（通信与信息系统专业论文）lte系统中mimo检测算法的研究.pdf

摘要 摘要 l i l ll ii i i fii i iii ii fiil y 2114 9 4 0 l t e ( l o n gt e r me v o l u t i o n ，长期演进) 技术被称作“准4 g ”技术，它以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 ) 和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 n m u l t i p l e x i n g ) 为核心技术，主要致力于开发满足“更高的传输速率”、“更低的 延迟”、“更小的运营费用”以及“更大的系统容量”的通信系统。m i m o 技术使 得空间资源得到充分的丌发，能在不增加带宽的情况下把多径衰落有效的利用起 来，通过收端和发端采用多根天线进行信号的接发来成倍的增加系统的频带利用 率，提高了系统的可靠性，并且使系统的误码率能够有效的降低。检测算法和 m i m o 技术相结合，可以更好的提高系统的传输性能、传输效率，于是，检测算 法的研究也成为了新的研究热点。 本毕业论文主要对l t e 系统中的下行共享信道接收机中基于空间复用形式 的m i m o 检测算法进行研究，首先对l t e 协议和m m o 系统进行简单的介绍， 对这些基本概念进行初步的了解，然后分析了m i m o 的系统模型，了解其人致 结构，并对传统的几种经典的m i m o 检测算法进行了说明。通过研究知道，在 m i m o 检测算法中，最大似然检测算法是最优的检测算法，但是由于它的复杂度 随着天线数目的增加呈现指数的增加，所以复杂度很高，无法在实际中应用。对 于那些经典的相对简单的检测算法用m a t l a l 3 软件给出了仿真结果，并做了对 比分析。 目前的检测算法都是逼近m l ( m a x i m u ml i k e l i h o o d ) 检测算法的研究，但! 是并没有在复杂度和性能之间进行一个很好的折中，本文基于传统的检测算法进 行改进，介绍了两种改进的检测算法一p r e d e m l 检测算法和圆搜索检测算法。 p r e d e m l 检测算法使得系统的性能较其它的检测算法得到了改善，但是其复杂 度还是没有得到很好的降低，因此，本文针对复杂度问题进行了进一步的优化， 给出了一种圆搜索检测算法，仿真结果表明，这种检测算法实现了在性能和复杂 度之间的一个折中，对通信系统接收端的m i m o 检测具有一定的应用价值。 关键字：m i m o ；l t e ；迫零检测算法；最小均方误差检测算法：最大似然检测 算法 a b s t r a c t m i m oa n do f d mi st h ec o r et e c h n o l o g yo fl t e t e c h n o l o g y , t h e ya r ec a l l e d “f u t u r e4 g ”t e c h n o l o g y , i t m a i n l yd e v o t e st od e v e l o pt h ec o m m u n i e a t i o n ss v s t e mt h a t m e e t i n gt h e ”h i g h e l t r a n s m i s s i o nr a t e ”，”m o r el o wl a t e n c y ”，”m o r es m a l lo p e r a t i o n e x p e n s e s ”a n d ”g r e a t e rs y s t e mc a p a c i t y ”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 ) t e c h n o l o g ye x p l o i ts p a c er e s o u r c e sf u l l y , i tc a nt a k ea d v a n t a g eo ft h em u l t i p a t hf a d i n g w i t h o u ta n yi n c r e a s ei nb a n d w i d t hf u l l y m i m oc a ni n c r e a s et h ef r e q u e n c v u t i l i z a t i o n e x p o n e n t i a l l y 、i m p r o v et h er e l i a b i l i t ya n dr e d u c et h eb i te r r o rr a t ee 行e c t i v e i vo f s y s t e mb yr e c e i v i n ga n ds e n d i n gs i g n a l sw i t hm a n ya n t e n n a s t h ei n c o r p o r a t i o no f d e t e c t i o na l g o r i t h ma n dm i m o t e c h n o l o g yc a ni m p r o v et h et r a n s m is s i o np 晌m a n c e a n de f f i c i e n c yo ft h es y s t e mb e t t e r , s ot h er e s e a r c hb e c o m e s an e w h o t p o to nd e t e c t i o n a l g o r i t h m t h i st h e s i sm a i n l yr e s e a r c h e so nm i m od e t e c t i o na l g o r i t h mb a s e so ns d a t i a l m u l t i p le x i n gr e c e i v e ro fp d s c hi nl t es y s t e m ，f i r s t l y , i n t r o d u c e ss o m eb a s i c c o n c e p t sb yi n t r o d u c i n gl t ea g r e e m e n ta n dm i m o s y s t e mp r e l i m i n a r y u n d e r s t a n d st h e s eb a s i cc o n c e p t si n i t i a l l y ；s e c o n d l y , r e a l i z e st h eg e n e r a ls t r u c t u r eb v a n a l y z i n gt h es y s t e mm o d e lo ft h em i m o ，a n dr e c o m m e n d ss o m ec l a s s i c a lm i m o d e t e c t i o na l g o r i t h m s t h em a x i m u ml i k e l i h o o dd e t e c t i o ni st h eo p t i m a ld e t e c t i o ni n t h ed e t e c t i o n a l g o r i t h mb yr e s e a r c h i n g ，b u ti th a sh i g hc o m p l e x i t yb e c a u s ei tp r e s e n t s i n d e xa d d i t i o na l o n gw i t ht h ea d d i t i o no ft h ea n t e n n a s n u m b e r ，s oi tc a n n o tb ea p p l i e d i np r a c t i c e t h i st h e s i sp r o v i d e st h es i m u l a t i o nr e s u l tb ym a t l a bs o f l w a r ea b o u tt h a t c l a s s i ca n ds i m p l ed e t e c t i o na l g o r i t h mr e l a t i v e l y , a n dm a d et h ec o r r e s p o n d i n g a n a l y s i s t h ec u r r e n td e t e c t i o na l g o r i t h m i sr e s e a r c h i n go na p p r o a c h i n gm ld e t e c t i o n a l g o r i t h m ，b u t c a nn o tr e a l i z e t h e c o m p r o m i s e b e t w e e nt h e c o m p l e x i t va n d p e r f o r m a n c e t h i st h e s i si n t r o d u c e st w oi m p r o v e dd e t e c t i o na l g o r i t h m sw h i c ha r e p r e d e - m ld e t e c t i o na l g o r i t h ma n dc i r c l es e a r c h i n gd e t e c t i o na i g o r i t h m t h es v s t e m p e r f o r m a n c eo fp r e d e - m ld e t e c t i o na l g o r i t h mi sb e t t e rt h a no t h e ra l g o r i t h m s b u ti t s c o m p l e x i t yd o n tr e d u c ew e l l ，s om a k et h ec o m p l e x i t yf u r t h e ro p t i m i z e dl a t e r ，t h e n p u t sf o r w a r dt h ec i r c l es e a r c hd e t e c t i o na l g o r i t h m t h es i m u i a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t t h ed e t e c t i o n a l g o r i t h mb r i n g sa b o u tac o m p r o m i s eb e t w e e np e r f 0 r n l a n c e a n d c o m p l e x i t ya n dh a v eac e r t a i na p p l i c a t i o nv a l u ef o rt h ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mi nt h e l - e c e l v e r a b s t r a c t k e yw o r d s ：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 ；l o n gt e r me v o l u t i o n ；f o r c ez e r o ； m i n i m u mm e a n - s q u a r ee r r o r ；m a x i m u ml i k e l i h o o d 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 为了更好地迎接宽带无线接入技术的挑战，也为了更好地满足新的业务的需 求，3 g p p 组织启动了l t e i l l 技术。目前，全球的移动通信产业都对l t e 寄予了 很大的期待，并都期望以m i m o 和o f d m 为核心技术的l t e 技术能够很好地促 进移动通信产业得到进一步的发展【2 1 。 随着现在移动用户数量逐渐的增加，带来了频谱资源的日益紧缺，仅仅通过 增加带宽来增加传输速率不是长久之法。目前，对于时间、频率资源的使用已经 很成熟了，但是对空间资源的利用还在继续探讨当中，于是采用空间资源来为解 决频谱资源紧缺问题丌辟了新的途径。 l t e 下行链路的速率可以达到1 0 0 m b i t s 高速，这f 是由它的核心技术之一 m i m o 技术带来的，m i m o 技术利用了空间资源，从而使得多个数据流能够在 相同的频带、柑同的t l , j i i l j 实现接收和传输，并且系统的容量也可以随着发射端天 线数日的增加呈现线性的增加。m i m o 技术不光能够满足高速率的通信要求， 而且还能很好的提高系统的频带和jj i j 率，现在已经成为了4 g 通信中最有发展前 景的技术之一，从i 而也社 到了业界的广泛关注【3 j 。 m i m o 技术在接 义，l 1 而t l 得到的信号是在时域和频域上面互相重叠的多路信号， 因此在接收端存在着刁i 川时刻信号之问的干扰问题，于是，接收端检测算法的优 劣将会对m i m o 系统，陆能的好坏造成特别大的影响。传统的检测算法中m l t 4 5 j 是最优的检测算法，但是无法实现，目前，设计i 叶p 陡能更逼近m l 、复杂度更低 的检测算法已经成为m i m o 技术中一项具有实际意义的关键性研究。 1 2m i m o 检测研究现状 目前，3 g 技术已经在圆内的许多城市进行了试点，但是人们对通信速率的 要求也随之变得越米越高了，3 g 所能达到的2 m 上行速率已经不能够满足市场 的要求了，所以通信界也丌始越来越多的关注并研究4 g 当中的一些关键技术， 安徽人学硕1 ：论文 l t e 系统中m i m o 检测算法的研究 m i m o 作为其关键技术之一在国内已经成为许多通信公司和专家学者的青睐。 m i m o 系统自身所能够提供的增益和性能有多少可以被挖掘，和接收端的检 测算法是分不开的。m i m o 系统要求信号检测技术能够做到正确的分辨出每一根 发射天线上面的发射信号，并且可以做出正确的判决，用尽可能小的复杂度来尽 可能较优的恢复出原始发射信号，这样就要求检测算法要在性能和复杂度之间进 行一个折中。 m i m o 系统中的信号检测算法有很多，有的性能比较高，能够使得系统具有 比较高的可靠性，但是同时使得系统复杂度也比较高，这种类型的检测算法较适 合于对性能要求较高的系统；相比之下，有的检测算法的复杂度比较低，这种类 型的检测算法较适合与对系统性能要求比较低或者是在信道条件较好的情况下 来使用。 本文主要是基于l t e 系统的下行共享链路，针对m i m o 检测算法复杂度和 性能无法进行很好折中的问题，在现有的m i m o 几种经典的检测算法基础上， 最终给出了一种能够一定程度上实现二者折中的检测算法，下面对目前的m i m o 检测算法作简单的概要介绍。 m i m o 检测算法按照性能的好坏可以分为次优检测算法和最优检测算法 【6 7 1 0 最优检测算法是最大似然检测算法，它是通过对发射空问内所有的可能值进 行的遍历，将遍历得到的所有的可能值经过信道h 的变化之后找到此时与接收 端信号的距离最小的那个发射信号来当作最后的检测结果并且输出，所以具有最 佳的检测性能，但是复杂度也受到发射端的天线数目和调制方式中调制星座点数 的影响，并且随着天线数目的增加呈现出指数的增加趋势，所以当天线的数目比 较多的时候，这种检测算法不太具有实际价值。 次优检测算法是指检测的复杂度低于最大似然检测算法，但是性能又相对还 好的检测算法。 m i m o 检测算法如果是按照处理方式的不同来区分，可以分为非线性检测算 法和线性检测算法两种【6 ，8 】。 非线性检测算法包括并行干扰消除( p a r a l l e li n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o n ，p i c ) 【9 1 、串行二二扰消除检测( 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 ，s i c ) 【1 0 , 1 1 1 等。 并行干扰消除是采用并行的方式来进行符号之间干扰的消除，也就是所有的 第一章绪论 信号都被解调出来之后，同时在接收信号中把干扰给消除掉。 串行干扰消除是指在检测到干扰信号的时候，逐个地在接收信号中把干扰给 消除掉，直到所有的发送符号都被估计出来。 线性检测算法主要包括迫零( z e r of o r c i n g ，z f ) 1 2 , 1 3 检测和最小均方误差 ( m i n i m u mm e a l ls q u a r ee r r o r ，m m s e ) 1 3 , 1 4 , 1 5 , 1 6 1 检测。线性检测是指在接收端 对接收信号进行加权，而进行的加权需要满足一定准则的检测算法。线性检测计 算的原理是比较简单的，复杂度主要体现在矩阵求逆的计算上面，但是性能却比 较的差，所以不会单独拿来使用。在实际应用当中，非线性检测算法的性能要优 于线性检测的性能，但是线性检测的复杂度却要低于非线性检测算法的复杂度。 m i m o 检测经典的算法主要就分为上面的几类，当前，很多m i m o 的检测 都是基于最大似然检测算法的假设，但是它的复杂度却很大，所以在实际中无法 得到大规模的应用，于是，研究一种在性能和复杂度之间实现较好折中的检测算 法成为目前的又一研究热点。 目前，对m i m o 技术研究的内容主要包括以下的四个方面i l7 j ： 1 对m i m o 系统衰落信道进行的建模方法和测量； 2 对m i m o 系统信道容量进行的分析； 3 基于m i m o 系统进行的空时编解码方法研究； 4 基于m i m o 系统进行的接收机关键技术的相关研究，例如信道估计、检 测和均衡等。 对这四个方面的研究是从不同的侧面并且围绕着同一个核心问题来展开研 究工作的，也就是指在各种比较复杂的无线衰落信道环境当中，应该如何来有效 的利用多径衰落，从而在m i m o 系统信道中能够实现系统容量的提高以及数据 传输速率的提高。本文主要是对m i m o 系统中检测算法进行研究。 1 3 本文工作和内容安排 本文在介绍l t e 系统的基础上，对m i m o 系统的结构进行介绍，详细说明 了现有的几种经典的检测算法，并给出了m a t l a b 软件的仿真结果，对它们的 性能进行比较分析。后面在对传统的检测算法掌握的基础上，对排序的迫零检测 算法进行改进，论文的前期阶段首先研究了p r e d e m l 检测算法，这种检测算法 安徽人学硕：l ：论文 l t e 系统中m i m o 检测算法的研究 相对于现有的一些传统检测算法性能得到了改善，但是复杂度还是没有降下来， 后期在复杂度高的问题上继续进行探讨，研究了一种圆搜索的检测算法，通过后 面的仿真分析发现，这种检测算法在复杂度和性能上面得到折中，相对于其他的 检测算法性能更逼近与最大似然检测算法，但是复杂度却远低于最大似然检测算 法。 本文的具体安排如下： 第二章首先介绍了l t e 系统的一些基本概念，包括其帧结构、下行时隙结 构和物理资源以及物理信号的处理过程，之后介绍了m i m o 系统，晟后给出了 使用m i m o 系统的优势，本文仿真采用的是空间复用方式，提高系统的传输速 率。 第三章首先分析了基于空间复用的m i m o 系统的模型，然后介绍了现有的 几种传统的检测算法，包括最优的检测算法即最大似然检测算法( m l ) ，以及简 单的线性检测算法最小均方检测算法( m m s e ) 和迫零检测算法( z f ) ，还有排 序的检测算法。在本章的后面给出了仿真结果，对几种传统的检测算法进行了比 较分析，并对几种检测算法的理论结果进行了验证。 第四章给出了改进的检测算法，在对论文进行研究的前j 】| f j 介绍了一种 p r e d e m l 检测算法，这种检测算法结合z f o s i c ( o r d e rs 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 ，o s i c ) 和m l 检测算法，相对于上面的一些传统次优榆测算法提高 了系统的性能。由于p r e d e m l 检测算法复杂度没有得到较好的改藩，所以往论 文研究的后期阶段又在复杂度问题上进行了进一步的改进，于是，最终给出了一 种圆搜索检测算法，这种检测算法降低了复杂度，并且提高了系统盼r t 能，实现 了性能和复杂度之间的折中。 第五章对全文进行了总结，并对下一步工作进行了展望。 4 第二章l t e 系统及m i m o 技术分析 第二章l t e 系统及m i m o 技术分析 2 1l t e 系统介绍 2 0 0 5 年，3 g p p ( t h e3 r dg e n e r a t i o np a r t n e r s h i pp r o j e c t ) 为了巩固其在无线 标准中的地位，从而启动了l t e 项目，这一项目被称作3 g 技术的长期演进标准。 l t e 通过对网络的架构和空中接口的物理层等相关技术进行革新，并采用m i m o 和o f d m 两种技术作为其无线网络演进的唯一标准，来实现更高的用户数据速 率、更低的延迟、更大的覆盖、更低的成本和更大的系统容量【1 8 】。 相比与原来的通信技术，l t e 技术带来了很大的改善，具体包括：在2 0 m h z 带宽情况下能够提供上行5 0 m b p s 、下行1 0 0 m b p s 的峰值速率；小区的容量得到 提高；系统的延迟得到降低，使得用户平面内部单向的传输时延可以达到低于 5 m s ，从驻留状态到激活状态的迁移时问能够达到小于10 0 m s ，控制平面从睡眠 状态到激活状态的迁移时间可以达到低于5 0 m s ；使得小区边缘用户的性能得到 改善；能够支持小区覆盖半径达到1 0 0 k m ；能够支持成对或非成对的频段，并且 可以使得1 2 5 m h z 到2 0 m h z 的多种带宽得到灵活配罱；不光如此，还能够为 3 5 0 k m h 高速移动用户提供大于1 0 0 k b p s 的接入服务i | 。 另外，l t e 技术也强调能够向卜濂容，支持已有的非3 g p p 规范系统和3 g 系统之问的协同运作，3 g 和2 g 系统的运营商很多更新设备的成本也会闪此节 约。 2 1 1l t e 的物理信道 l t e 的物理层标准是基于频域资源块的= 且它的带宽是以不可知的方式来 定义的，从而使得l t e 的物理层可以适j j 于不同的带宽分配。一个资源块 ( r e s o u r c eb l o c k ，r b ) 在频域上而被定义为1 8 0 k h z 的带宽，时域上面的持续 时间为o 5 m s 【。 l t e 技术的下行定义的物理信道包括物理下行共享信道( p h y s i c a ld o w n l i n k s h a r e dc h a n n e l ，p d s c h ) 、物理控制格式指示信道( p h y s i c a lc o n t r o lf o r m a t i n d i c a t i o nc h a n n e lp c f i c h ) 、物理“播信道( p h y s i c a lb r o a d c a s tc h a n n e l ，p b c h ) 、 安徽人学硕i j 论文 l t e 系统中m i m o 检测算法的研究 物理h a r q 指示信道( p h y s i c a lh a r q i n d i c a t o rc h a n n e l ，p h i c h ) 以及物理下 行控制信道( p h y s i c a ld o w n l i n kc o n t r o lc h a n n e l ，p d c c h ) 【i j 。 下行共享信道p d s c h ：是指多个用户通过o f d m 的频率资源分配方式来实 现共享的数据传输信道。p d s c h 主要是用于数据信息的传送。 控制信令格式指示信道p c f i c h ：通知移动台( m o b i l es t a t i o n ，m s ) 当前 t t i 所拥有的控制信道格式。在每个子帧丌始的时候，来采用简单而直接的编码 方式指示当前的控制信道所占据的o f d m 符号的数目。 广播信道p b c h ：用于发送广播信息，从而可以帮助m s 来了解系统的参数。 考虑到系统的信息可以达到长期保持不变。l t e 技术的广播信道被设计为m s 通 过多次的接收才能得到完整的系统信息。 h a r q 指示信道，p h i c h ：用来通知m s 之前传送的上行数据包是不是正确 接收到了。 控制信令信道p d c c h ：通知m s 当前t t i 的资源分配情况和其他物理层的 信令消息。p d c c h 通常是指每个子帧( 2s l o t s ) 罩面的前n 个o f d m 符号( n = 1 3 ) 。 2 1 2l t e 帧结构 l t e 的帧格式有两种，t d d 和f d d 格式，这早采用的是f d d 的格式。 f d d 格式的每个帧长为1 0 m s ，包含有l o 个子帧，每个子帧都足拥有2 个 时隙，f 汪个时隙长度为o 5 m s ，这些时隙被分别编号为o 1 9 。把一个子帧定义为 两个棚邻的时隙，其中，第f 个子帧是由第2 j 和2 f + 1 个时隙构成的，具体结构如 下图2 1 所示。 巾贞，t f = 3 0 7 2 0 0 t s = 1 0 m s 图2 1l t ef d d 系统帧结构 对于f d d 格式的帧结构，在每一个1 0 m s 中，拥有1 0 个子帧是用于上行的 传输，而上l 有1 0 个予帧是用于下行传输的。并且，对于上下行的传输在频域上 6 第二章l t e 系统及m i m o 技术分析 面进行了区分。 2 1 3l t e 下行的时隙结构和物理资源粒子 在下行的传输中，通过使用资源栅格来表示一个时隙中所传输的信号，其中， 采用的最小资源单元被称为资源粒子( r e s o u r c ee l e m e n t ，r e ) 。在r e 上，还定 义了关于资源块的概念，一个r b 中包含有若干个r e 。资源块是用于描述物理 信道到资源粒子的映射情况。 在一个时隙中进行传输的信号用资源栅格的概念来表示，它的大小是蛾6 个o f d m 符号和蜡蠼个子载波。在一个时隙中的o f d m 符号的多少是由子 载波间隔和循环前缀的长度共同来决定的。若的大小由小区中的下行带宽的配 置来决定，并且能够满足：船m i l l , 脱若n r 。嗽b 脱，其中嚣k 脱= 1 1 0 和 胎r a i n 优= 6 分别是下行传输的最大和最小带宽，表示一个资源块r b 中包含 的带宽为的子载波的个数。下行资源栅格如图2 2 所示。 在多天线进行传输的时候，每一个天线端口都存在有一个资源栅格，个天 线端u 由和其相关联的参看信号来定义的。 每个天线端口上的资源栅格中的最小单元r e ，它是通过索引( 尼，j ) 来进行表 示的，这只的k = 、，a i 肋d l 。a ，i ，r f o l 和，= o ，篇6 一l ，分别来表示在频域和在时域 i ：面的序号。 7 安徽人学硕上论文l t e 系统中m i m o 检测算法的研究 鲻 辎 m 牛 是蔫 乏 薹萋 乏 鲻 秘 七 萋 之 l in d 刚l m b 一 ，= 0 n 謦个r e 图2 2 下行资源栅格 山上面的资源栅格可以看出，两个时隙构成一个子帧，长度为l m s ，一个i 砌 由7 个o f d m 符号构成的；在频域上面，一个资源块由1 2 个子载波构成的。一 个资源块r b 为可以用来调度的最小的单元，每一个r b = 1 2x7 个o f d m 的资 源粒子r e 。 第二章l t e 系统及m i m o 技术分析 2 1 4l t e 下行物理信号的处理过程 图2 3 下行物理信号处理过程流程图 l t e 下行物理信道的处理过程，可以分为以下的几个步骤，如图2 3 所示1 1 。 1 加扰 对即将在物理信道上面进行传输的每一个码字罩编码后的比特进行加扰处 理，从而可以使得基站之间的干扰信号得到随机化( 各个基站之问具有不同的扰 码序列) 。 2 调制 对上面输入的b i t 信号根据当前使用的调制方式来进行调制，然后被映射到 星座点上，产生复值调制信号。 3 层映射 这罩的层是l t e 里面的一个概念，它主要是用来表示在空间上面独立的一 个信号通道。由于l t e 中引进了多天线技术，一个或是多个用户的信道上嘶可 以形成多个相互独立的并且相互正交的空问传输通道。 4 预编码 将上面映射后得到的信号进行预编码处理，主要是通过多根天线来产生波束 赋形的效果，从而使接收信号的强度得到了增强。 5 映射到资源粒子 将上面得到的符号进行再映射，映射到相关的o f d m 时频域资源l 面，并 且同时要避丌控制信令所占用的资源。比如公共参考信号。 9 安徽人学硕二l 论文 l t e 系统中m i m o 检测算法的研究 6 产生o f d m 信号 在每一个天线端口上面产生时域的o f d m 符号。 2 2 无线信道衰落特性 信号在无线系统中进行传输的时候，由于在传输过程中可能会遇到建筑物等 衰落的影响，所以使得在接收端得到的信号也受到了不同程度的影响。这种衰落 现象主要是由传输过程中无线电波的环境来决定的，在不同的传播环境下，具有 不同的传播特性。这些传播环境包括：气候特性、电磁干扰、使用的频段、地貌 和建筑物等。 接收端所得到的信号是指发射信号经过多个路径传输过程之后进行相互叠 加的结果，如果是进行同相叠加，则使得信号得到增强，反之，进行反相的叠加 则使得信号得到减弱，并且得到的接收信号在到达时间、幅度和相位三者上面也 得到了变化。这种由于多径所产生的衰落现象，称为多径衰落，下面对多径衰落 做一下介纠2 0 1 。 无线信道的传播特性 在移动信道中进行传播的时候，在任意时i h jt 时接收到的瞬时复值信号y ( ，) 可以表示 少( f ) = 口( f ) p 倒” ( 2 1 ) 这罩的o ( t ) 代表接收信号的相位值，a ( t ) 则代表接收信0 的幅度值，下面对 接收信号的相位进行下介绍。 对于衰落信号的相位值，它的大小会受到衰落过程的时域特性、空域特性以 及频域特性三者的影响，这些特性分别与多径信号的时延扩展、角度扩展和多普 勒扩展是相关的。 时延扩展又称为频率选择性衰落，它是指在多径传播的环境下，山于传播路 径的差异而使得接收端接收到的信号是多径信号以彳i 川的时f l i j 剑达的叠加值，如 果在基站端发射的是一个在时问宽度极窄的脉冲信号，那么在移动用户端所接收 到的则将是多个具有不同时延的脉冲信号之问的相互叠加值，显然，接收信号的 波形相对于原脉冲是被展宽了。而由于信号波形的展宽是由于信道的时延所引起 的，所以称之为时延扩展。这里的时延扩 庭( d e l a ys p r e a d ) 足一种由于多径现象所 1 0 第二章l t e 系统及m i m o 技术分析 引起的衰落过程的时间扩散( t i m ed i s p e r s i o n ) 情况，又被称为频率选择性衰落 ( f r e q u e n c ys e l e c t i v ef a d i n g ) 。 角度扩展又称为空问选择性衰落，接收端的角度扩展概念是指多径信号在到 达天线阵列的时候，到达的角度得到了展宽。同样发射端的角度扩展则是指由于 多径的散射和反射所引起的发射角的展宽。在某些情况下，路径的发射角或者到 达角与路径的时延情况是统计相关的。角度扩展( a n g l es p r e a d ) 贝j j 给出了接收信 号主要能量的角度范围，产生了空问的选择性衰落( s p a c e - s e l e c t i v ef a d i n g ) ，即指 信号的幅值与天线的空间位置之问是相关的。 多普勒扩展即指时问选择性衰落，由于基站与移动用户之间的相对运动关 系，从而使得每条多径波都会有一个比较明显的频率偏移。这种由于运动而造成 的接收信号的频率偏移情况则称之为多普勒频移，用f d 表示，它与移动用户的 运动速度是成正比关系的，用表达式为： f d = c o s g ( 2 2 ) 以 上式中的臼则表示移动台运动的时候与无线电波方向之间的夹角，即指到达 角，五表示无线电波的波长，1 ，则表示移动台运动时候的速度。多普勒扩展 ( d o p p l e r s p r e a d ) 足一j ：多普物频移引起的在衰落过程中的频率扩散。 2 3m i m o 技术介绍 2 3 1m i m o 系统结构和基本原理 m i m o 技术能够有效地提高系统的传输速率，已受到通信领域的广泛关注。 通常情况下，由于多径会引起衰落现象，所以被看为无线信号在信道中进行传输 的一个有害的凶素。但是对于m i m o 系统来讲，它却可以把多径看成为一个有 利的因素而被利用起来，它利j j 多天线技术米抑制在传输过程中出现的信道衰落 问题。m i m o 通信系统在接收端和发射端都是采用多根天线，从而使得多个数据 流在相同的频带和相同的时问内进行接收和传输。与传统的s i s o ( s i n g l ei n p u t s i n g l eo u t p u t ) 系统相比较，m 1 m o 系统在接收端收到的信号是在频带和时间二 者上相互叠加的结果，因此，在频率选择性系统中还存在不同时刻信号之i h j 的码 问干扰现象，所以，m i m o 系统面对的问题要比s i s o 系统不仅复杂而且要严峻 安徽大学硕f ：论文 l t e 系统中m i m o 检测算法的研究 的多。 假设一个m i m o 系统具有f 根发射天线，厂根接收天线，这里f n r ， 发射端的发射信号经过串并转换之后，被分成了m 个子数据流，然后再经过一 定的调制方式对其进行调制并从发射天线上面发射出去，此时，接收端得到的信 号l ，是指发射信号经过信道之后，与噪声相互叠加的结果。最后，在接收端通过 选择合适的信号检测算法，把在发送端进行的发射的原始信号给检测出来，从而， 把原始的子比特流给恢复出来。m i m o 的系统模型如图2 4 【1 6 】所示。 图2 4m i m o 系统模型 对于信道是j f 坦衰落的m i m o 系统来讲，它的等效基带可以被表示【2 1 之4 】： y = 删+ n ( 2 3 ) 在上面公式中的r = 【x ，y 2 ， 表示为m 根接收天线上面的接收信 号；彳= 【x 。，x ：，x ，】t 表示为m 根发射天线上面的发射信号；h 为n ，n t 阶的m i m o 信道频响特性矩阵；n = i n 。，：，】t 是第根接收天 线i ：而的斤差哭f 仃2 ，均值为0 的加性高斯白噪声。 2 3 2 分集增益 m i m o 的实质就是为了能够给系统提供分集增益和复用增益，目前，在无线 系统中所面临的一个重要问题就是信号在无线信道罩进行传播的时候存在着无 线衰落信道的多径传播和时变特性现缘，而在高速移动通信里面来如何对付无线 信道中所存在的这种传播缺陷，则成为了一个非常重要的问题。 1 2 第二二章l t e 系统及m i m o 技术分析 在加性高斯白噪声信道情况下，如果采用合适的调制编码方法，那么就可以 使得系统的误码率得到一定的降低，但是，对于无线信道的传输性能的提高则面 临着很大的困难，而在不增加系统带宽和发射功率的情况下，采用分集技术则可 以对多径衰落实现有效地克服。 分集技术【2 5 2 6 】可以提高信号在无线信道中进行传输时候的可靠性，从而降低 了在信道中的传输误码率。它的基本原理则是利用在无线传播环境罩的某些维之 间存在相互独立的性质来实现的，即指，如果在某一维当中的某点上面的信号 经历了深度衰落，但是在另一同维当中与其相距较远的某一点上面传输的独立信 号也许并没有经历过深度的衰落，所以仍然可能会包含着较强的信号，对许多点 上的信号如果能够按照一定的规则来进行合并，那么在接收端就可以使得接收到 有用信号的能力达到最大化。分集技术包括空间分集、时间分集等，在这罩只介 绍空间分集技术。 空间分集技术采用多根天线进行接收和多根天线进行发射信号，为了使得多 个接收信号和多个发射信号之间能够保持相互的独立性，就要求各个发射天线之 间的距离要达到足够的大，只有这样多根天线之问的信号才可以被看作是相互独 立的信号。空间分集技术相对于频率和时间分集来讲，它并不需要占用额外的频 带或者是时间片。 空问分集又可以分为发射分集和接收分集，发射分集则是指在发射端安置多 根发射天线，接收分集则是相反，是在接收端安置多根接收天线，并且必须保证 多根天线之问的不相关性，一般则要求天线之间的距离达到至少为波长的一半。 传统中所说的空间分集则是指在接收端采用多根天线进行的接收，接收分集可以 做到信道的衰落问题得到抑制。发射分集的概念是由接收分集的概念所引伸而来 的，这样是为了减少信号在无线信道当中进行传输时候的衰弱现象，所以在发射 端发射几个相同的副本，并且在信道传输的时候能保持其相对独立，然后，在接 收端冉将它们进行合并，从而能够降低衰弱的严重性。 2 3 3 空间复用 分集增益只需要接收端或者是发射端有一端使用多根天线就能够获得分集 增益，但是复用增益则需要要求接收端和发射端同时具有多根天线，并且要求接 安徽大学硕- j ：论文l t e 系统中m i m o 检测算法的研究 收端的天线必须满足大于或者等于发射端的天线数目。空间复用2 7 2 8 1 可以做到在 发射端不占用额外的频谱资源，并且不增加额外的发射功率的情况下来使系统的 容量得到提高。 复用增益是通过在多根发射天线上面发射不同的符号来实现的，它的大小是 等于n = m i n ( n r ，n t ) 。 如果系统的复用增益特别大，就会使得分集增益相对的减小了，那么系统的 可靠性也就降低了，于是，在m i m o 系统中，应该对复用增益和分集增益二者 进行一个折中。 2 3 4m i m o 系统的主要性能指标 对m i m o 系统进行处理的时候，要对下面的几个指标进行考虑。 1 复杂度：如果在系统中使用的算法的复杂度比较大，那么就会消耗更多的 功率，从而，产品的价格也会得到相对的提高，所以应尽量采用低复杂度的算法。 2 比特速率：单位带宽下的比特速率称之为系统的频谱利用率，单位为 b i t s h z 。频谱利用率越高，那么，就表明通信系统的性能也就相对的越好。 3 可靠性：采用分集技术可以来增加系统的可靠性，如果可靠性越：i ，系统 的误码性能也就越好。 2 3 5m i m o 系统中常用的调制方式 在移动通信、卫星通信、光纤通信、微波通信等很多的现代通信系统l l ，在 信道中都是对数字已调信号进行传输的，已调信号则会随着载波的幅度、柑位和 频率的变化而发生变化，产生振幅键控( a m p l i t u d es h i f tk e y i n g ，a s k ) 、十【| 移 键控( p h a s es h i f tk e y i n g ，p s k ) 和频移键控( f r e q u e n c ys h i f tk e y i n g ，f s k ) 信 号，在m i m o 系统中这里主要介绍j 下交相移键控( q u a d r a t u r ep h a s es h i f tk e y i n g ， q p s k ) 和j 下交振幅调制( 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 a m ) 两种调制方 式【2 9 】。 1 j 下交振幅调制 正交振幅调制方式是目前使用比较广泛的一种调制方式，它不仪可以提高系 统的可靠性，而且还可以提高整个系统的频带利用率。 1 4 第二章l t e 系统及m i m o 技术分析 正交幅度调制是用两路相互独立的基带数字信号对两个相互正交的同频载 波进行的抑制载波的双边带调制方式，并且利用已调制的信号在同一带宽内频谱 相互正交的性质来实现两路相并行的数字信息的传输。 如果j 下交振幅调制信号在信号空问中坐标点的数目为4 ，则被记为4 q a m 调 制，它的正交和同相支路都是采用二进制信号；同样的，如果正交和同相支路都 采用4 进制信号，那么，此时的m i m o 系统模型得到的为1 6 q a m 信号。以此 类推，如果正交和同相支路都采用k 进制的信号即得到m q a m 信号，其中 m = 2 七。通常情况下，使用星座图来描述j 下交振幅调制信号的空问分布状态。 m q a m 目前研究的比较多，并且由于1 6 q a m 信号的抗噪能力较好，所以被广 泛的应用于数字通信系统中。 在