（通信与信息系统专业论文）频率选择性信道下的mimo检测和预编码技术研究.pdf

摘要 摘要 多入多出( m i m o ) 无线通信技术大大增加了无线通信系统的容量，改善了无线 通信系统的性能【1 i 2 l i ”。与此同时，后三代( b 3 0 ) 移动通信系统的研究也逐渐进入了 初步实现阶段，作为b 3 g 无线通信系统的主要技术，m i m o 正受到越来越多的关 注。与m i m o 无线通信相关的理论和关键技术也成为国内外研究关注的焦点，其 中包括对m i m o 检测技术和预编码技术的研究。 目前，对于平坦衰落信道下的m i m o 检测技术的研究已较为成熟，本文首先 对其中三种具有较高实用性的算法进行了综述和仿真研究，其中包括迫零检测、 v - b l a s t 检测和格约简辅助检测三种算法。通过仿真证明，由于引入了具有准正 交特性的格约简基，三种检测算法中格约简辅助检测算法具有最好的检测性能。 随着信噪比的增加，格约简辅助检测算法的误码率曲线下降速度明显增快，且优 于其它两种算法。 m i m o 预编码技术可以大大降低接收机的复杂度，特别适合于蜂窝移动通信 系统的下行链路，因此在最近几年受到了国内外研究人员的广泛关注。本文对三 种常见的预编码算法在平坦衰落信道下的应用进行了综述和仿真研究，包括迫零 线性预均衡、t h p 预编码和格约简辅助矢量预编码等算法。从仿真结果比较中可 以看出，在三种预编码策略中，格约简辅助矢量预编码具有最好的仿真性能，t h p 预编码其次。与v - b l a s t 算法相结合的格约简辅助矢量预编码算法由于在 v - b l a s t 中根据当前信道状态特征，在预编码时对信号进行重新排序，因此提高 了预编码性能。 在对平坦衰落信道下m i m o 检测技术研究的基础上，本文展开了对频率选择 性信道下m i m o 检测技术的研究。首先提出了准静态频率选择性多径信道模型， 然后基于该模型提出了一种新的用于准静态频率选择性信道的检测方案，即与判 决反馈相结合的格约简辅助检测方案。该方案降低了格约简矩阵的维数，相对直 接采用格约简辅助检测的方案在很大程度上降低了格约简过程中的计算复杂度， 同时具有较好的检测性能。 最后在对平坦衰落信道下m i m o 预编码技术研究的基础上，开展了准静态频 率选择性信道下预编码技术的研究。提出了一种新的预编码方案，即与信道矩阵 t 摘要 块对角化相结合的格约简辅助矢量预编码方案。该方案同样在很大程度上降低了 计算复杂度，但是在信道矩阵块对角化的过程中增大了噪声信号，因此该方案在 性能上存在一定的损失。如何改善由于信道矩阵块对角化导致的性能损失将是下 一步需要进行研究的内容。 关键词：多入多出，检测技术，预编码技术，频率选择性信道 i i a b s t r a c t a b s t r a c t 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 ) t e c h n i q u ec a l le n h a n c et h ec a p a c i t ya n d i m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m 2 州m e a n w h i l e t h e s t u d yo ft h eb e y o n dt h i r dg e n e r a t i o n ( b 3 g ) m o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mh a s g r a d u a l l ys t e p p e di n t ot h ei n i t i a lp h a s eo fi m p l e m e n t a t i o n t ob et h em a j o rt e c h n i q u ei n t h e3 gm i m ot e c h n i q u ei sg e t t i n gm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n s o m et h e o r i e sa n dk e y t e c h n i q u e sa b o u tm i m oh a v eb e e nf o c u s e dw o r l d w i d e ，i n c l u d i n gt h er e s e a r c h o n m i m od e t e c t i o na n dp r e c o d i n g t e c h n i q u e s a tp r e s e n t ，t h er e s e a r c ho nt h em i m od e t e c t i o n su n d e rt h ef l a tf a d i n gc h a n n e lh a s b e e nm a t u r a t i o n a l t h i sp a f i e rf i r s t l yo v e r v i e w sa n ds i m u l a t e st h r e ep r a c t i c a lm i m 0 d e t e c t i o n s ，w h i c h a r e z e r o f o r c i n g ( z f ) a l g o r i t h m ，v - b l a s ta l g o r i t h m m a d l a t t i c e - r e d u c t i o na i d e d ( l l l ) d e t e c t i o na l g o r i t h m t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss u g g e s tt h a t l l la l g o f i t h mh a sa p p a r e n ta d v a n t a g e so v e ro t h e rt w od e t e c t i o na l g o r i t h m s t h e s i m u l a t i o nr e s u l t sa l s ot e l lu st h eb i te l t o rr a t e ( b e r ) o fl l ld e t e c t i o nd e c e a s e dm u c h f a s t e rt h a nt h eo t h e rt w od e t e c t i o na l g o r i t h m sw i t ht h ei n c r e a s m e n to fs i g n a lt on o i s e r a t i o ( s n r ) m i m op r e c o d i n gc a nr e d u c et h er e c e i v e r sc o m p l e x i t y , s p e c i a l l ys u i t e df o rt h e d o w n l i n ko ft h ee e l l u l a rm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，s oi th a sb e e nn o t i c e db yt h e w o r l d w i d er e s e a r c h e r st h e s ey e a r s t h e nt h i sp 鲫e rm a k e ss o m eo v e i a r i e wa n d s i m u l a t i o no nt h ea p p l i c a t i o no ft h r e ep r e c o d i n ga l g o r i t h m su n d e rt h ef i a tf a d i n g c h a n n e l ，w h i c ha r el i n e a rp r e e q u a l i z a t i o n ，t o m l i n s o n h a r a s h i m ap r e c o d i n g ( t h p ) a n d l a t t i c er e d u c t i o n a i d e d ( l l l ) v e c t o rp r e c o d i n g t h es i m u l a t i o nr e s u l t sp r o v et h a t a m o n gt h et h r e ep r e c o d i n ga l g o r i t h m s ，l l lp r e c o d i n gs t r a t e g yd e m o n s t r a t e st h eb e s t b e rp e r f o r m a n c e a n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t sa l s ot e l lu si fl l lp r e c o d i n ga l g o r i t h mi s c o m b i n e dw i t ht h ev - b l a s td e t e c t i o n ，t h ep e r f o r m a n c eo ft h ep r e c o d i n gs y s t e mw i l l b ei m p r o v e db yt h ev - b l a s tl l lp r e c o d i n gs t r a t e g y , b a s e do nt h er e s e a r c ho fm i m od e t e c t i o n su n d e rt h ef i a tf a d i n gc h a n n e l ，t h i sp a p e r f o c u s e so nt h em i m od e t e c t i o nu n d e rt h ef r e q u e n c ys e l e c t i v ef a d i n gc h a n n e l ，c h i e f l y a i m i n ga t t h el l ld e t e c t i o na l g o r i t h i n ，a tt h i sp a r t i tf i r s t l yc o m e su pw i t ha q u a s i s t a t i cf r e q u e n c ys e l e c t i v ef a d i n gc h a r f f l e lm o d e l b a s e do nt h i sc h a n n e lm o d e l ， c o n s i d e r i n ga b o u tt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h em o d e la n dt h e1 a t t i c er e d u c t i o nc o m p l e x i t y , w ep r o p o s e dan e wd e t e c t i o ns t r a t e g y , w h i c hi st h el l ld e t e c t i o na l g o r i t h mc o m b i n e d w i t hd e c i s i o n f e e d b a c kt e c h n i q u e t h i ss c h e m en o to n l yd e c r e a s e st h e1 a t t i c er e d u c t i o n c o m p l e x i t yb u ta l s op r e s e n t e sag o o dd e t e c t i o np e r f o r m a n c e a tl a s t ，b a s e do nt h er e s e a r c ho fm i m op r e c d o d i n gt e c h n i q u e su n d e rt h ef i a t i i i a b s t r a c t f a d i n gc h a n n e l ，t h i sp a p e rr e s e a r c h e st h ep r e c o d i n gt e c h n i q u eu n d e rt h ef r e q u e n c y s e l e c t i v ef a d i n gc h a n n e l ，c h i e f l yb yt h el l lp r e c o d i n ga l g o r i t h m a l s oc o n s i d e r i n g a b o u tt h eh i g hc o m p l e x i t yo ft h el a t t i c er e d u c t i o n ，i tp r o p o s e dan e w p r e c o d i n gs t r a t e g y w h i c hi sl l lp r e o d i n ga l g o r i t h mc o m b i n e dw i mt h eb l o c kd i a g o n a l i z a t i o no ft h e c h a n n e ls t a t ei u f o m a a t i o nm a t r i x o b v i o u s l yt h i ss c h e m es i m p l i f i e dt h ep r e c o n i n g s t r a t e g yu n d e rt h ef r e q u e n c ys e l e c t i v ef a d i n gc h a n n e l b u tt h ep e r f o r m a n c eo ft h i s s t r a t e g yi sn o tv e r yg o o db e c a u s eo ft h en o i s ee n h a n c e m e n t w h a tw es h o u l dr e s e a r c h o ni nf u t u r ei sh o wt os o l v et h i sp r o b l e mt oi m p r o v et h es y s t e mp e r f o r m a n c e k e yw o r d s ：m i m o ，d e t e c t i o n ，p r e c o d i n g ，f r e q u e n c y s e l e c t i v ec h a n n e l 图目录 图目录 图1 1m i m o 传输系统结构图2 图2 1m i m o 检测结构框图8 图2 2 线性均衡结构框图1 0 图2 3 格约简辅助检测结构框图1 4 图2 4 平坦衰落信道下的m i m o 检测仿真框图1 5 图2 5 几种检测算法的误码率性能曲线1 6 图2 - 6 格约简辅助检测算法的误码率曲线1 6 图3 1 线性预均衡结构框图1 8 图3 2t h p 预编码结构框图2 0 图3 3 矢量预编码基本框图2 2 图3 - 4 基于格译码的矢量预编码方案2 3 图3 5 取整近似的基于格约简辅助的预编码方案2 5 图3 - 6 基于格约简辅助的v b l a s t 矢量预编码方案2 6 图3 7 平坦衰落信道下的m i m o 预编码仿真结构框图2 6 图3 8 几种预编码算法的误码率性能曲线2 8 图3 9t h p 预编码算法在不同系统参数下的误码率性能曲线2 9 图3 1 0 格约简辅助矢量预编码算法在不同系统参数下的误码率性能曲线3 0 图3 - 1 1 采用v - b l a s t 的格约简辅助矢量预编码算法性能鳆线3 1 图4 1 判决反馈检测算法思想3 3 图4 2 频率选择性信道下检测系统的仿真结构框图3 7 图4 3 频率选择性信道下与判决反馈相结合的检测系统的仿真结构框图3 7 图4 - 4 直接采用格约简辅助检测算法和迫零检测算法的误码率曲线3 8 图4 5 采用格约简辅助检测算法在不同衰落情况下的仿真性能曲线3 9 图4 - 6 采用格约简辅助与判决反馈相结合的检测算法的误码率曲线4 0 图4 7 判决反馈格约简辅助检测和判决反馈迫零检测的仿真性能曲线4 1 图4 8 与判决反馈相结合的格约简辅助和迫零检测在不同衰落情况下的性能 曲线4 2 图4 - 9 采用判决反馈与不采用判决反馈的格约简辅助检测算法的性能曲线4 3 v 图目录 图5 一l 信道矩阵块对角化的预编码结构框图4 4 图5 2 频率选择性信道下预编码系统的仿真结构框图4 7 图5 3 与多径信道矩阵块对角化相结合的预编码系统仿真结构框图4 8 图5 - 4 频率选择性信道下采用格约简辅助矢量预编码和预均衡的性能曲线4 9 图5 5 采用格约简辅助预编码算法在不同衰落情况下的误码率曲线5 0 图5 - 6 与信道块对角化相结合的格约简辅助矢量预编码算法和预均衡算法性 能误码率曲线5 1 图5 7 信道块对角化格约简辅助矢量预编码算法误码率曲线5 2 图5 8 信道矩阵块对角化格约简辅助算法和信道矩阵块对角化预均衡算法在 不同衰落情况下的误码率曲线5 2 图5 - 9 采用信道矩阵块对角化与不采用时的格约简辅助矢量预编码算法误码 率曲线一5 3 图5 1 0 采用信道矩阵块对角化与不采用时的预均衡算法误码率曲线5 4 v i l l 表目录 表目录 表2 - 1m i m o 单径信道下的检测仿真参数 表3 - 1m i m o 单径信道下的预编码仿真参数 表4 1 频率选择性信道下检测系统仿真参数 表5 - 1 频率选择性信道下预编码系统的仿真参数 i x 1 5 2 7 3 7 4 8 缩略字表 a w g n b d b e r b 3 g d c p i s i l l l l r a d l r p m i m o m l d m m s e o a m q p s k q l q r r x s n r s t b c s t t c s v d t h p t x v - b l a s t 缩略字表 a d d i t i v ew h i t eg a u s s i a n n o i s e b l o c kd i a g o n a l i z a t i o n b i te r r o rr a t e b e y o n dt h et h i r dg e n e r a t i o n d i r t yp a p e rc o d i n g i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e l e n s t r a ，l e n s t r a ，l o v a s z l a t r i c er e d u c t i o n a i d e dd e r e c t i o n l a a i c er e d u c t i o n - a i d e dp r e c o d i n g m u l t i p l ei n p u tm u h i p l eo u t p u t m a x i m u nl i k e l yd e c o d i n g m i n i m u r am e a n s q u a r e de r r o r 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 d r a t u r ep h a s es h i f t i n gk e y i n g m a l r i xd e c o m p o s i t i o n r e c e i v e r s i g n a lt on o i s er a t i o s p a c et i m eb l o c kc o d e s p a c et i m e t r e n i sc o d e s i n g u l a rv a l u ed e c o m p o s i t i o n t o m l i n s o n - h a r a s h i m ap r e c o d i n g t r a n s m i t t e r 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 x 加性高斯白噪声 块对角化 误码率 超三代移动通信 编码理论 符号间干扰 格约简 格约简辅助检测 格约简辅助矢量预编码 多入多出 最大似然译码 最小均方误差 正交幅度调制 正交相移键控 矩阵分解 接收端 信号噪声比 空时码 空时格码 奇异值分解 预编码算法 发送端 检测算法 缩略字表 v p z f v e c t o rp r e c o d i n g z e r o f o r c i n g x i 矢量预编码 迫零 符号表 m 符号表 求概率 求和 行列式的值 求最小值 求最大值 模a 运算 矩阵的迹 求均值 运算复杂度的数量级 信道矩阵 信道矩阵约简基 基变换矩阵 块对角化矩阵 发送数据矢量 数据符号矢量 接收数据矢量 噪声矢量 星座图中长度，a ：面 收发天线数 多径信道数 调制方式 噪声方差 信号方差 x i i 州洲酬刚毗一剞k rx。y n a 置 符号表 0 q z 。 ) 缩放因子 取整 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：匡i 塞鉴日期：) 。占年；月，。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定) 签名：_ i 虱丛导师签名：召圣稹 日期：5 年3 月。日 第一章引言 第一章引言 随着移动通信技术的广泛应用，移动通信在全球取得了巨大的发展。b e l l 实验 室【i 【2 在上个世纪九十年代后期提出了一种新的无线通信技术，即m i m o 多天线无 线通信技术。 m i m o 是多输入多输t 出( 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 ) 的简称，该通信系统在 其发射端和接收端采用多天线，从而实现了多个数据流在相同时间和相同频带内 的传输和接收。f o s c h i n i 等和t e l a t a r 已经证明 2 】 ”，m i m o 系统的信道容量随着发 射天线数的增加呈近似线性的增长。由于m i m o 通信能够极大地提高系统的频带 利用率、满足高速率通信的需求，因此得到了广泛的关注和研究，m i m o 技术已 经成为下一代移动通信中非常具有发展前景的技术之一。 本文首先概述了移动通信系统中的m i m o 技术和频率选择性信道特性；然后 简要介绍了移动通信系统中的检测及预编码技术的起源、发展及研究现状；最后 描述了论文结构及内容安排。 1 。lm i m o 移动通信技术概述 1 1 1m i m o 概述 下一代的宽带无线通信系统将为用户提供如高速无线i n t e r n e t 接入、无线视频 以及移动计算等无线多媒体业务。然而无线信道中的衰落、多径干扰、噪声等成 为了影响无线通信质量的主要因素。 从信息论的角度已经证明 2 4 1 ，多天线技术可以大大增加无线通信系统的容 量，并改善无线通信系统的性能，非常适合新一代移动通信系统中高速率业务的 要求。因此采用多入多出( m i m o ，m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t ) 技术是一种很自然 的想法。m i m o 技术是无线通信领域智能天线技术的重大突破，它利用空间中增 加的传输信道，在发送端和接收端采用多天线同时发送信号。由于各发射天线同 时发送的信号占用同一个频带，所以并未增加带宽，因而能够成倍地提高系统容 量和频谱利用率1 5 j 。 电子科技大学硕士学位论文 广义的m i m o 技术主要包括发射分集技术和空间复用技术。其中发射分集技 术是指在不同的天线上发射包含相同信息的信号，从而达到空间分集的效果。为 了保证无线通信系统的通信质量，分集技术是一种很好的抗多径衰落手段。根据 获得独立路径信号方法的不同可以分为时间分集、频率分集和空间分集等。相对 时间分集和频率分集，空间分集没有时延和环境的限制，能够获得更好的系统性 能。这种分集分为接收分集和发射分集。而发射分集的实现只需要在基站端增加 天线的数目。m i m o 中的发射分集主要是采用空时码技术 6 】，其中基于发射分集的 空时码主要包括空时分组码( s t b c ，s p a c et i m eb l o c kc o d e ) o7 j 和空时格码( s t t c ， s p a c et i m et r e l l i sc o d e ) 8 】。 空间复用技术是指在不同的天线上发射不同的信息。空间复用技术可以明显 地提高数据传输速率，体现了m i m o 系统容量提高的本质。其基本思想就是把高 速数据业务分解为多个低速业务，通过普通的并行信道编码器编码后，对其进行 分层的空间编码 9 1 。分层空时编码的优点是当接收天线数为，大于发射天线数m 时，系统容量与发射天线数成正比增长 2 】。贝尔实验室的v - b l a s t 是空间复用技 术的典型应用，它采用了垂直分层空时码技术。在本文中主要利用的就是m i m o 空间复用技术。 简化的m i m o 传输系统结构如图1 1 所示，假设m i m o 系统有m 根发射天线 和。根接收天线，并且假设在窄带慢衰落的信道下，就可以建立n t r 阶反映信 道特征的矩阵，其构成元素为独立同分布的复高斯随机变量，这样系统获得的信 道容量将比单天线高出m i n q mn r ) 倍。 、i 、o = 一一歹 、，7 、 二二_ 。： 、： ，、， 1 | 、 。7 、0 冬 图1 - 1m i m o 传输系统结构图 通常将m i m o 信道简化为以下数学模型： y = h x + n 2 第一章引言 其中x = ( t ，x 2 ，h ) 7 为f 时刻的发送信号矢量，y = ( 儿，儿，_ y m ) 7 为接收信 号矢量。对m i m o 信道状态特征矩阵有： h = 啊。 啊： 岛m 岛。j i z 2 ：如。 h n lh n ? 2 - h n ? n ( 1 2 ) 其中表示从第，( ，= 1 ，2 ，f ) 个发射天线到第f ( f = l ，2 ，) 个接收天线 之间的信道衰落系数，n = ( _ ，n ：，n n r ) 2 ，h i ( o ，0 - 。2 ) 为相互独立的零均值加性 高斯白噪声。 平坦m i m o 信道的信道容量为f 1 1 ： c ：1 0 9 ：a e t l 专皿”j ，( b i t s h z ) 其中，p 为平均接收信噪比。 从上式可以看出，m i m o 信道的容量值与信道衰落矩阵h 有关 应不同的信道容量。 1 1 2 频率选择性信道 ( 1 3 ) 无线移动通信系统中信道的衰落是影响系统传输性能的一个重要因素。引起 无线通信信号衰落的原因有很多种，其中一个主要原因就是多径效应。 在无线通信系统中，发射信号经过直射、反射、散射等多条不同传播路径到 达接收机。随着移动台的移动，各条传播路径上的信号幅度、时延及相位随时随 地发生变化，因此接收到的信号电平是起伏、不稳定的，这些多径信号相互叠加 就会形成衰落。如果叠加后的信号幅度变化符合瑞利分布，则称为瑞利衰落。 由于多径的存在，接收信号会出现时延扩展，到达接收端的信号叠加后会产 生波形展宽和波形重叠，恶化系统性能。由于时延扩展，接收信号中一个符号的 波形会扩展到其它符号当中，造成符号问干扰( i s i ，i n t e r s y m b o li n t e r f e r e n c e ) 。为了 避免产生i s i ，符号宽度应远远大于最大时延扩展。 在无线通信系统中，接收机接收到的信号是由多径信号构成的和信号。在和 信号中，对具有相同多径时延的信号在不同频率分量上具有不同的衰落特性。平 1 第一章引言 其中x = ( 葺，t ，飞) 7 为f 时刻的发送信号矢量，y = ( m ，咒，y 。，) 7 为接收信 号矢量。对m i m o 信道状态特征矩阵有： h = 啊。啊：岛m 岛。岛：璁。 h n lh n ? 2 h w ? w ? f l 一2 1 其中表示从第，( ，= 1 ，2 ，m ) 个发射天线到第i ( 一l ，2 ，m ) 个接收天线 之间的信道衰落系数，n = ( h ，也，n _ ) 2 ，m - n ( o ，) 为相互独立的零均佰加性 高斯白噪声。 平坦m i m o 信道的信道容量为i 1 1 ： 如1 0 9 ：a e t l 专皿”j ，( b i t l s h z ) ( 1 - 3 ) 其中，p 为平均接收信噪比。 从上式可以看出m i m o 信道的容量值与信道衰落矩阵h 有关，不同的1 1 对 应小同的信道容量。 1 1 2 频率选择性信道 无线移动通信系统中信道的衰落是影响系统传输性能的一个重要因素。引起 无线通信信号哀落的原因有很多种，其中个主要原因就是多径效应。 在无线通信系统中，发射信号经过直射、反射、散射等多条不同传播路径到 达接收机。随着移动台的移动，各条传播路径上的信号幅度、时延及相位随时随 地发生变化，因此接收到的信号电3 f 是起伏、不稳定的，这些多径信号相互叠加 就会形成衰落。如果叠加后的信号幅度变化符合瑞利分布，则称为瑞利衰落。 由于多径的存在，接收信号会出现时延扩展，到达接收端的信号叠加后会产 生波形展宽和波形重叠，恶化系统性能。由丁时延扩展，接收信号中一个符号的 波形会扩展到其它符号当中，造成符号间干扰( i s i ，i n t e rs y m b o l i n t e r f e r e n c e ) 。为了 避免产生i s i ，符号宽度应远远大于最大时延扩展。 在无线通信系统中，接收机接收到的信号是由多径信号构成的和信号。在和 信号中，对具有相同多径时延的信号在不同频率分量r 具有不同的衰落特性。平 信号中，对具有相同多径时延的信号在不同频率分量上具有不同的衰落特干牛。平 电子科技大学硕士学位论文 坦衰落信道( f l a tf a d i n g ) 是指在无线信道中传输的无线信号带宽内，无线通信接收机 接收信号的复包络在任两个频率分量上的相关系数不小于0 5 。 反之，对不是平坦衰落的无线通信信道则称为频率选择性衰落信道( 疔e q u e n c y s e l e c t i v ef a d i n g ) 。在频率选择性衰落信道中，由于信号某些不同频率分量的衰落情 况不一致，所以衰落信号的波形将产生失真。 在无线通信发射机发射信号带宽的某一频带内，接收机接收信号的复包络在 这个频带内，任两个频率分量上的信号分量的相关系数不小于o 5 ( 或o 9 ) 时，这段 频带宽度就称为相关带宽( c o h e r e n c eb a n d w i d t h ) 。 其中相关系数不小于o 5 的相关带宽定义为呻 ： 1 皿“ ( 1 4 ) ) z 相关系数不小于0 9 的相关带宽定义为： 1 皿“壶( 1 - 5 ) 其中r ，为多径时延。 当信号的带宽小于相关带宽时，发生非频率选择性( 平坦) 衰落：当信号带宽大 于相关带宽时，发生频率选择性衰落。 1 2m i m o 检测和预编码技术研究现状 多入多k b ( m i m o ) 多天线技术由于能提供更高的容量、更大的分集增益和干扰 抑制性能，因而成为下一代无线移动通信系统的重要组成部分 1 ”。目前，m i m o 技术在单用户点对点无线通信链路中的应用由于解决了容量、发射方案和接收检 测算法等关键问题而趋于成熟 1 ”。但在无线通信系统的应用中，考虑到多用户环 境，因此对无线多用户m i m o 系统的技术研究成为当今的热点问题【1 ”。 与传统的单输入单输出系统相比，m i m o 系统接收端接收到的是在时间上和 频带上相互重叠的多路信号，在频率选择性系统中还存在不同时刻信号间的码间 干扰。由于信号检测性能的好坏将直接影响到整个m i m o 系统性能的好坏，因此 对高性能、低复杂度的m i m o 检测技术的研究已经成为m i m o 通信中的一个重要 内容。 4 第一章引言 从m i m o 通信系统结构提出以来，国内外通信界己对m i m o 信号检测进行了 广泛和深入地研究，并且提出了多种信号检测算法。m i m o 最大似然( m l l 检测可 以使系统获得最佳误码性能，但在实际系统中往往难以实现或不能实现 “ 。接近 m l 检测性能的信号检测算法一直是m i m o 系统需要解决的问题。v i t e r b o 等 i 川在 p h o s t 等【1 6 的研究基础上提出了一种被称为球形译码( s 曲c r ed e c o d i n g ) 检测算法。 尽管如此，球形译码的计算复杂度在最差的情况下和m l 检测一样【1 “。 由于最大似然检测的计算复杂性很高，因此又提出了多种兼顾性能和复杂度 的次最优检测算法。目前普遍使用的线性次最优算法是迫零( z f ) 检测、最小均方误 差( m m s e ) 检测和v b l a s t 检测2 0 】。除此以外还包括基于格约简辅助检测 2 1 、 m i m ot u r b o 检测 2 2 却m i m o 系统的自适应均衡和盲均衡等。 在点对多点的广播信道中，由于各用户在地理位置上的差异，不能协同接收， 当各用户间的接收信号存在相互干扰时，也不能采用多用户检测的方法来避免干 扰。因此在解决无线多用户m i m o 广播信道多用户干扰问题的主要方法是采用预 编码技术。理论分析证明【2 5 ：采用d p c ( d i r t yp a p e rc o d i n g ) 等预编码方法可以 达到m i m o 高斯广播信道的容量，因此对无线多用户m i m o 广播信道的预编码技 术研究，是解决把m i m o 技术应用于新一代蜂窝系统或无线局域网的关键问题， 具有重大的研究价值。 目前，国内外对无线多用户m i m o 广播信道的预编码技术进行了积极的研究。 预编码的方法分为两大类 26 1 ，一类是线性预均衡的方法，另一类是非线性预编码 方法。典型的线性预均衡方法包括基于迫零准则和最小均方误差( m m s e ) 准则 的方案口7 1 。典型的非线性预编码方法包括：t o m l i n s o n - h a r a s h i m a 预编码( t h p ) 【2 8 【2 9 】、基于格译码的矢量预编码【3 0 1 和基于格约减辅助的矢量预编码( l a t t i c e r e d u c t i o n - a i d e dp r e c o d i n g ) 1 3 1 。 本文主要对m i m o 系统下的追零( z f ) 检测、m m s e 检测、v b l a s t 检测、格 约简辅助检测等算法以及线性预均衡、t h p 预编码、格约简辅助的矢量预编码等 算法进行研究。 电子科技大学硕士学位论文 1 3 课题来源及本文主要内容结构 1 3 1 课题来源 本课题来源于国家“8 6 3 ”项目：新一代蜂窝移动通信系统无线传输链路技术 研究。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，其目的是在后三代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。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o f d m 下行链路设计与实现。 同时本课题也是国家自然科学基金重大项目“充分利用空间资源的无线通信 传输理论”的主要研究内容。 1 3 2 本论文内容安排 本论文主要对频率选择性信道下的m i m o 检测和预编码技术进行研究，针对 其中主要的检测及预编码算法进行性能仿真并对仿真结果进行性能分析和比较。 本论文的主要内容安排如下： 第一章首先概述了m i m o 移动通信系统和主要技术；然后介绍了检测和预编 码技术的发展情况及研究现状；最后介绍了课题的来源和本文的内容安排。 第二章对平坦衰落信道下m i m o 通信系统中的主要检测算法进行了研究并且 进行性能仿真。在仿真过程中给出了仿真系统设计方案，对不同检测算法的仿真 结果进行性能分析和比较。 第三章对平坦衰落信道下m i m o 通信系统中的主要预编码算法进行研究并且 给出了性能仿真和系统仿真设计方案，对不同预编码算法的仿真结果进行性能分 析及比较。 第四章提出了一种在频率选择性信道下与判决反馈思想相结合的m i m o 检测 技术，主要针对格约简辅助的判决反馈检测算法。在研究过程中进行了性能仿真， 并且给出仿真设计方案及性能结果分析，证明了该方案在相同仿真环境下，相对 直接采用格约简辅助的检测算法，计算复杂度明显下降，同时也保证了较好的检 测性能。 6 第一章引言 第五章提出了一种在频率选择性信道下与信道矩阵块对角化思想相结合的 m i m o 预编码方案，其中主要针对与多径信道块对角化相结合的格约简辅助矢量 预编码。在研究过程中对该方案进行性能仿真，给出仿真设计方案及仿真性能分 析。仿真结果证明该方案大大降低了计算复杂度，但损失了部分的预编码性能， 需要在下一步的工作中对该方案进行改进。 第六章总结全文，并对下一步还需要做的工作提出意见和建议。 7 电子科技大学硕士学位论文 第二章m i m o 检测技术研究 在1 2 节中给出了m i m o 传输信道数学模型：y = h x + n ，在系统的接收端根 据接收数据信号y 对发送数据信号x 进行检测。通用检测模型如图2 - 1 所示。检测 的目的是对发送数据信号的恢复，但是对不同的系统和传输策略检测方案也是不 同的。 在本文讨论的各种检测算法中，假设文中的m i m o 检测系统都不涉及信道编 码；传输系统的接收端具有理想的信道状态信息矩阵h ，即采用理想信道估计， 而发送端不知道任何信道状态信息；发送数据信号矢量经过星座图调制映射后为 a = x = x l ，- x 。】1 ，每个发送符号x ，的方差为。 2 1 最大似然比检测算法 简化的通用检测模型如下图所示： 图2 1m i m o 检测结构框图 在最大似然比检测中，零均值加性高斯白噪声矢量n 。的复高斯i i d 采样值的 方差矩阵为s 。n r = o r ：2 ，。i ，因此接收信号矢量y 在发送信号矢量为x ，传输信道 矩阵为h 的条件概率密度函数为： 咖叫= 赤唧( - 喏 p ， 其中疋表示m i m o 传输信道矩阵h 的维数。 因此根据接收信号矢量y 对发送信号矢n x 的最大似然估计为： 8 第二章m i m o 检测技术研究 童= a r g m a x p ( yh ，x 1 x e a a r g m a x x e a z 砑唧 fi l y - h x m l 一百j ( 2 2 ) = a r g m i n t l y h x7 f a “ 其中卜i = ( 瓜) “。 从( 2 2 ) 式可以看出对发送信号矢量x 的最大似然比检测，在很多实际系统中等 价于对所有x a 的点进行搜索，使其满足条件“g m a 刈y i t x n 虽然最大似然