 2 表示f r o b e n i u s 范数。极大似然序列算法的性能在已 描述的三种算法中最好，但是其复杂度也最高。在实际运用中需要做进一步的分 析和简化，常见的有球形算法。 2 3b 3 gt d d 下行链路m i m o 检测算法研究 由于m m s e 检测是一种近似线性均衡算法，并且具有良好的性能，在实际系 统中使用较多。如果采用硬判决的方法，直接根据欧氏空间最短距离原则选取与 待解调符号最近的星座点作为检测结果，就会产生硬判决的信息损失。在b 3 gt d d 下行链路中，采用信道编译码的m i m o o f d m 系统，采用软判决检测算法可以充 分利用信道编译码的软信息，提高检测性能。 2 3 1s i c m m s e 检测 软干扰抵消( s i c ：s o f ti n t e r f e r e n c ec a n c e l a t i o n ) 算法是一种软判决检测算法。其 根据待解调符号对应星座图上每个点的概率选择最大后验概率对应的星座点作为 检测结果，并产生对数似然比( l l r ：l o g a r i t h ml i k e l i h o o dr a t i o ) 信息供下级译码器 使用。 软干扰抵消最小均方误差( s i cm m s e ) 算法也1 将两者结合，能消除天线间干 扰，获得较好的性能，并且复杂度适中，适合硬件实现和应用。 为作进一步阐述，将式( 2 2 ) 改写如下： - j ，= 噍+ 1 0 + 即 ( 2 - 6 ) y = 1 i 埘 其中， 和i i ，分别表示信道矩阵h 的第i 列和第，列。岛和s j 分别表示第f 和第， 根天线上的发送符号，并且墨，a = h ，a 。 ，a 是m q a m 调制星座点的集 合。 s i cm m s e 检测算法需要计算发送符号的均值、功率和方差： e b ) = 巳p b = a n ( 2 - 7 ) a e a 9 电子科技大学硕士学位论文 只= y 1 a 1 2 p 丑= ) ( 2 8 ) v a r s ， = f e l 2p 矗一。 _ i e 蚓2 ( 2 - 9 ) 其中，p 墨= 4 。) 是星座点先验概率。 在检测第i 根天线上发送信号的时候，我们从接收信号中减去对其它天线上信 号的干扰( c o a n t e n n ai n t e t f e r e n c e ，c a i ) 的软估计值，得到如下表达式： 以 m=y-e _ ) 吩 ( 2 1 0 ) 以e _ 吩 ( 2 一 之后进行m m s e 滤波，得到第i 根发送天线发送符号最的估计值： 童= 彬y s( 2 1 1 ) 其中，嵋为m m s e 滤波器权值矢量，由下式计算得到： m = e ，h r t h ”+ 厶 i 吩 ( 2 - 1 2 ) 其中，对角矩阵冠定义如下： 日= 砒“v a r h ) ，v 盯 斗。) ，暑，v 盯 ，v a r , m ( 2 - 1 3 ) 将童表达为对等的高斯信道形式【1 3 1 ： 毒= 以墨+ 穆 ( 2 - 1 4 ) 其中 h = ( 2 1 5 ) 并且定义为仇的方差，由下式计算可得： 0 。2 = r e ( 肛) 一r e ( h ) 2 ) 暑( 2 - 1 6 ) 不妨设p il 墨= 为氆将其所有取值中最大的一个，即： m i n l ，( 只一岛以) 1 2i 厅= l ，k ( 2 1 7 ) 所对应的取值，设为，作比率： p 呜【叫2 詈川雀 ( 2 - 1 8 ) 1 0 第二章b 3 g t d d 下行链路的m i m o 检测算法 所以有： p 叭= 巴) = 豇p r b 碉l n ( 2 1 9 ) 吲咖揣= n = 至l , e , f f i l 兰 陋z 该比特似然比信息即为下级译码器的软信息输入。但是，单独计算式( 2 6 ) 时 比铲小刊地笋 任2 ， 式( 2 2 0 ) ；9 1 ( 2 2 1 ) 涉及除法和指数运算等非线性计算，运算复杂度高速度慢， 运掣1 4 1 。 q(咖m,n(1s,-,ai-掣finn(is,-z,a ( 2 - 2 2 ) 即为发送符号的第七个比特气所对应的对数似然比信息。 2 3 2 符号概率计算与线性拟合 为了进一步提高检测性能，在利用式( 2 1 9 ) 更新后的符号概率矩阵以后，可以 采用迭代的方法，用更新后的符号概率矩阵替代初始概率矩阵，重复式( 2 6 ) 至 ( 2 2 2 ) ，得到更好的检测性能。 为充分利用已知信息，将不直接计算式( 2 - 2 1 ) ，而利用对数似然比信息计算符 号概率。由式( 2 - 2 0 ) 至( 2 - 2 2 ) n - f i 得： h 陬护业竺幽 ( 2 - ：，) 电子科技大学硕士学位论文 然后再求其指数，便可得到符号概率。根据上述的过程，计算符号概率需要 大量的非线性运算。特别是指数运算的动态范围很大，在实际中往往需要分别表 示其幂底和指数，并分别计算。采用线性拟合