（信息与通信工程专业论文）分层mimo系统接收技术研究.pdf

摘要 摘要 m i m o 技术最初由贝尔实验室提出，是一种改变通信产业面貌的突破性技术。 分层m i m o 系统以提高系统传输速率为主要目标，综合采用了先进的纠错码技术 和信号检测技术，具有克服现有系统传输瓶颈的能力，是当前m i m o 技术最主要 的一种应用方式。本文以分层m i m o 系统的接收处理技术为研究对象，对其所涉 及的几个关键问题，即无线衰落信道的仿真方法、外部信息转移函数的计算方法、 分层m i m o 系统的低复杂度迭代接收方法以及l d p c 码的构造方法进行了研究。 作者的主要工作可以概括为： 1 针对j a k e s 信道仿真器无法产生多个不相关衰落信道的缺点，提出了一种基于 主御子径划分的谐波叠加衰落信道仿真方法。该方法将多径称为主径，将主 径进一步划分为四条子径，主径参数随机产生且互不相关，而同一条主径内部 的四条子径具有固定的参数配置。在这种参数配置下，该主径子径划分方法 在谐波数目很少的情况下就可以产生满足c l a r k e 参考模型的不相关衰落信道。 2 分析了e x i t 函数的两种计算方法一直方图法和直接求均值法的特点。在此 基础上，给出了直接求均值法的适用条件。同时，针对直方图法在计算e x i t 函数时，所得结果的精度受直方图间隔宽度影响的问题，采用基于数据的最优 直方图改进了原有的方法。这种最优直方图可以根据对数似然比数据自适应地 选择最优的间隔宽度，进而获得精确的e x i t 函数。同时，这种方法使直方图 统计和e x i t 函数的计算一体化完成，无需人为选择参数，从而简化了计算过 程。 3 针对列表序列( l i s s ) 算法计算复杂度较高的问题，提出了选择性扩展l i s s 算法。该方法在进行检测树扩展时，利用先验信息从星座图中选择部分可能性 较大的节点进行扩展。与原始的l i s s 算法相比，由于扩展节点的大量减少， 使计算复杂度大为降低。此外，由于充分利用了先验信息，使选中进行树形扩 展的节点具有很高的可信性，因此在性能损失不大的情况下可以明显降低检测 方法的计算复杂度。 4 以e x i t 图作为主要的分析工具，分析了分层m i m o 迭代接收系统中的m i m o 检测器、纠错码译码器的外部信息转移特性。根据e x i t 图的分析结果，对混 合检测方法以及t u r b o 码的内部迭代译码进行了优化。在整体误码率损失 分层m i m 0 系统接收技术研究 o 1 0 3 d b 的代价下，优化后的方法使整个迭代接收系统的计算量减少了约1 3 。 5 提出了渐进边增长算法的两种基于平衡搜索树的快速实现方法。与基于标志位 的实现方法相比，基于平衡搜索树的方法在进行t a n n e r 图树形展开过程中动 态跟踪校验节点分层结构的变化。这样只需在建立到根节点的第一条连接边时 进行t a n n e r 图的树形展开，从而大大降低了计算复杂度。其中基于平衡搜索 树数组的方法，将基于到根节点距离的排序和基于连接度的排序解耦，进一步 降低了计算复杂度。这两种基于平衡搜索树的方法均可以实现长随机l d p c 码 的快速构造。 关键词：分层m i i v i o 系统迭代处理外部信息交换图最优直方图列表序列 算法混合检测方法渐进边增长算法平衡搜索树 a b s t r a c ti l l a bs t r a c t t h em u l t i i n p u tm u l t i - o u t p u t ( m i m o ) s y s t e m ，w h i c hi sf i r s t l yp r e s e n t e db yb e l l l a b o r a t o r y , i so n eo f t h el a n d m a r kt e c h n o l o g i e si nc o m m u n i c a t i o n a i m i n ga ti n c r e a s i n g t h es y s t e mt r a n s m i s s i o nr a t e ，t h el a y e r e dm i m oc a l lb r e a kt h et r a n s m i s s i o nb o t t l e n e c k o ft h ec u r r e n ts y s t e mb yu s i n ga d v a n c e de r r o r - c o r r e c t i n gc o d ea n ds i g n a lp r o c e s s i n g t e c h n o l o g y , a n db e c o m e st h em a i n s t r e a mo fm i m ot e c h n o l o g y t h i sd i s s e r t a t i o ns t u d i e s t h er e c e i v e ro ft h el a y e r e dm i m os y s t e ma n df o c u s e so ni t ss e v e r a lk e yp r o b l e m s ，i e t h es i m u l a t i o no fw i r e l e s sf a d i n gc h a n n e l ，t h ec o m p u t a t i o no fe x t r i n s i ci n f o r m a t i o n t r a n s f e r ( e x i t ) f u n c t i o n , l o wc o m p l e x i t y i t e r a t i v e p r o c e s s i n ga l g o r i t h m a n d c o n s t r u c t i o nm e t h o do f t h el d p cc o d e t h ea u t h o r sm a j o rc o n t r i b u t i o n sa r ea sf o l l o w s ： 1 t oo v e r c o m et h ef a u l tt h a tt h ej a k e s f a d i n gc h a n n e ls i m u l a t o rc a n tp r o d u c e m u l t i p l eu n c o r r e l a t e dc h a n n e l s ，as u m o f - s i n u s o i d sm e t h o db a s e do nd i v i d i n ge a c h m a j o r - p a t hi n t o4s u b p a t h si sp r e s e n t e dt os i m u l a t ew i r e l e s sf a d i n gc h a n n e l t h i s m e t h o ds e t st h ep a r a m e t e r sa sf o l l o w s ：t h ep a r a m e t e r so fm a j o r - p a t ha r ep r o d u c e d r a n d o m l ya n ds t a t i s t i c a lu n c o r r e l a t e dw i t he a c ho t h e r , a n dt h e4s u b - p a t h sa s s o c i a t e d 、航t l lam a j o r - p a t hp o s s e s sf i x e dp a r a m e t e rc o n f i g u r a t i o n t h es i m u l a t i o nm e t h o d 、析m t h i sc o n f i g u r a t i o nc a np r o d u c eu n c o r r e l a t e dc h a n n e l st h a ts a t i s f yt h ec l a r k er e f e r e n c e m o d e lw i t hf e wn u m b e r so fs i n u s o i d 2 t w om e t h o d sf o rc a l c u l a t i n gt h ee x i tf u n c t i o n ，i e t h eh i s t o g r a mm e t h o da n d t h ed i r e c ta v e r a g em e t h o d ，a r ea n a l y z e di nd e t a i l ，w h e r et h ea p p l i c a t i o ns c o p eo ft h e d i r e c ta v e r a g em e t h o di sa l s og i v e n t os o l v et h ep r o b l e mt h a tt h ep r e c i s i o ni sa f f e c t e d b yt h eb i nw i d t ho fh i s t o g r a m ，ad a t a - b a s e do p t i m a lh i s t o g r a mi sa d o p t e d t oi m p r o v et h e a v a i l a b l em e t h o d t h eo p t i m a lh i s t o g r a mc a na d a p t i v e l ya d j u s tb i nw i d t ha c c o r d i n gt o t h el o g - l i k e l i h o o dr a t i o ，a n dt h e nr e s u l t si nap r e c i s ee x i tf u n c t i o n m o r e o v e r , t h i s i m p r o v e dm e t h o ds i m p l i f i e st h ec o m p u t a t i o np r o c e d u r es i n c e i t i n c o r p o r a t e st h e h i s t o g r a mo p e r a t i o na n dt h ee x i tf u n c t i o nc a l c u l a t i o nw i t h o u tm a n u a ls e l e c t i o no f p a r a m e t e r s 3 t or e d u c et h ec o m p u t a t i o nc o m p l e x i t yo ft h el i s ts e q u e n t i a l ( l i s s ) a l g o r i t h m ，a s e l e c t i v ee x t e n d e dl i s s ( s e - l i s s ) a l g o r i t h mi sp r e s e n t e d t h es e - l i s sa l g o r i t h m s e l e c t ss o m ep o i n t sw i t h h i g hr e l i a b i l i t y f r o mt h ec o n s t e l l a t i o nu s i n g a - p r i o r i i v 分层m i m o 系统接收技术研究 i n f o r m a t i o nt oe x t e n dt h ed e t e c t i o nt r e e c o m p a r e dw i t ht h ee x i s t e dl i s sa l g o r i t h m ，i t s c o m p l e x i t yi sd r a m a t i c a l l yr e d u c e ds i n c et h ee x t e n d e dp o i n t sa r eg r e a t l yr e d u c e d i n a d d i t i o n ，b yf u l l ye x p l o i t i n gt h ea - p f i o r ii n f o r m a t i o n ，t h eh i g hr e l i a b l ep o i n t sa r eu s e d f o re x t e n d i n gt h ed e t e c t i o nt r e e ，s ot h a tt h ec o m p u t a t i o nc o m p l e x i t yo ft h ed e t e c t i o n m e t h o di so b v i o u s l yr e d u c e dw i t hl i t t l ep e r f o r m a n c el o s s 4 t h ee x i tc h a r ti su s e da st h em a i nt o o lt oa n a l y z et h ee x t r i n s i ci n f o r m a t i o n t r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c so fm i m od e t e c t o ra n de r r o rc o r r e c t e dd e c o d e r , b o t ho fw h i c ha r e k e yc o m p o n e n t so ft h ei t e r a t i v er e c e i v e ro fl a y e r e dm i m os y s t e m b a s e do nt h er e s u l t s o fe x i tc h a r ta n a l y s i s ，t h eh y b r i dd e t e c t i o na n di n t e r n a li t e r a t i v ed e c o d i n go ft u r b o c o d ea r eo p t i m i z e d ，t h eo p t i m i z e dm e t h o dc a l lr e d u c et h ec o m p u t a t i o no ft h ew h o l e i t e r a t i v er e c e i v e rs y s t e mb y1 3a tt h ec o s to fb e rl o s so 1 - 0 3d b 5 t w of a s t ，b a l a n c e ds e a r c ht r e eb a s e di m p l e m e n t a t i o n so ft h ep r o g r e s s i v e e d g e - g r o w t h ( p e g ) a l g o r i t h m a r ep r e s e n t e d c o m p a r e dw i t ht h ei n d i c a t o rb a s e dm e t h o d ， t h eb a l a n c e dt r e eb a s e dm e t h o d st r a c et h ed y n a m i cc h a n g eo ft h ec h e c kp o i n t s l a y e r s t r u c t u r ed u r i n gt h et r e ee x t e n s i o no ft h et a n n e rg r a p h i nt h i sw a y , t h et r e ee x t e n s i o n o p e r a t i o no ft h et a n n e rg r a p hi sn e e d e do n l yw h e n t h ef i r s te d g el i n k e dt ot h er o o tn o d e i ss e tu p ，s ot h ec o m p u t a t i o nc o m p l e x i t yi sg r e a t l yr e d u c e d t h es e c o n dm e t h o d ，w h i c h a d o p t sa na r r a yo fb a l a n c e dt r e e ，r e d u c e st h ec o m p l e x i t yf u r t h e rb yd e c o u p l et h es o r t i n g a c c o r d i n gt ot h ed i s t a n c ef r o mt h eo n ea c c o r d i n gt ot h ed e g r e e b o t ho ft h e s et w o b a l a n c e dt r e eb a s e di m p l e m e n t a t i o n so fp e ga l g o r i t h mc a nf a s tc o n s t r u c tl o n g c o d e - l e n g t hr a n d o ml d p c k e yw o r d s ：l a y e r e dm i m os y s t e m ，i t e r a t i v ep r o c e s s i n g ，e x t r i n s i ci n f o r m a t i o nt r a n s f e r c h a r t ， o p t i m a lh i s t o g r a m ，l i s ts e q u e n t i a la l g o r i t h m ，h y b r i dd e t e c t i o na l g o r i t h m ， p r o g r e s s i v ee d g e - g r o w t ha l g o r i t h m ，b a l a n c e ds e a r c ht r e e 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 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，除了本文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容外，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做了明确的说明并表示了谢意。 本人签名：签壁日期：竺竺墨竺：! 至 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：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。( 保密的论文在解 密后遵守此规定) 太 答幺甫、暴 本人签名：i 鱼：坠 导师签名： 乌欠矽盆 导师签名：么、堂 日期：型：! ! ：! 垒 第一章绪论 第1 章绪论 摘要：本章首先介绍了当前无线通信的发展趋势、面临的挑战以及相应的应对技 术。重点分析了日益增长的各种需求与物理环境限制之闻的矛盾、下一代无线通 信的技术趋势以及m i m o 技术的技术特点、分类和主要的研究热点问题。本章后 半部分介绍了本文的主要研究内容、作者的主要工作以及各章节的内容安排。 1 1 无线通信面临的挑战与发展趋势 随着人类社会的发展和进步，信息的获取、传输和消费已经在人类生活中占 据举足轻重的位置。移动通信作为一种快速、便捷、可靠的通信方式，能解决人 们在活动中与固定终端或其他移动终端进行通信联系的需求，已经成为人们在信 息获取和交流中不可或缺的重要工具。目前，人类“任何时间( w h e n e v e r ) 、任何地 点( w h e r e v e r ) 、都能与任何人( w h o e v e o 交流信息 的个人通信n 埯】愿望促使着移动通 信技术得以不断向前发展。随着无线通信技术的飞速发展，人们对无线网络的性 能和数据传输速率的要求也越来越高下一代移动无线通信系统的主要目标是提 高网络容量和链路的数据吞吐量建立一个无处不在的无线通信系统以及提供一 个无缝链接的高质量无线服务。因此伴随着世界范围内的信息科技革命，通信技 术正以前所未有的速度在发展和更新。 1 1 1当前无线通信面临的严峻挑战 伴随着由第一代的模拟通信发展到第二代的数字通信，以至今天开始部署的 3 g 系统5 6 1 ，无线通信技术和产业都取得了巨大的成功。然而，作为信息技术 ( i n f o r m a t i o n t e c h n o l o g y ，i t ) 产业重要组成部分的无线通信，正面临着日益严唆 的挑战，根源在于日益增多的各种需求与客观资源、条件限制之间的巨大矛盾。 1 1 1 1 日益增长的各种需求 系统容量、传输速率与网络覆盖的需求未来的移动通信系统必须具有 很大的系统容量以支持日益增长的用户数量，同时还要提供很高的传输速 2 分层m i m o 系统接收技术研究 率以及对复杂环境，如大型建筑物内外、繁华市区和边远郊区的良好覆盖， 这二者是在“任意地点 提供良好用户体验的关键。然而，大系统容量、 高传输速率和广泛覆盖之间存在尖锐的矛盾。如：增加系统容量会导致单 个小区服务的用户增多，加剧用户间干扰；缩小小区覆盖范围可以增加系 统容量，但是会加剧小区间干扰的强度并增加跨区切换的负担。 广泛支持多种不同类型业务的需求随着无线通信传输速率的提升以 及终端产品的进步，以前主要由个人电脑进行的，移动通信不能开展的许 多业务现在都可以开展了。而且，新的业务类型层出不穷，难以预料。因 此，无线通信系统在具备高速数据传输能力的基础上还必须能够广泛支持 各种不同类型的业务。 灵活配置，适应多种不同的部署需求并具备平滑升级的能力当前，无 线通信系统的部署场景越来越复杂，限制条件越来越多，新的无线通信系 统必须能够适应并满足这些条件。同时，无线通信技术发展飞快，系统必 须具备在一定条件下，一定时间范围内向新系统平滑演进、升级的能力。 低研发、部署以及升级、维护成本的需求成本因素越来越成为影响设 备制造商闻、移动业务运营商间相互竞争的一个关键因素。因此，在进行 无线通信技术方案选择、系统产品研发时，必须充分考虑研发、部署以及 升级维护成本。 1 1 1 2 物理条件的限制 另一方面，现实的物理条件对无线通信系统提出了很多限制，仅仅在电波传 播环境和频谱资源这一部分就有如下的限制： 复杂的电波传播环境移动终端可能位于各种环境中，电磁波在传播时 会产生反射、折射、散射和绕射等现象，并带来多径效应和多普勒效应等， 使信号受到衰落和畸变； 无线媒质的开放性无线通信受到噪声和各种外界干扰的影响，如在城 市环境中的汽车火花塞噪声、各种工业噪声，移动用户之间的互调干扰、 邻道干扰、同频于扰等； 有限的频带资源无线电频谱是一种宝贵资源，随着移动通信的飞速发 展，急剧增加的频带需求会导致频率严重短缺的现象； 受限的信号发射功率从延长移动用户设备的电池寿命、绿色环保、或 第一章绪论 者设备成本的角度考虑，一般发射机的功率是受限的。 1 1 2 当前无线通信系统的发展趋势 为了应对上述挑战，当前无线通信系统呈现出如下的发展趋势： 1 1 2 1 技术融合化 当前，无线通信系统的发展已经超越了第一、二代系统时由少数几个厂商或 组织主导、不同国家地区存在多个不同标准的阶段，无论从纯技术还是从标准化 进程来看都已经开始走一条融合化之路。这主要由以下两个方面的原因决定的： 第一，需求所提出的很高的技术指标，如：系统容量、传输速率和频谱利用率等， 使基础技术方案的选择余地变得很小，可供选择的往往只是配置方法、参数等细 节问题；第二，随着系统越来越大、越来越复杂，单个或少数的企业或组织很难 再像以前那样掌控技术标准的全部，而处在整条产业链上的各个企业也需要单一 方案，以便有效降低研发成本和风险。在这种情况下，由多个国家、地区的专业 协会、以及众多设备商、运营商组建了标准化组织一3 g p p ( 3 r dg e n e r a t i o n p a r t n e r s h i pp r o j e c t ) ，来共同负责技术标准的制订与维护。在3 g p p 已制订的标准 规范版本4 ( r e l e a s e 4 ) 中，已经实现了w c d m a 和t d s c d m a 标准的融合阳， 随着由高通公司主导的3 g p p 2 宣布放弃向u m b ( u l t r am o b i lb r o a d b a n d ) 技术的 演进，转而支持向3 g p p 的未来演进方案i 肛! 演进，整个无线通信很有可能在 不远的未来最终统一到l t e 下。 1 1 2 2 系统结构简单化、扁平化和全口网络 随着系统复杂度的提高，以前电信设备那种复杂的层次结构逐渐被摒弃，转 而采用具有计算机网络特点的扁平化系统结构。同时，在经历a t m 和i s d n 的失 败之后，全p 无线网络已经成为共识。在这种情况下，无线系统的结构得到了很 大的简化。通过球化实现与上层业务完全分离，无线网络仅仅负责数据的传输( 具 体来说是无线接入) 。这样不仅仅大大简化了系统复杂性，而且与上层业务的分离 使其具备支持各种业务的能力和灵活性。同时，上层业务的实施也大为简化，只 需关注在i p 层上的操作即可。 1 。1 2 3 传输宽带化、协作化、智能化 为了实现高数据传输率，毫无疑问必须加宽工作带宽；同时，为了提高频率 4 分层m i m o 系统接收技术研究 利用率，还必须采用多天线的多输入多输出( m u l t i i n p u tm u l t i o u t p u t ，m i m o ) 技术等一系列技术。其中，为了克服由宽带传输引起的强烈的码间干扰 ( i n t e r - s y m b o l - i n t e r f e r e n c e ，i s i ) ，正交频分复用( 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 n m u l t i p l e x i n g ，o f d m ) 以及单载波频分多址1 7 5 】( s i n g l e c a r t i e rf r e q u e n c y d i v i s i o n m u l t i p l ea c c e s s ，s c f d m a ) 分别被选为l t e 中下行和上行的传输方案。在 l t e a d v a n c e d 中，为了进一步提高传输速率、降低干扰、改善网络覆盖，除了单 纯的物理层技术以外，越来越多的网络层协作调度技术被标准采纳，如小区间干 扰协调( i n t e r - c e l li n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o ni c i c ) ，协作多点( c o o p e r a t em u l t i p o i n t ， c o m p ) 传输。除此之外，学术界最新研究成果如认知无线电( c o g n i t i v er a d i o ， c r ) 也得到了一定的应用。 1 2m i m o 技术分类与检测方法 在物理层传输技术中，m i m o 加o f d m 被认为是一种非常理想的组合。这是 因为：m i m o 技术本质上是针对窄带系统提出的，不适合直接应用于宽带系统。 o f d m 可以将频率选择性衰落的宽带信道转换为一组频率平衰落的窄带子信道， 能有效地克服高速率数据传输中严重的码问干扰问题，从而为m i m o 技术的应用 提供一个很好的平台；m i m o 技术又可以为o f d m 系统提供明显的分集增益( 空 时编码技术) 或者增加系统容量( 空分复用技术) 。在物理层合理的使用m i m o - - o f d m 技术可以有效地提高系统的整体性能，因此，m i m 0 一o f d m 被认为是今 后无线通信系统物理层的核心技术。现在，世界范围内高校和学术机构以及各大 厂商均开始对m i m o o f d m 技术展开大规模深入的研究，取得了一系列的研究 成果，部分研究成果已经进入产品开发的实用阶段。尽管如此，由于系统的复杂 性，以及软硬件实现的限制，还有许多问题有待进一步深入研究、解决。 1 2 1m i m o 技术分类 m i m o 技术是指在基站端和移动用户端配备有多个发送接收天线的传输技 术。通过在基站端和移动用户端装配的多个发送接收天线，可以使得各发送天 线和接收天线间形成多个并行的，可能不相关的通信通道，这使得m i m o 系统的 系统容量在不增加频谱带宽的同时获得随天线数目呈线性增加的能力。m i m o 技 术由于扩展了以往移动通信技术中信号承载的自由度，即增加了空间维自由度， 第一章绪论5 在没有额外占用频段以及时间的情况下可以达到更高的通信速率和更好的通信质 量，因此受到业界的广泛关注。 由于在发送端和接收端都拥有多天线资源，m i m o 可以被配置成许多不同的 工作模式，以获得容量增益和分集增益。目前，m i m o 主要分为三类技术1 4 。 第一类m i m o 技术是通过分层处理方法来获得高容量增益，其中以f o s c h i n i 等提出的贝尔实验室分层空时( b l a s t ，b e l ll a b sl a y e r e ds p a c e t i m e ) 系统为代表。 f o s c h i n i 首先在1 9 9 6 年提出了对角b l a s t ( d b l a s t ) 系统。该d b l a s t 系统可 以获得近香农限的容量，但是需要复杂的发射机和接收机。随后，垂直 b l a s t b l a s t ) 系统被提出f 3 6 翊，它是对d b l a s t 的简化。v - b l a s t 具有简 单的发射机，直接将数据串并转换后分到各天线，而不像d b l a s t 引入天线间的 编码。同时，v - b l a s t 通过排序串行干扰抵消( o s i c ，o r d e r e ds u c c e s s i v ei n t e r f e r e n c e c a n c e l l a t i o n ) 的检测方法，有效地在接收端恢复发送数据。但是，v - b l a s t 相对 d b l a s t 损失了部分容量增益。在获得高空间复用增益的同时，b l a s t 引入了天 线层间的串扰。为了在复杂度和性能之间折衷，对b l a s t 检测方法的研究成为当 前热点问题之一。近几年，有学者提出来t u r b o b l a s t ( t u r b o m i m o ) 。 t u r b o b l a s t 在发送端进行比特交织处理，类似d - b l a s t ，但是避免了d b l a s t 的空时块浪费。在接收端，通过软检测器( 也称为内解码器) 和软解码器( 也称为外 解码器) 的迭代检测，极大提高了系统的误比特率( b e r ，b i te r r o rr a t e ) 性能，同时 也可获得较高的容量增益，但是其主要缺点是复杂度过高。 第二类m m o 技术通过空时编码方法来获得高分集增益，其中最重要的两种 空时编码是空时分组编码( s t b c ，s p a c e t i m eb l o c kc o d i n g ) 和空时网格编码 ( s t t c ，s p a c e t i m et r e l l i sc o d i n g ) 。s t b c 具有低于s t t c 的复杂度，s t t c 则考 虑了前后输入数据的关联性，因此具有更好的性能。表1 1 比较了s t b c 与b l a s t 在不同环境下的适用性。 第三类m i m o 技术是根据在发送端已知的信道信息来提高m i m o 系统的性 能，是一种闭环m i m o 系统。当发送端完全已知信道状态信，g ( c s i ，c h a n n e ls t a t e i n f o r m a t i o n ) 时，可以通过注水( w f ，w a t e rf i l l i n g ) 法来提高m i m o 容量。虽然w f 在信息容量上是最优的，但在实际应用中并不一定是最优的。利用完全的c s i 来 优化b e r 性能的方法也已受到广泛的关注。但是，这种方法的缺点也是非常明显 的，就是可实现性不高和较大的反馈开销。还有，在频分双i ( f d d ，f r e q u e n c y d i v i s i o nd u p l e x ) 系统中，利用反馈信道获得完全c s i 是非常困难的。另一方面， 虽然在时分双t ( t d d ，t i m ed i v i s i o nd u p l e x ) 系统中不需要反馈，但也只有当收发 6分层m i m 0 系统接收技术研究 的“乒乓”时间短于信道相关时间，c s i 才是有效的，这在移动通信系统的设计中 还是具有一定难度的。为了解决反馈开销的问题，众多学者提出了许多方案，其 中包括部分c s i 反馈，信道统计特性反馈，功率、速率及天线集合的反馈等。 表1 1s t b c 与b l a s t 在不同环境下的适用性 s t b c b l a s t 数据速率不适用高速率适用 分集增益 适用 不适用高分集 空间相关信道适用不适用高相关信道 信道估计误差不敏感对严重的信道估计误差敏感 视距传播适用不适用 收发天线数目没有要求接收天线数目大于或等于发 射天线数目 实际应用中的m i m o 技术，主要是以提高传输速率和频谱利用率为主要目标， 因此，主要采用分层处理，即空分复用模式的m i m o 技术。下面对此进行详细的 介绍。 1 2 2 空分复用m i m o 系统及其检测方法 1 2 2 1b l a s t 系统框图 b l a s t 系统是一种典型的空分复用m i m o 系统，也是最早出现的m i m o 系 统架构之一。b l a s t 系统配置r 根发送天线和，根接收天线( n ，f 。如图 1 1 所示，在发送端，数据流在发射机中经过调制，串并转换，空时编码等处理流 程，形成f 路独立的子流在各个天线上发送；接收端在接收机中根据信道估计的 结果进行空时解码，多天线检测，再解调，经过并串转换输出。 发 输入 射 机 发 送 天 线 接 收 天 线 图1 1m i m o 系统框图 一乡沁乡 第一章绪论 7 接收端接收到的信号矢量为：，= k ，2 ，】r 表示为： ，= h x + 疗( 1 一1 ) 其中x = k 砭x 辨r 表示归一化能量的发射信号矢量。x 中的分量均取自星座点集 合z ，h 表示r f 的信道矩阵，其第i 行第j 列元素表示第，根天线发送到第 f 根天线的信道增益。信道矩阵的元素均假设为均值为0 ，方差为1 的独立同分布 复高斯随机变量，噪声向量中的元素也假设为的复高斯随机变量，且彼此之间相 互独立。 1 2 2 2 m i m o 信号检测算法 空分复用m i m o 系统中的接收端检测算法通常首先由接收符号矢量，得出对 发送符号矢量工的估计譬，然后对估计譬的各个元素分别独立地进行量化解调判 决。m i m o 检测算法可分为三种：线性检测器m d ，l i n e a rd e t e c t i o n ) ，最大似然检 i 贝u ( m l d ，m a x i m u ml i k e l i h o o dd e t e c t i o n ) 和判决反馈检测( d f d ，d e c i s i o nf e e d b a c k d e t e c t i o n ) 。 l d 建立z 与，之间的线性关系，包括迫零加权( z f ，z e r of o r c i n g - n u l l i n g ) 检测 和最小均方误差加权( m m s e ，m i n i m u mm e a ns q u a r ee r r o rn u l l i n g ) 检测。线性检测 算法复杂度低，在m i m o 系统中，可以通过加入排序干扰对消( o s i c ，o r d e r e d s u c c e s s i v ei n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o n ) 处理来提高检测性能，然而迭代过程中的矩阵 求逆运算却带来复杂度的增加以及数值稳定性的问题。 m l d 的检测性能最优，但是算法复杂度最高，不易于实用。m l d 的算法复 杂度随着发送天线数目和调制阶数呈指数增长。近几年，球形译码算法被提出以 降低m l d 的算法复杂度，但这种算法在天线数目和调制阶数变大时，复杂度依然 增加明显。 d f d 的检测性能优于l d ，复杂度低，数值稳定性好。通过排序处理，还可以 进一步提高性能。其中，最小均方误差判决反馈检测( m m s e d f d ，m i n i m u mm e a n s q u a r ee r r o r - n u l l i n gd e c i s i o nf e e d b a c kd e t e c t i o n ) 算法在信道环境较好，即高信干噪 比( s i n rs i g n a lt oi n t e r f e r e n c ea n dn o i s er a t i o ) 较高的条件下，能获得接近m l d 的 检测性能。 综合考虑算法的实际性能和复杂度，以线性检测为基础，结合纠错码译码处 理进行基于软信息的迭代检测译码处理将是一种可行的选择，这种方法可以在性 能和算法复杂度之间获得合适的折衷。 8 分层m 1 0 系统接收技术研究 1 2 2 3 基于软信息的迭代检测算法 迭代检测系统通常由软输入软输出( s o f t i n p u ts o f t o u t p u t ，s i s o ) 检测器和 s i s o 译码器级联而成，迭代检测系统的信号检测器与传统的信号检测器相比较具 有如下的两个特点： 迭代检测系统中的检测器采用软判决检测。传统的检测系统中，检测器根 据接收信号和信道信息对发射信号进行硬判决，然后将判决结果传递给译码 器。事实上，同硬判决译码器一样，硬判决检测丢失了许多有利于译码的信 息。软判决检测器输出的是发送符号的概率值和未量化的输出，因此s i s o 译 码器可以利用这些信息与编码信息综合进行判决，从而可以提高检n 译码的 整体性能。 迭代检测系统中的检测器能够利用s i s o 译码器提供的软信息来提高检测 性能。传统的检测系统将检测器与译码器看成独立的两部分，而迭代检测系 统采用整体的观点来体化解决检测和译码过程。不仅仅是检测器提供给译 码器先验信息来辅助译码，s i s o 译码器输出的软判决信息也反馈给检测器， 辅助检测器得到更可靠的检测结果，这个过程互相推进，直到达到译码结果 的收敛。由于是将一个很复杂的系统分为两部分进行，所以可以有效地降低 复杂度，同时由于检测器和译码器之间交换的是软信息，这中间不存在( 或 存在很小的) 信息损失，所以最终的性能可逼近m l d 检测。 与迭代接收机的结构相关，当前学者研究的迭代检测系统主要从两个方面入 手： 1 ) 从检测器的角度来考虑，研究低复杂度的准最优s i s o 检测算法。由于最优s i s o 检测算法( 即m a p 检测算法) 的计算量过于巨大，难以实用，学者们普遍转向研 究一些新的准最优s i s o 检测算法，这些准最优算法需要满足两个方面的要求，即： 在性能上接近最优检测方法，同时，算法的计算复杂度远远低于m a p 算法。从上 个世纪9 0 年代中期开始，这方面的研究取得了一系列的成果，提出了多种准最优 s i s o 检测算法，主要可以分为以下两类： 对基于最大后验准则( m a x i m u map o s t e r i o r i ，m a p ) 的检测算法加以改 进的准最优s i s o 检测算法。m a p 检测算法需要对严1 种矢量信号进行搜索， 其中，口是调制信号星座点的点数，m 为发射天下的数目，这样的计算量实 际使用中难以接受。考虑到在这q 舭1 种信号中，不同信号对信号检测器输出 结果的影响是不一样的。那些与发射信号相同或相近的信号对检测器输出结 第一章绪论9 果的影响较大，故基于m a p 算法的准最优s i s o 检测算法的基本思想是：先 对所有信号进行一次遴选，然后再由那些对输出结果影响较大的信号矢量来 计算检测器的输出。这样，在保证检测性能的前提下，可以降低检测算法的 复杂度，这类算法主要包括各种列表算法如列表球形检测，列表序列算法， 迭代树搜索方法等。 基于高斯逼近的准最优s i s o 检测算法，这类方法以软干扰对消最小均 方误差算法( s o f t i n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o np