（通信与信息系统专业论文）mimo通信系统中的信号检测与预编码技术研究.pdf

摘要 多天线技术为无线通信系统的设计引入了新的空间自由度，该自由度能够提 供复用增益和分集增益，因此多输入多输出( m i m o ) 系统能够同时提高信息速率 和改善通信质量。当多天线技术主要用来提高信息速率时，发射码字一般不具有 简化接收机信号处理的结构，此时m i m o 系统的信号检测变得比较困难。本文深 入讨论了基于序列蒙特卡罗( s m c ) 技术的m i m o 信号检测：提出了采用噪声增 强、部分确定性重分配、马尔可夫链蒙特卡罗转移和双系统重采样等方法以提高 s m c 检测中的粒子分集度，进而改善检测性能；同时给出了利用球形约束和信号 星座点的多层比特映射降低检测复杂度的方法。另外，本文还设计了一个基于树 结构的通用m i m o 检测模型，利用该模型可以系统地比较分析大部分已知的 m i m o 信号检测方法。 在自适应编码调制系统中，接收端一般并不精确已知发射端采用的数字调制 方式，因此在信号检测时必须首先确定信号的调制方式。本文首次探讨了基于s m c 技术的数字调制识别方法，分别针对m i m o 平坦衰落信道和单天线码间干扰信道 设计了一类基于s m c 技术的数字调制识别方法，该类方法对不同的数字调制星座 都有良好的识别性能。 和传统的纠错码级联，并在接收端采用联合迭代检测泽码，级联空时码能够 获得逼近m i m o 信道容量限的性能。本文深入研究了m i m o 系统的联合信号检测 与译码：提出了一种采用迭代多级译码的软输入软输出m i m o 信号检测方法，该 方法能够以较低的复杂度获得优异的检测性能；设计了一种联合迭代检测译码的 迭代停止方法，它能够有效地降低复杂度和译码时延；针对q p s k 调制且检测器 采用迭代树搜索检测方法的情况，推导了一种有效估计外信息截止值的方法，采 用该方法相对于通常的截止值常数设置方法检测性能有一定的改善。 在单用户通信系统中的成功应用，极大地激发了多天线技术在多用户通信系 统中的推广。本文学习了m i m o 广播信道的矢量扰动预编码技术：提出了一种最 大化检测信干噪比的矢量扰动预编码方法，该方法相对于最大化检测信噪比的方 法性能有极大的提高：利用格归约和临近点搜索技术提出了低复杂度的降低发射 符号峰均功率比的方法，以及采用脉幅调制星座量化信道输入的方法。 关键词：多输入多输出系统信号检测序列蒙特卡罗广播信道预编码 a b s t r a c t t h em u l t i p l e - a n t e n n at e c h n i q u ei n t r o d u c e san e ws p a c ef r e ed e g r e ef o r t h ed e s i g n o fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s a n dt h i ss p a c ef r e ed e g r e ec a nb eu t i l i z e dt op r o v i d e s p a t i a lm u l t i p l e x i n gg a i na n dd i v e r s i t yg a i n ，w h i c hm e a n st h a tt h em u l t i p l e i n p u t m u l t i p l e o u t p u t ( m i m o ) s y s t e mc a ni n c r e a s et h ei n f o r m a t i o nr a t ea n di m p r o v et h e c o m m u n i c a t i o nq u a l i t ys i m u l t a n e o u s l y w h e nt h em u l t i p l e - a n t e n n at e c h n i q u ei su t i l i z e d m a i n l yt oi n c r e a s et h ei n f o r m a t i o nr a t e ，t h et r a n s m i t t e dc o d e w o r dd o e sn o ts u p p o r t s i m p l i f i e ds i g n a lp r o c e s s i n ga tt h er e c e i v e ri ng e n e r a l t h e r e f o r e ，t h es i g n a ld e t e c t i o no f t h em i m os y s t e mw i l lb e c o m ed i f f i c u l t i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h es e q u e n t i a lm o n t ec a r l o ( s m c ) 一b a s e dm i m od e t e c t i o n i ss t u d i e d s e v e r a l m e t h o d s ，i n c l u d i n g n o i s e e n h a n c e m e n t ，p a r t i a l l yd e t e r m i n i s t i cr e a l l o c a t i o n ，m a r k o vc h a i nm o n t ec a r l ot r a n s i t i o n a n dd o u b l es y s t e m a t i cr e s a m p l i n g ，a r ep r o p o s e dt oi n c r e a s et h ed i v e r s i t yo fp a r t i c l e s ， t h e r e b y ，i m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft h es m cd e t e c t i o n f u r t h e r ，t w om e t h o d sa r e p r e s e n t e dt or e d u c et h ec o m p l e x i t yo ft h es m cd e t e c t i o n ，b yu t i l i z i n gt h es p h e r e c o n s t r a i n ta n dt h em u l t i p l e - l e v e lb i tm a p p i n go ft h es i g n a lc o n s t e l l a t i o n ，r e s p e c t i v e l y i n a d d i t i o n ，at r e e b a s e dm i m od e t e c t i o nm o d e li ss h o w n ，b yw h i c hm o s to ft h ee x i s t i n g m i m od e t e c t i o nm e t h o d sc a nb ea n a l y z e da n dc o m p a r e ds y s t e m a t i c a l l y i nt h ea d a p t i v ec o d e d - m o d u l a t i o ns y s t e m ，t h ed i g i t a lm o d u l a t i o nc o n s t e l l a t i o ni s u s u a l l yn o tk n o w np e r f e c t l ya tt h er e c e i v e r ，s oi ti sn e c e s s a r yt od e t e r m i n et h e m o d u l a t i o nc o n s t e l l a t i o nb e f o r et h es i g n a ld 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 es m c b a s e d d i g i t a l m o d u l a t i o nc o n s t e l l a t i o nc l a s s i f i c a t i o ni ss t u d i e d w e p r o p o s eac l a s so f s m c - b a s e dd i g i t a lm o d u l a t i o nc o n s t e l l a t i o nc l a s s i f i c a t i o nm e t h o d sf o rt h em i m of l a t f a d i n gc h a n n e la n dt h es i n g l ea n t e n n ai n t e r s y m b o li n t e r f e r e n c ec h a n n e l ，r e s p e c t i v e l y t h e p r o p o s e d m e t h o d s p e r f o r m w e l lo nv a r i o u sc o n s t e l l a t i o n sw i t hd i f f e r e n t c a r d i n a l i t i e s c o n c a t e n a t e dw i t he r r o r - c o r r e c t i n gc o d e ，t h ec o n c a t e n a t e ds p a c e t i m ec o d ec a n a p p r o a c ht h em i m oc h a n n e lc a p a c i t yb yu t i l i z i n gt h ej o i n ti t e r a t i v ed e t e c t i o na n d d e c o d i n ga t t h er e c e i v e r i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h ej o i n td e t e c t i o na n dd e c o d i n gi s r e s e a r c h e d a ni t e r a t i v e m u l t i s t a g ed e c o d i n g m e t h o di sp r e s e n t e da st h es o f t - i n p u t s o f t o u t p u tm i m od e t e c t i o n ，a n dt h i sm e t h o dc a na c h i e v eg o o dd e t e c t i o np e r f o r m a n c e w i t hr e d u c e dc o m p l e x i t y f u r t h e r ，a ni t e r a t i o n s t o p p i n gm e t h o df o rt h ej o i n ti t e r a t i v e d e t e c t i o na n dd e c o d i n gi sg i v e n ，w h i c hc a nr e d u c et h ec o m p l e x i t ya n dd e c r e a s et h e d e c o d i n gd e l a ye f f e c t i v e l y m o r e o v e r ，a l le s t i m a t eo ft h ee x t r i n s i ci n f o r m a t i o nc l i p p i n g v a l u ei sd e r i v e df o rt h es o f t - i n p u ts o f t o u t p u ti t e r a t i v et r e es e a r c hm i m od e t e c t i o n ，a n d t h i sm e t h o da c h i e v e sb e t t e rp e r f o r m a n c ec o m p a r e dt ot h ec o n v e n t i o n a lm e t h o dw i t h c o n s t a n ts e t t i n go ft h ec l i p p i n gv a l u e m o t i v a t e db yt h ei m m e n s es u c c e s si nt h es i n g l eu s e rc o m m u n i c a t i o n s y s t e m ，t h e m u l t i p l e a n t e n n at e c h n i q u ei se x t e n d e dt ot h em u l t i u s e rc o m m u n i c a t i o ns y s t e m i nt h i s d i s s e r t a t i o n ，t h ev e c t o rp e r t u r b a t i o np r e c o d i n gf o rt h em i m ob r o a d c a s tc h a n n e li s ，i n v e s t i g a t e d av e c t o rp e r t u r b a t i o n p r e c o d i n gm e t h o dm a x i m i z i n gt h ed e t e c t i o n s i g n a l _ t o i n t e r f e r e n c e - p l u s - n o i s e r a t i oi s p r o p o s e d ，w h i c hh a sb e t t e rp e r f o r m a n c e c o m p a r e dt o t h em e t h o dm a x i m i z i n gt h ed e t e c t i o ns i g n a l t o i n t e r f e r e n c e n o i s er a t i o m o r e o v e r ，w i t ht h ea i do ft h el a t t i c er e d u c t i o na n db yu t i l i z i n gt h ec l o s e s tp o i n ts e a r c h ， al o w 。c o m p l e x i t yp e a k - t o - a v e r a g ep o w e rr a t i or e d u c t i o nm e t h o d i s g i v e na n da n e f f e c t i v ep l u sa m p l i t u d em o d u l a t i o nc o n s t e l l a t i o nq u a n t i z a t i o no ft h ec h a n n e li n p u ti s p r e s e n t e d k e y w o r d ：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 ts y s t e ms i g n a ld e t e c t i o n s e q u e n t i a lm o n t ec a r l o b r o a d c a s tc h a n n e l p r e c o d i n g 创新性声明 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作 了明确的说明并表示了谢意。 本人签名：锄臌耳 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：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。 本人签名：丝壁堕盈 导师签名： 日期型：星：! 第一章绪论 第一章绪论 本章首先简要介绍了多天线技术产生的背景及其潜力，然后概述了多天线技 术在通信系统中的应用及其研究进展，最后介绍了作者在攻读博士学位期间的研 究工作概要，给出了全文的内容安排。 1 1 多天线技术：背景与潜力 无线通信系统从其诞生以来，始终以人们的需求为目标快速发展。随着当今 信息社会的快速发展，人们不再满足于传统的以语音和低速率数据业务为主的通 信方式，而同益追求高速率的多媒体业务。因此，为了适应未来高速无线数据传 输的需要，通信系统必须提高在衰落信道中的频谱利用率，使之能够在有限的频 谱资源上支持高速率数据和多媒体业务传输。但是，由于受到无线信道带宽和复 杂的多径传播坏境等诸多因素限制，在无线环境下实现高速数据传输困难重重。 围绕这一问题人们做了大量工作，从传输角度来讲，包括时分多址( t d m a ，t i m e d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 、码分多址( c d m a ，c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 、频 分多址( f d m a ，f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 等高级多址技术、有效的信 源编码技术、先进的编码调制技术和分集技术等。但从信道容量理谢卜3 j 角度看， 只要信道带宽和功率给定，所能达到的最大信息速率也随之确定，虽然增加发射 信号功率或系统带宽可在某种程度上提高信道容量，但这又违背了实际通信系统 的要求。因此，如何在不增加功率和不牺牲带宽的前提下，减小多径衰落的影响， 提高无线通信系统的信道容量，实现高速、可靠的信息传输就成了一个十分重要 的研究课题。 现在普遍认为多天线技术是解决该问题的一个有效手段。采用多天线的多输 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 ) 系统是近几年发展起来的一种 新型的无线通信系统。w i n t e r l 4 1 、f o s c h i n i t 5 】和t e l a t a r l 6 】的开创性工作证明，多天线 技术可极大地提高系统信道容量。若接收端可准确估计信道信息，并保证不同发 射一接收天线对之问的信道衰落系数相互独立，则一个拥有根发射天线和m 根接 收天线的m i m o 系统的信道容量将随m i n 坛) 线性增加。因此，信噪比、发射 功率和信道带宽都相同时，多天线系统可提供的信道容量是单天线系统的m i n ( m , 2 两安电子科技人学博十学位论文一m l m o 通信系统中的信号检测与预编码技术研究 朋倍。 本质上，多天线技术的成功之处在于为通信系统的设计引入了一个新的空间 维自由度，该自由度可以和传统的时i 、日j 维和频率维自由度一样加以利用。已有的 研究表明：合理利用该空间维自由度不但能够提高信息速率，而且能够改善系统 性能。归纳起来，多天线可为通信系统提供两个方面的增益： 首先，多天线可提供一定的分集增益。每一对收发天线之间都有一条衰落路 径，如果同一信号经过几条不同路径达到接收端，并按照一定的原则进行合并， 如最大比合并或等增益合并，则可获得一定的分集增益以抵抗信道衰落的影响， 提高通信可靠性。比如，在单发m 收的多天线系统中，信号可通过m 条独立衰落 路径达到接收端，只有当所有m 条路径都处于深衰落状态时，接收端j 可能无法 恢复信号，因此该系统可提供的分集增益为肘。类似地，有根发射天线，m 根 接收天线的多天线系统在准静态衰落信道下可获得的最大分集增益为m n 。 其次，多天线还可提供复用增益。利用收发天线对之间衰落路径的独立性， 可将m n 条衰落路径分解成若干个独立的并行空间子信道( 最多为m i n m 肌) 。 通过在这些并行信道上传输独立数据子流( s u b s t r e a m ) ，系统总数据速率可以得到 显著提高。 1 2 多天线通信系统研究进展 在频率资源同益紧张的今天，多天线技术无疑给解决高速无线通信问题开辟 了一条新思路，基于此发展起来的信道编码和信号处理技术正越来越受到人们的 关注。有关多天线通信系统的研究大致包含以下几方面的内容。 1 2 1m i m o 信道容量 信道容量的大小主要取决于接收端的信噪比( s n r ，s i g n a l t o n o i s er a t i o ) 、 接收端或发射端获取的信道状态信息( c s i ，c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n ) 以及各天 线之间的相关性。目前，有几种不同的s h a n n o n 信道容量的定义，最常用的包括 遍历信道容量( e r g o d i cc a p a c i t y ) 矛h 中断信道容量( o u t a g ec a p a c i t y ) 。当信道衰落系数 变化较快时，一般用遍历信道容量进行衡量；当信道衰落系数在很长时阳j 内保持 不变时，一般采用中断信道容量衡量。 w i n t e r 、 f o s c h i n i 和t e l a t a r 给出的结果是在假设平坦衰落、收发天线对之间 的信道衰落系数在时l 日j 和空问上均不相关、且接收端可准确估计c s i 前提下得到 的，但该条件过于理想化，在实际通信系统中往往很难满足。因此，多天线通信 第一章绪论 3 一 系统的在更实际信道下的信道容量f 日渐成为人们广泛关注的问题。目前也已取 得了一些结果，其中包括非相干衰落信道( 收发两端均无法估计信道衰落系数) 7 q o l 、存在边信息( s i d ei n f o r m a t i o n ) 的衰落信道也2 1 、相关衰落信道( 时间相关 或空间相关) 1 2 3 - 2 6 】和频率选择性衰落信道1 2 7 2 8 】等。 1 ) 非相干衰落信道。在某些情况下，接收端很难，甚至无法估计c s i ，文献 7 首次研究了收发端都无法获知c s i 条件下的信道容量，信道衰落系数在丁 个符号周期内保持不变时，有以下两个结论：给定发射天线数，随着信 道相干时间丁的增加，对应信道容量逐渐接近于接收端可准确估计信道衰 落系数的情况；非相干信道下，多天线系统的容量不仅和收发天线数有关， 还与信道的相干时间丁有关，如果信道衰落系数在丁个符号周期内保持不 变，则采用n = t 根发射天线即可逼近信道容量的极限值，即采用 丁根 发射天线获得的信道容量和采用n = t 根发射天线获得的信道容量相等。 z h e n g 和t s e 更深入研究了非相干信道下的信道容型引，指出高s n r 下， 使用= m i n ，m 刀2 l 根发射天线即可逼近信道容量，在此基础上再增加 发射天线数也无法提高信道容量，同时指出使发射天线数大于接收天线数 并不能增加信道容量。他们还进一步指出，信噪比每增加3 d b ，信息速率 可增加( 1 乃比特。文献 7 和 8 研究的都是分块衰落信道( b l o c k f a d i n g ) ，h o c h w a l d 和m a r z e t t a 将文献【7 】的结果推广到连续衰落的情7 兄l ， 即在丁个符号周期内，若信道仅在f 个符号周期内相关，则发射天线数 大于m i n ( t , 订时，信道容量将不再增加。l a p i d o t h 和m o s e r 指出u 0 】，信道 衰落不是分块衰落时，信道容量随着s n r 增加的幅度仅为l o g ( 1 0 9s n r ) 。 2 ) 存在边信息的衰落信道。当接收端已知c s i 时，根据信道反馈信息的特点， 可将信道划分成以下两类【2 9 】：信道均值信息( c m i ，c h a n n e lm e a n i n f o r m a t i o n ) 模型，接收端将所估计的信道信息的均值反馈至发射端，信道 衰落系数均值不为零，且各衰落系数之间独立；信道协方差信息( c c i ， c h a n n e lc o v a r i a n c ei n f o r m a t i o n ) 模型，接收端将所估计的信道信息的协方 差矩阵反馈至发射端，信道衰落系数均值为零，且各衰落系数之间具有一 定相关性。由于存在信道边信息，发射端既可利用所反馈的信息设计最优 发射信号，也可利用波束成形( b e a m f o r m i n g ) 技术来逼近信道容量。存在 信道边信息时，最优发射信号的协方差矩阵一般是满秩矩阵，此时既可在 天线阵列上采用矢量编码，也可并行传输几个标量码( 接收端利用干扰抵 消技术检测) 来逼近信道容量。矢量编码的复杂度随发射天线数的增加而 指数增加。虽然文献 1 3 】证明了任何一种协方差矩阵都可用几个标量编码实 现，从而降低了复杂度，但由于干扰抵消算法中存在错误传播现象，上述 4 两安电子科技人学博十学位论文一m l m 0 通信系统中的信号检测与预编码技术研究 方法并不实用。而波束成形技术能将m i m o 信道转换为单输入单输出信道， 既可降低复杂度，又不需要干扰抵消。因此，存在信道边信息时，能否利 用波束成形技术逼近信道容量就变得十分重要。文献 1 1 2 2 分别研究了不 同假设下，可逼近信道容量的最优发射信号的特点，以及利用波束成形技 术逼近信道容量的条件。 3 ) 相关衰落信道。天线之间的相关性受很多因素的影响，其中包括信道中的 散射环境、收发端之问的距离、天线形状和多谱勒频移【强2 6 1 。相关性对信 道容量的影响主要依赖于收发两端对该相关性的确知程度，即相关性有时 可以提高信道容量，有时则会降低信道容量【2 卯。另外，即使天线之间的相 关性很小，当信道衰落矩阵日的秩很小时，会出现所谓的“锁眼”( k e y h o l e ) 现象1 24 1 ，只是出现该现象的概率相对较小。 4 ) 频率选择性衰落信道。针对频率选择性衰落信道的空时信道容量的研究结 果还比较少。文献 2 8 】针对基于f 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 ) 的m i m o 传输系统，建立了相应的信道模型，并指 出接收端可准确估计信道信息时，频率选择性衰落信道下的遍历信道容量 和中断信道容量都比平坦衰落信道的大，且可获得更高的分集增益和复用 增益。文献 2 7 的测量结果表明，频率选择性衰落信道可获得高于平坦衰落 信道的中断信道容量，但对遍历信道容量的影响不大。 1 2 2 空时编码 作为能逼近多天线通信系统信道容量的一类新型编码技术，空时码成为近年 来的一个研究热点，它综合了空i 、日j 分集和时问分集的优点，同时提供分集增益和编 码增益。传统信道编码技术 3 0 , 3 1 1 的基本设计思想是在信息序列流中插入一定冗余， 达到纠错的目的，实质是利用一维的时f b j 资源获取时间分集。多天线信道下的编 码技术将上述思想推广到二维的情况，利用时l 日j 和空间二维资源实现编码，即空 时编码。 现有的空时编码方案可以分为以下几类： 1 ) 贝尔实验室分层空时( b l a s t ，b e l ll a b o r a t o r yl a y e r e ds p a c e t i m e ) 型空 时码【3 2 1 。这是目前已知的唯一一类可使频带利用率随发射天线数而线性增 加的编码方式。采用这种设计方案的典型例子主要包括：d b l a s t 、 v - b l a s t 、t h r e a d e d 空时码1 3 3 】以及t u r b o b l a s t 3 4 1 。b l a s t 系统是最早 的m i m o 系统模型，它是由b e l l 实验室于1 9 9 6 年提出的，该方法利用多 天线提供的( 独立) 并行信道传输信息，传输速率可随发射天线数线性增 加。 第一章绪论 5 2 ) 空时网格码( s t t c ，s p a c e t i m et r e l l i sc o d e ) 。这种方案是由a t & t 实验 室的t a r o k h 等在延时分集基础上结合网格编码调制( t c m ，t r e l l i sc o d e d m o d u l a t i o n ) 提出的【3 5 】。s t t c 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，能够达到编译码复杂度、性能和频带利用率之间的 ! 最佳折中。实际上，它是传统t c m 方案在多天线系统中的推广。文献 3 5 】 同时给出了s t t c 在不同信道环境下的设计准则，指出：在准静态衰落信 道下，需最大化差矩阵的秩和最小行列式值；在独立衰落信道下，需最大 化差矩阵的积距离和非零列数。 3 ) 空时分组码( s t b c ，s p a c e t i m eb l o c kc o d e ) 。这是种基于分组码的空 时编码机制，在编码中引入了正交矩阵设计理论。1 9 9 8 年，a l a m o u t i 在文 献 3 6 中提出一种利用两根发射天线的传输分集方案，文献【3 7 】将 3 6 】的结 果推广到多根收发天线的情况，根据广义正交设计原理，提出了正交空时 分组码( o s t b c ，o r t h o g o n a ls t b c ) 。但正交关系的引入也使得o s t b c 的频带利用率低。为了解决这个问题，文献 3 8 通过降低各发射信号之间的 j 下交性，设计一类准j 下交空时分组码( q o s t b c ，q u a s i o s t b c ) ；文献 3 9 ， 4 0 _ 9 1 i j 采用代数方法，利用信号星座图的旋转，在不损失分集增益的前提下 提高信息速率。 4 ) 酉空时码和差分空时码。b l a s t 、s t t c 和s t b c 是三种比较基本的空时 编码方式，适合于接收端采用相干检测方式。由于信道变化较快时，接收 端进行信道估计会非常困难，有时甚至根本无法估计。因此，如何设计不 需要信道估计的空时编码，即盲空时码，显得十分重要。酉空时码【9 ，4 1 ，4 2 】 和差分空时码m ，4 5 】就是根据这个要求提出的，适合于非相干信号检测。 在此基础上，人们又采用不同方法，利用串行或并行级联原理构造出了大量 的空时编码结构，主要包括： 5 ) 基于比特交织编码调制的级联空时码( s t - b i c m ，s p a c e t i m eb i t i n t e r l e a v e d c o d e dm o d u l a t i o n ) 4 6 - 4 8 】。这种空时码方案使用一个二进制纠错码，其输出 经适当的比特交织、调制与串并转换后，同时从多个发射天线并行发射出 去。在这种方案中，我们可以将纠错码与信号映射器看作一个串行级联码。 在接收端，与此相适应采用迭代检测与译码。 6 ) 级联s t b c 4 9 ，5 0 1 。在这种方案中，一个常规t c m ( 或t u r b ot c m 、s t t c ) 码用作外码，一个s t b c ( 或差分空时码) 用做内码，它们一起构成串行 级联码，s t b c 码的输出送入多根天线。接收机可以采用迭代译码策略以 改善系统性能。 7 ) 级联s t t c l 5 1 - 5 3 】。这种方案主要有两种设计：一种是使用两个递归s t t c 6 西安电子科技大学博十学位论文一m i m o 通信系统中的信号检测与预编码技术研究 - 按照t u r b o 原理构成并行级联空时码；另一种设计是使用一个二进制卷积 码或t u r b o 码、低密度校验码( l d p c ，l o w d e n s i t yp a r i t yc h e c k ) 码与一 个递归s t t c 进行串行级联。 上述空时编码方案，特别是基于t u r b o 原理和迭代译码设计的级联空时码达到 了较大的分集增益和编码增益，具有接近于受限输入的信道容量限的性能。考虑 到在中高s n r 时，保证最大的分集阶数并不是特别重要，文献f 5 4 1 采用互信息作 为设计准则( 不考虑任何分集准则) ，设计了一类高速率的线性空时码，称为线性 弥散( l d ，l i n e a rd i s p e r s i o n ) 码。l d 码将s t b c 和d b l a s t 作为它的设计特例， 却具有比两者优秀的性能。 另外，在上述方案中，b l a s t 型的m i m o 系统的频谱效率得到了显著提高， 而其它类型的空时编码系统的误码率得到了显著改善。它们代表了空时码对多天 线技术提供的分集和复用增益的不同利用方法。实际上，空间复用与分集可以被 合并使用，达到在最大化数据速率的同时保证每一个数据子流有一定的分集效果。 文献 5 5 1 指出，m i m o 系统可实现天线分集增益和空间复用增益的最佳折中，并分 析了o s t b c 和分层空时码的分集与复用的折中问题，认为两发射天线的o s t b c 可达到二者的最佳折中，而b l a s t 可获得最大的复用增益，但无法获得分集增益。 利用格( 1 a t t i c e ) 的概念，文献 5 6 】设计了一类可达到分集与复用最佳折中的空时 编码方法。 最后，针对频率选择性衰落信道，利用该信道提供的频率维资源，结合多天 线提供的空间和时间资源，提出了空频码( s f c ，s p a c e f r e q u e n c yc o d e ) 【5 7 ，5 8 1 和 空时频码( s t f c ，s p a c e t i m ef r e q u e n c yc o d e ) 【5 9 ，6 0 】的设计思想，可同时获得时 间、空l 自j 和频率三维资源提供的分集增益。 1 2 3 天线子集选择 由于射频器件一般比较昂贵，当天线数目很大时，硬件实现的代价将变得很 高甚至不可接受。为此，需要在所有的收发天线集合中选择一个规模更小的天线 子集进行信号传输【6 。文献 6 2 1 1 拘结果表明适当的天线子集选择，将有效地提高低 秩( 1 0 w r a n k ) 多天线信道的信道容量。而对于一般的多天线信道，采用合适的天 线子集选择策略相对于不采用任何选择算法的随机天线子集选择，也能够极大地 提高信道容引】。 若需要从根发射天线和m 根接收天线中分别选择，根发射天线和，根接收 天线，则采用最佳的多天线子集穷搜索算法的搜索数目为( r ) f ? 1 ，计算量过于巨 大。这里，f ：l 表示从门个样本中选择k 个样本所包含的选择算法的数目。因此， 各种低复杂度的快速天线子集选择算法纷纷被提出，这些快速算法的基本思想大 第一章绪论 7 一 都是以一定的性能损失为代价获得复杂度的降低。归纳起来，主要的天线子集选 择算法可以分为以下几类： 1 ) 基于范数的天线子集选择算法 “舶】。这种算法最早是针对单输入多输出和 多输入单输出系统提出的，它直接根据收发天线对应的行或列的范数选择 天线子集。当l 严l ，= 1 时，该算法具有最佳的性能。但是当推广到m i m o 系统时，该算法的性能并不是最佳的。特别是当信道矩阵中各行或列的相 关性较强时，该算法相对于最佳算法，信道容量有极大的下降。为此，文 献【6 7 提出一种修萨的选择算法，该算法同时考虑信道矩阵中行或列的范 数，以及各行或列之间的相关性。在高s n r 情况下，该算法具有接近最佳 算法的性能。 2 ) 基于信道容量( 互信息) 的天线子集选择算法。利用s h e r m a n m o r r i s o n 公 式，文献【6 8 】和【6 9 】分别采用逐天线递增和递减的方法实现了最大化信道容 量的天线子集选择算法。p h a n 和t e l l a m b u r a 则基于注水( w a t e r f i l l i n g ) 方 法实现了最大化互信息的天线子集选择算法1 7 0 1 。该算法相对于基于范数的 算法，虽然复杂度有所提高，但其性能却能够逼近最佳算法。 3 ) 基于接收端误码性能的选择算法。这类选择算法以接收端的误码性能为准 则，包括基于最大化接收端s n r 的选择算法【7 i 】和基于最小误码率的选择算 法1 72 1 ，适合于对服务质量( q o s ，q u a l i t yo f s e r v i c e ) 有特定要求的通信系 统。 其他的天线子集选择算法还有基于信道二阶统计量的方法【7 3 】和最近提出的几 何方法i7 4 j 等。 另外，利用实际系统中空时编码和接收机结构的特性，各种更加实用、具体 的天线子集选择算法纷纷被提出【7 5 川】。同时，天线子集选择对不同空时编码结构 性能的影响也得到广泛的分析。文献【7 9 针对m - p s k 调制的o s t b c ，推导了采用 天线子集选择时，比特错误率( b e r ，b i te r r o rr a t e ) 的一个闭合表达式。进一步， 文献 8 0 1 推导了采用天线子集选择时空时码成对错误概率( p e p ，p a i r w i s ee r r o r p r o b a b i l i t y ) 的一个上限，并掘此设计了一类适合天线子集选择的编码结构。文献 8 0 ，8 1 】还分析了天线子集选择对m i m o 系统分集度的影向，指出：当采用的空时 码满秩( f u l l r a n k ) 时，天线子集选择不会降低空时码的分集度，但编码增益会有 一定的损失( 存在一个上限) ；但对于秩亏( r a n k d e f i c i e n t ) 空时码，天线子集选 择将降低空时码的分集度。 1 2 4 单用户m i m o 预编码 预编码主要足指接收端和发射端之白j 存在反馈信道，发射端可利用得到的关 8 两安电子科技大学 尊十学位论文一m l m o 通信系统中的信号检测与预编码技术研究 于信道的边信息对发射信号进行预处理。在发射端采用预编码能够有效地降低发 射天线问的干扰并简化接收机结构。归纳起来，预编码技术可以分为线性预编码 技术【8 2 】与非线性预编码技术。 一种典型的非线性预编码技术是t o m l i n s o n h a r a s h i m a ( t h ) 预编码瞵川。该技 术利用判决反馈均衡( d f e ，d e c i s i o nf e e d b a c ke q u a l i z e r ) ( 信道矩阵q r 分解) ， 将m i m o 信道等效为多个并行子信道，同时引入一个功率增益矩阵对各子信道分 配功率。一般来说，非线性预编码技术虽然具有较优的性能但其复杂度远高于线 性方案，因此，线性预编码技术是目前单用户m i m o 预编码研究的主流，研究的 内容大致可分为以下几个方面： 1 ) 当发射端和接收端完全已知c s i ，线性预编码技术根据各种准则来设计发 射和接收波束或矩阵。文献 8 4 基于最大接收s n r 准则，让信号在最强的 子信道上进行发射。当采用最大信道容量( 最大互信息) 准则和最小均方 误差( m m s e ，m i n i m u mm e a ns q u a r ee r r o r ) 准则时，最优预编码方案先 把m i m o 信道分解为多个并行独立的子信道，然后对各子信道上的信号依 据注水或逆注水8 7 1 进行功率分配。需要指出的是，刚丌始基于m m s e 准则的预编码技术只考虑系统总的平均均方误差( m s e ，m e a ns q u a r e e r r o r ) 1 8 8 j ，而忽略了各个空问子信道上的平均m s e ，文献 8 9 】中根据最小 加权m m s e 准则得到了最优线性预编码以及相应的译码结构，通过设置不 同的加权值可以得到不同的最优预编码方案。另外，文献 9 0 1 根据最小b e r 准则设计了迫零( z f ，z e r o f o r c i n g ) 接收机下的最优预编码方案。 2 ) 当发射端部分已知c s i ，则需要采用鲁棒的方式来设计预编码。文献【9 l 】 采用最差情况最优化的思想来设计预编码矩阵或特征波束，虽然这种方案 保证了最差状态时的性能，但这种方式过于保守。因此，文献【1 4 ，2 0 研究 了实际信道参数为估计值条件下的平均分布时的预编码设计。 3 ) 由于预编码技术能够获得一定的波束形成增益，而空时码能够获得空| 白j 分 集增益，已有大量的文献研究如何联合设计预编码方案和空时编码。文献 9 2 对发射端完全已知c s i 或部分已知c s i 情形下按最小p e p 准则设计波 束形成和空时编码的结合方案，文献 9 3 1 讨论了发射端部分己知c s i 时最 大接收s n r 准则下波束形成与空时编码的联合设计问题。当发射端只有信 道均值反馈信息时，文献 9 4 】