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m 工 m 0 系 统传输 检测方案的研究 摘 要 多入多出( m i m o ) 或多发多收天线( m t m r a ) 技术是无线移动通信领域智能天线技术的重 大突破，是新一代移动通信系统必须采用的关键技术。早期的研究集中于各种在多天线 上发射方案，而m i m o 系统的信道辨识、信号检测，特别是频率选择性信道下信道辨识、 信号检测等问题还有待研究。m i n 系统可以借鉴一部分的经典的方法，但相对传统的 s i s o ( 单入单出) 系统的接收检测方法有很大差异。 本文研究了m i m o 系统的 信道辨识 和均衡问 题， 在频率 选择性信道 下仿真了 一个基 于 m i m o - d f e 结构的b l a s t 接收 机。 首先 着重讨论了 判决反 馈均衡器的差 错传递和 控制问 题; 并且基于 自 相关匹配原理辨识盲信道设计了一个判决反馈型盲均衡器，将该接收机与一 些经典的均衡方案作了比较;最后结合立体图像压缩理论，利用一对立体图像作为所提 出的系统的信源输入，仿真了一个系统实例。 关键词:m i m o 系统，信道辨识/ 均衡，自相关匹配，判决反馈均衡器，立休图像压缩 m i m o系统传输检测方案的研究 ab s t r a c t t h e a p p l i c a t i o n o f mi mo ( mu l t i p l e - i n p u t - m u lt i p l e - o u t p u t ) s y s t e m i s a b r e a k t h r o u g h i n w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n a n d a n e s s e n t i a l t e c h n i q u e i n t h e n e x t g e n e r a t i o n m o b i l e c o m mu n ic a t i o n s y s t e m. e a r l y r e s e a r c h e s o n mi mo c o n c e n t r a t e d o n t r a n s mi tt i n g s c h e m e s , w h i l e c h a n n e l i d e n t i f i c a t i o n and s i g n a l d e t e c t i o n i n mi mo s y s t e m , e s p e c i a l l y o v e r f r e q u e n c y s e l e c t i v e c h a n n e l s r e m a i n c r u c i a l p r o b l e m s u n d e r i n v e s t i g a t i o n . n e w s t r u c t u r e s a n d d e t e c t i o n m e t h o d s a r e b e in g d e v e l o p e d f o r m i mo s y s t e m s . me a n w h i l e , s o m e c l a s s i c m e t h o d s i n s i s o ( s i n g l e - i n p u t - s i n g l e - o u t p u t ) s y s t e m c o u l d a l s o b e u s e d a s r e f e r e n c e s t o mi mo m e t h o d s . i n t h i s t h e s i s , c h ann e l i d e n t i fi c a t i o n a n d e q u a l i z a t i o n i n mi mo s y s t e m w e r e s t u d i e d . a b l a s t r e c e i v e r b a s e d o n mi mo - d f e s t r u c t u r e o v e r f r e q u e n c y s e l e c t i v e c h a n n e l s w a s p r o p o s e d . we p a i d s p e c i a l a t t e n t i o n t o t h e e r r o r p r o p a g a t i o n a n d c o n t r o l p r o b l e m s o f d f e ( d e c i s i o n f e e d b a c k e q u a l i z e r ) i n t h i s p a rt o f t h e w o r k . t h e n b a s e d o n a u t o c o r r e l a t i o n ma t c h i n g t h e o r y , w e d e s i g n e d a b l i n d d f e f o r mi mo s y s t e m o v e r f r e q u e n c y s e l e c t i v e c h a n n e l s . c o m p a r i s o n s w e r e t a k e n w it h o t h e r s c h e m e s . f i n a l l y , c o m b i n e d w i t h s t e r e o i m a g e c o m p r e s s i o n a l g o r i t h m, w e t r a n s mitt e d a p a i r o f s t e r e o i m a g e s o n t h e s y s t e m t o s h o w t h e a c t u a l p e r f o r m a n c e o f t h e s y s t e m . k e y wo r d s : mi mo s y s t e m , c h a n n e l i d e n t i f i c a t i o n / e q u a l iz a t i o n , a u t o c o r r e l a t i o n ma t c h i n g , d e c i s i o n f e e d b a c k e q u a l i z e r , s t e r e o i m a g e c o m p r e s s i o n m i n 系 统 传输检测方 案的 研究 引 言 近年来，由于市场需求的推动，全球移动通信技术迎来了一个高速发展的时期，第三代 移动通信( 3 g ) 技术的应用己 经在世界范围内兴起，第四代( 4 g )移动通信技术也正在研究 开发之中。无线通信网络技术的发展将必然会大大改变现有的通信网络的面貌，它使得 移动通信中一些新的功能成为可能，其中尤为重要的是用户和宽带网之间的高速可靠数 据传输以及可移动存储和信息处理。由通信技术的发展所主导的，由各种相关技术，如 微波、材料、计算机等所推动的，这场轰轰烈烈的信息革命必将极大的改变人们的生活 方式，提高生活品质，并对人类社会的发展有着至关重要的影响力。 尽管市场的需求刺激了无线通信技术的发展，目 前无线和有线之间的技术水平还有 很大差距，有线通信中的功能扩展到无线通信的领域需要克服巨大的技术障碍。这是由 无线信道的基本特点决定的。移动通信信道是一种多径衰落信道，发射的信号要经过直 射、反射、散射等多条传播路径才能到达接收终端，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，所以接收到的信号的电平是起伏、不稳 定的，这些多径信号相互迭加就会形成衰落。与其它通信信道相比，移动信道是最为复 杂的一种。例如，模拟有线信道中典型的信噪比约为4 6 d b 。而且对有线信道来说，其传 输质量是可以控制的。通过选择合适的材料与精心加工，可以确保在有线传输系统中有 一个相对稳定的电气环境。 有线传输线路中， 信噪比的波动通常不超过 1 - 2 d b 。 与此相对 照， 陆地移动无线信道中信号强度的骤然降低即衰落是经常发生的， 衰落深度可达 3 0 d b . 在城市环境中，一辆快速行驶车辆上的移动台的接收信号在一秒钟之内的显著衰落可达 数十次。这种衰落现象严重恶化接收信号的质量，影响通信可靠性。对于数字传输来说， 衰落将使比特误码率( b e r ) 大大增加。与此相对照，有线信道中能够很好工作的语音编码 器、调制解调器和同步装置在移动环境中工作性能将会大大恶化。 移动信道的衰落特性取决于无线电波传播环境。不同的环境，其传播特性也不尽相 同。例如，一个有许多高层建筑的大城市与平坦开阔的农村相比，其传播环境有很大不 同，两者的移动信道特性也大有差异。而传播环境本身是相当复杂的，这就使得移动信 道特性也是十分复杂的。要在这样的传播条件下保持可以接受的传输质量，就必须采用 各种技术措施来抵消衰落的不利影响。这就是各种抗衰落技术，包括分集、扩频 / 跳频、 m ao 系 统传输检 测方案的研 究 均衡、交织和纠错编码等。另外，信号传输方式，如调制方式，对信道中的衰落也要有 一定的适应能力。许多抗衰落实用技术己 成功地应用于模拟无线系统。在数字移动通信 中，针对数字传输的特点又发展出许多新技术。 多入多出( m i m o ) 技术是无线移动通信领域智能天线技术的重大突破。对于m i m o 系统 来说，多径可以作为一个有利因素加以利用。通过增加空间分集获得分集增益来对抗衰 落。最近的信息理论研究表明该技术能成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率，是新 一代移动通信系统必须采用的关键技术。 本文研究了 m i m o系统下的信道辨识和均衡问题，基于 m i m o - d f e结构设计了一个频 率选择性信道下的m i m o 系统的盲接收机，并且结合立体图像压缩给出了一个系统实例。 全文的安排如下:第一章介绍无线信道和m i m o 系统的基本知识， 以利于后面章节的讨论。 第二章仿真了一个基于 m i m o - d f e 的b l a s t 接收机，并且着重讨论了判决反馈均衡器的差 错传递和控制问题。第三章基于自相关匹配原理和第二章中的m 工 m o - d f e 结构，设计了一 个判决反馈型盲均衡器，并且与一些经典的均衡、辨识方法作了比较。第四章结合立体 图像压缩理论，利用一对立体图像作为第三章中提出的系统的信源输入，仿真了一个系 统实例 。 m i m 。 系 统传输检 测方案的研究 第一章 无线信道和无线通信系统 第一章 无线信道和无线 通信系统 在这一章中我们将先介绍无线信道的信道特性和常见的信道模型，这是全文分析和仿真 工作的基础。然后我们将介绍多天线系统的基本知识为以后各个章节的论述做准备。 1 . 1 无线信道的 特性 无线传输技术是一种通过空间电磁波 ( 称之为无线传输信道或无线接入信道)来传输信 息的技术。无线通信系统的各种性能很大程度上都是受到无线信道特性的约束，对无线 信道传输特性的研究是移动通信技术研究和系统设计的必要前提。无线信道的电波传播 特性与电波的传播环境密切相关。传播环境包括:地貌、人工建筑、气候特征、电磁干 扰情况、通信体移动速度、使用频段等。 无线移动通信信道可以由长期衰落和短期衰落来表征。两种衰落都与接收机天线的 位移有关。如图1 . 1 所示，接收机接收的信号可由下式表示: r ( t ) = m ( t ) x r , ( t )( 1 . 1 ) 其中。 ( t ) 为长期衰落，也称为阴影衰落，它是由于电波在传播路径上受到建筑物及 山丘等的阻挡所产生的损耗。一般遵从对数正态分布，其变化速率较慢。 r ( t ) 为短期衰落，也称为多径衰落损耗，它主要是由于多径传播而产生的损耗，它 反映微观小范围内几十波长量级接收电平的均值变化而产生的损耗。接收信号场强的瞬 时值 呈现快速变 化的 特征， 其衰落特性一 般遵从瑞 利 ( r a y l e i g h ) 分布或莱 斯 ( r i c i a n ) 分布。 短期 衰落r 。 ( 士 ) lf r 长 期 衰 m (t)1 图 1 . 1无线移动通信信道的短期和长期衰落 m i m 。 系统传输检 测方案的 研究第一 章 无线 信道和无 线通信系统 发生 非 频率选择 性衰 落( 平坦衰落) ， 即传输 后信号中 各个 频率分量 遭受的 衰落是 一致的， 因而传输后的波形不失真。当信号带宽大于相干带宽时，发生频率选择性衰落，即传输 信道对信号中不同频率分量有不同的随机响应，所以衰落信号波形将产生失真。 ( 3 )角度扩展特性和相干距离 角度扩展包括接收端的角度扩展和发射端的角度扩展。由于角度扩展，接收信号产生空 间选择性衰落。即接收信号幅值与天线的空间位置有关。空间选择性衰落用相干距离来 描述。相干距离定义为两根天线上的信道响应保持相关的最大空间距离。本文所讨论的 多天线系统是分立式多天线系统，就是各个天线的距离大于相干距离的情形。而智能天 线中天线阵各个天线阵元的距离小于相干距离，依靠洛个天线阵元的相干作用来进行波 束成型。 1 . 3 无线信道模型 上一节中讨论了无线信道的特性。这一节我们将介绍几种用计算机仿真模拟信道的方法， 以便在我们随后的讨论中使用计算机仿真来验证理论。 实际上，移动信道己成为许多理论分析和现场实测的课题，并己 得出许多有关其特 性的结果。其中有些可给出精确的数学描述，另一些则给出统计模型。然而，由于移动 信道的复杂性，仍有许多待研究课题。例如，不可能用单一的数学模型来描述所有的移 动环境。这样，不同地区、不同城市中的移动信道特性究竟如何，只有在这些环境中用 场强实测获取的数据中来确定。 3 .1 大尺度衰落的仿真 如上文 所述阴 影衰落服从对 数正态分 布。 实测 数据表明路 径损耗l ( d ) 可由 一 个均值为 及d ) ， 标 准偏差为a 的 对数 正态随机 变量表示 1 : l ( d ) = l ( d ) + xa ( 1 . 5 ) 其中 m i m o 系统传输 检测方案的 研究第一章 无线信道和无线通信系统 l ( d ) =l. (d . ) 十 ， o n lo g 票 a s ( 1 . 6 ) d o 是 一 个 参 考 距 离 ， d 是 传 输距 离 ， l ( d ) 用 分 贝 表 示 ， 与 距 离 比 的 n 次 幂 成 正 比 。 d o 一 般选择 在距离发 射天线较远距离处，k ( d ) 是 参考点 处的损 耗。 n 一 般大于自由 空间 传播 值2 0 x 。 为 标 准 偏 差 为 。 的 零 均 值高 斯 随 机 变 量。 6 一 般由 实 测 数 据 得 到 1 范 围 大 约 在 6 到 l o d b 或更大。 1 . 3 . 2 小尺 度衰落的 仿真 相比大尺度衰落，小尺度衰落的仿真要复杂一些。当我们考虑某个平均信噪比附近的无 线接收机性能时，可以只仿真小尺度衰落，加上噪声来模拟该信噪比。本节中我们将介 绍三种仿真方法。 ( 1 )基于瑞利衰落的方法 1 这个方法基于模拟仿真方法。假设信道是瑞利衰落的，将一个复高斯噪声序列通过一个 滤波器，其频谱响应为如图1 . 4 中所示的多普勒频移。如图1 . 4 所示，每一个这样的基本 单元表示一个多径，其输出和发送信号相乘，根据时延扩散图延时。由时延扩散图决定 由几个多径组成信道响应。 m 工 m o 系统传输检 测方案的研究第一章 无线信道和无线通信系统 r - m in e d s ip ,. x ( t ) a p p rox im a tio n o f d o p p le r s p re a d c o m p le x g a u s s i: m n o i s e一 n q 一 o il ,闪e a g a u s o i :m n n i, e一 (-,plea gau,ion n 一n w ( o m p lr x g a tu s i a n n o is e一 图1 . 4基于瑞利衰落的方法 这个方法有一些局限性。首先，多普勒滤波器的频带与采样频率相比很小，这样在 时域上多普勒滤波器必须很长才可以产生一个低频带。比如对于5 0 0 k h z 的比 特率进行比 特步长的仿真，如果最大多普勒频移是2 0 0 h z ，多普勒滤波器的长度为5 0 0 0 0 0 / 2 0 0 = 2 5 0 0 阶。另外为了达到时延扩展的精度，计算量也会相当大。 ( 2 )静态衰落信道模型 2 第二种方案是准静态信道仿真。基带接收信号可以表示成 ， ( ，) = 艺a ;x ( t - s ) ( 1 . 7 ) m i m 。 系统传输 检测方案的 研究第一章 无线信道和无线通 信系 统 其 中 y ( t ) 是 接 收 信 号 ， x ( t ) 是 发 送 信 号 。 a 是 复 高 斯 噪 声 采 样， 其幅 度 服 从 瑞 利 分 布 。 t j 是每 个路径的 时延。时延 扩散图 可以 采用 特定的标准，比 如说 g s m t u( 图 1 . 5 ) ， 这时可 以直 接从 标准中 得出 复高 斯随机变量a ， 的 功率和z ; 。 也可以 用解析形式给出时 延扩散图， 比 如 一 个 高 斯 时 延 扩 散 图 或 一 个 指 数 时 延 扩 散 图。 那 么t i 就 是 一 个 和 时 延 扩 散 图 有 同 样 概 率 分 布 函 数 的 随 机 变 量的 采 样 如 果 将a ， 乘 以 - p ( i 2 呱t c o s b , ) , 每 个 多 径 在 时 间 上 会 有一 个的旋转 相位， 如果对每个多 径随 机选择b t ，总 体的信 道响 应就会有图1 . 4 中 所示的 多普勒频谱。 g s m t y p i c a l u r b a n c h a n n e l p r o f i le ( t u 1 ，产钊，一通，门nqd 一一一 一， 0 一1 2 一， a 山pu一霎。几。一1门-。匡山助任ev 0 1 0 . 2 0 3 0 4 0 . 5 0 6 0 7 0 . 8 0s p a t h d e la y n o r m a li z e d t o p a c s s y m b o l p e r io d ( 5 . 2 6 u s e c ) 图1 . 5 g s m t u 信道参数 ( 3 ) j a k e s 模型的直接使用 2 j a k e移动信道模型是一个标准的频率单调衰落基带等效模型。如图 1 . 6所示，该模型假 设从 发射机到接收 机之间 存在无数 条传播路径，并且 这些反射达到移动目 标接收机的 路 径是离散均匀分布的。 m i n系 统传输检测 方案的研究第一章 无线信道和无线通信系统 (i r c u l a r s c a u c r c r re 2 i o n 图 1 . 6 j a k e 移动信道模型 传 统的j a k e s 模型是 针对单 径信道设 计的。 用式( 1 . 8 ) 产生 两个高斯随机 变量a : 和ac 作为信道的同向和正交分量: a l. 一 而 昏 c o s p c o s a wn r + -v z c o s q c o s m r j 口 = a , = 其中: 2 moy sin j3m o+ 1( =,一拒 sin 一) 厚 + a.,2i f 2 (1 . 8 ) i . m . m 。二一( 一一u， 仄 = 2 2 万 n m +l _ 2 - ) r - n , a l = cu , c o s - h 不， m 。 是低频振荡 器的 个数， w ;, 为频 率点。 a , 和a , 为 逼近的0 均值单 位方差的高 斯随 机 变 量，鸿 服从r a y l e i g h 分布。 a ， 的自 相 关 函 数 为j o ( 0j ,动， w , 为 多 普 勒 频 偏 。 j . ( . ) 为第一类零阶贝塞尔函数: j n ( x ) = 三打 c o s ( x - c o s rp ) d rp (1 . 9 ) 在仿真中， 取m o = 8 n e 1 , 2 , . . . m o , f, = 0 a t a c k s模型很容易推广到多条独立路径的 r a y l e i g h衰落信道。对每一个正弦波发生 m i m o 系统传输 检测方案的研究第一章 无线 信道和无线 通信系统 器 加 一 个 相 移y ， + 0 、 可 以 把 这 种 方 法 扩 展 到m u 个 独 立 的 瑞 利衰 落 信 号 。 : 、 和式的 选 择 不唯一，最简单的情况为: y = m 一 + 1 九 2 r r ( l 一 1 ) mo +1 ( 1 . 1 0) 把上面的相 位代入正弦 波发 生器， 则 第1 条 路径条独 立的r a y l e i g h 衰落的a ,. 和a . 由 下面的表达式给出: 。 厂m/_。_， 、 、 i c +。i a n gn v一 1 ) i r _ -，i a , =-i之 c o s 几 c o s t c or +二 :， 甲 二 +一 下丁 -下一 i +4/c o s sc o s c o n r md 又 蔺又1 ” o +i ma +1) 2 ._ 气_ 下 万 一 ， . i 乙s mpc o s l co . r + m 。 十 伙 石又 2 7r ( i - 1) 、 二. ，、 + - 丁 丁 - i + . i z s ms c o s 气r m d + 1 j) ( 1 . 1 1 ) m,+1 j a k e信道通常用于一些简单假设的移动信道仿真。如果需要对信道中多径衰落问题 进行更加细致的仿真，可以进一步使用 r i c e衰落信道、r u m m l e r 衰落信道和用户可自定 义的多径信道模型来仿真。 1 . 4 多 天线系统 m i n 系统是指在发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线，是无线移动通信领 域智能天线技术的重大突破。该技术利用多天线来抑制信道衰落，能在不增加带宽的情 况下成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率，是新一代移动通信系统必须采用的关键 技术。 实际上多进多出技术( m 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 ) 由来已久，早在 1 9 0 8 年马 可尼就提出用它来抗衰落。在7 0 年代有人提出将多入多出技术用于通信系统，但是对无 线移 动通信系统多 入多出技术 产生巨 大推 动的 奠 基工作则是9 0 年代由a t 对于数据 a 2 ，用几 f 扰抵消法将已检测的b 2 , c 2 , - - - , e 2 抵消，再用干扰置零法将未检测的 f 2 消除进 行 a 2 的检测，以此类推。 由于算法的复杂度太大， d - b l a s t 很难实际应用。 1 9 9 8年由f o s c h i n i 和 g . g o l d e n 提 出了v - b l a s t 算法， 如图1 . 8 所示。 n 此 例中n = 6 ) 路数据分 别在n 根天 线上并行 发送， 相互间没有关系。 v - b l a s t 检测算法不是对所有的发送信号一起解码， 而是首先对最强的 信号解码，然后在接收到的信号中减去这个最强的信号，再对剩余信号中的最强信号解 码，再减去这个信号， 这样依次进行，直到所有的信号都被译出。v - b l a s t 算法是算法复 杂度和译 码性能综合考 虑下 一种最优的 译码算 法。 1 9 9 8 年w o l n i a n s k y 等人采用v - b l a s t 算法建立了一个m i m o实验系统，在室内试验中达到了2 0 b i t / s / h z以 上的频谱利用率， 这一频谱利用率在普通系统中极难实现。这些工作受到各国学者的极大注意，并使得多 入多出的研究工作得到了迅速发展。 m i n 系统传输检测方案的研究 第一章 无线信道和无线通信系统 a l伦e 3d 4b 6 b l a 2f 3e 4d 5 b 2a 3f 4 e 5 d 6 d lb 3a 4巧e 6 e l d 2 b 4a 5拓 f l e 20 b 5a 6 aia 2a 3a 4a 5a 6 b lb 26 36 46 5b 6 d1d 2d 3d 4d 5d 6 e 1e 2e 3e 4e 5e 6 们t 20科f 5f 6 图 1 . 7 d - b l a s t 结构图 1 . 8 v - b l a s t 结构 基于分 集发射的 空时码可以分 为空时 格码 ( s t t c : s p a c e - t i m e t r e l l i s c o d e ) 和空 时 块码 ( s t b c : s p a c e - t i m e b l o c k c o d e )。 空时 格码有 较好的性能， 但 其译码复杂度与 传输速率成指数关系， 实现难度较大。 s . m . a l a m o u t i 在 3 中论证了通过一定的信道编码 可以 将 1 x2 的接收分集增益，转换成 2 x1 的发射分集增益而不会损失分集增益，这可 以认为是空时块码的原始模型。在这个基础上t a r o k h 提出了空时块码【 4 1 ，正交设计理 论的空时块码性能稍逊于空时格码，但其译码复杂度很低，还可能得到最大的分集发射 增益。 m i m o 系统 传输检测方案的 研究第二章 基于m i m o - d f e的b l a s t 接收机设计 第二章 基于m i m o - d f e 的b l a s t 接收 机设 计 近期的信息理论发展证明了在发送和接收端同时使用多天线( m i m o ) 可以大大提高无线系 统的频带利用率。为了利用 m i m o系统的潜 能，b e l l实验室提出了 b l a s t ( b e l l l a b o r a t o r i e s l a y e r e d s p a c e - t i m e ) 结 构 5 。相 对 d - b l a s t ( d i a g o n a l - b l a s t ), v - b l a s t ( v e r t i c a l - b l a s t ) 由于 其较简单的 发送接收结 构而受到 更广泛的关 注。 早期对于v - b l a s t的接收方案研究局限于平坦衰落信道。 为了在频率选择性衰落信道 中使 用 v - b l a s t ，研究 者提 出 了以下几种 方案 。1 ) 正交 频分复用 ( o r t h o g o n a l f 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 址 6 , 2 ) 分 层 最 大似 然 检 测 7 1 , 3 ) 基 于 m i m o - d f e ( m u l t i p l e 一 工 n p u t - m u l t i p l e - o u t p u t d e c i s i o n f e e d b a c k e q u a l i z e r ) 的 接收机 田1 9 1 1 1 0 1 。对于第一种方案尚存在峰值平均功率比、同步、信道估计等有待研究的问 题【 1 6 ;第二种方案具有过高的计算复杂度:因而第三种方案引起了研究者更大的兴趣。 多种 基于m i m o - d f e 的 接收机结 构分别被 提出。 8 1 提出了 一个 排序的 千扰消除 判决反 馈均衡器;在【 9 中比较了每级输出不同数目数据流的接收机的性能: 1 0 进一步将维特 比算法与 m 工 m o - d f e结合。然而，这些文献都着重于讨论分层 m i m o - d f e的排序、每级的 检测数目等问题，对于其差错传递问题并未关注。而分层 m 工 m o - d f e的接收机由于其反馈 结构不可避免的会产生差错传递而导致系统性能下降。 有许多方法曾被用于控制判决反馈均衡器的误差传递 i l l 1 2 ， 在这章中， 我们将这 些方法扩展到 m i m o系统中，提出了一个基于 m i m o - d f e的具有差错传递控制的接收机 1 3 仁 1 4 0鉴于已有多个基于 m 工 m o - d f e 的空时接收机结构被提出，在这里我们主要讨论 基于 m 工 m o - d f e 的空时接收机的差错控制的问题。排序连续干扰消除判决反馈均衡器结构 被用于测试差错控制方法的有效性，将这些方法扩展到其他基于m i m o - d f e 的空时接收机 是非常容易的。 本章的其余部分组织如下:第二部分描述了系统模型，第三部分首先概述了给予 m i m o - d f e的接收机结构，然后给出差错传递控制方案。仿真结果在第四部分给出。第五 部分对本章作了一个总结。 m i n 系统传输检测方案的研究第二章 基于m i m o - d f e 的 b l a s t 接收机设计 2 . 1 系统 模型 我们考虑一个有 m个发射天线和 n个接收天线的基带系统。假设准确的信道估计，接收 信号以 发射符号 速率采样， 所以 接收机也是符号间 隔采样的 ( 鉴于 扩展到分数间隔 采样 j清况很容易，此处只以符号间隔采样为例) 。 令 l + 1 代表信道长度 符号间隔采样) ，那么从发射天线 m 到接收天线 n 信道冲激响 应可以写成 : h n m = h n m ( o ) h nm ( 1 ) h n m ( l ) f ( 2 . 1 ) 将矢量 h , 。 组成 m个 n x ( l + 1 )的矩阵: ( 2 . 2 ) k 时 刻m 个天线 发送的mx 1 的 发送信号矢 量s ( k ) 有以 下空间相关 性: e (s (k )s (k ) = 令 、 ( 2 . 3 ) 其中p , 是总发 送功率。 令 s . ( k ) 为 发 送 天 线 m 在 时 刻 k 发 送 的 符 号 ， 我 们 用 矢 量 s 。 表 示 天 线 m 卜 l 十 1 个 连 续发送的符号: ( 2 . 4 ) 气leseseseseseseseseseseseseses |!l 仁几- jk:k 了附廿 一lll - 、.尹 k 厂.、 m s 这时n 个天 线上的接收 信号可表示为n x 1的矢 量x ( k ) x (k ) 二 艺h , 5 , ( k ) + n ( k ) ( 2 . 5 ) 其中 n ( k ) 是一 个n x 1 加性高斯噪声向 量。 令k , + 1 表示前向反馈滤波器阶数，我们可以定义: m 工 m o系统传输检测方案的研究第二章 基于m i m o - d f e 的b l a s t 接收机设计 ( 2 . 6 ) 门lesesesesesesesesesesesesesj 、.了f 创丸- 川以，尤- x门七 x亡划 x r十1.les几esesesl 一一 k x 可以表示成 x ( k ) = 艺瓦s . ( k ) + n ( k ) ( 2 . 7 ) 其中 门leseseseseseseseseseseseseses刁llltllllj s ( k ) = s m ( k ) s . ( k 一 1 ) ( 2 . 8 ) s ,. ( k 一 l 一 k r ) hm h, ( 2 . 9 ) hm 是一个n ( k , + 1 ) x ( l + k ,. + 1 ) 的 t o e p l i t z 阵。 ( 2 . 1 0 ) n(k)n(k-l): 是n ( k , + 1 ) x 1 的矢量。 2 . 2 带差错传递控制的基于 m 工 m o - d f e 的 b l a s t 接收机 2 .2 .1 接收机结构 如图2 . 1 所示，接收机由m 级 m i m o - d f e 组成。图 2 . 2详细描述了第 j 级 m i m o - d f e 的具 体结构。 g 代表未 被检测出 的数 据流数目 。 对于一 个有( k f + 1 ) x n 步 前向 反馈， g , x k 。 步 后向反馈的m i m o - d f e ，我们用( k , + 1 , k , ) 来表示。m 个数据流的检测顺序按 m s e ( 最小均 方误差) 由小到大排列。对每一级 m i m o - d f e检测出的数据流，只保存由排序结果决定的 m i m o系统传输检测方案的研究第二章 基于m 工 m o - d f e的b l a s t 接收机设计 数据流，其余被丢弃由下一级再检测。当一个数据流被检测出后，它就被从接收信号中 减去其干扰。 s t a g e s t a g e m - 1 s t a g e received mimosignals wei uoutputinterferencecancellation 图 2 . 1 基于 m i m o - d f e 的接收机结构 图2 . 2第 j 级m i m o - d f e 的结构 (211) 对于每一级，滤波器系数被计算来满足下式: m in e i y , ( k ) 一 s ( k 一 d ) 1 2 其中v . ( k ) 表示对于数据 流m 在时 刻k 的估 计， d 为 判决延时。 令 s , (k 一 “ 一 叫 s (k 一 d - 1) = 八 : l s m ( k 一 d 一 k , ) j ( 2 . 1 2 ) 其中s表示5的 估计。 y o ( k ) 可表示成 y . ( k ) 一 w j x (k ) 一 w ,h s ( k 一 d 一 1 ) 可得系数 ( 2 . 1 3 ) m i m o 系 统传输检测方案的研究第二章 基于 m i m o - d f e 的 b l a s t 接收机设计 lwwm j= 一p ( 2 . 1 4 ) 其中 一 (1一 ;(x (k)- s(k - d 一 1)1一 ;x(k)1)- ss(k - d 一 1)1n ) ( 2 . 1 5 ) 令g ， 为 待 检 测 数 据 流 数目 ， r 可 表 示 为 式( 2 . 1 6 ) c j yh ih in + a 2 i( h 1 ) d +2 .d + k , + l。 一 ( h g j ) d + 2 .d + k ,+ 1 1 = 1 ( 百 h - i 1d + 2 . . . d +k, +l ( 2 . 1 6 ) icun ( hg1 / d + 2 ._ d + k , + 1 乌一oj p =e ( x ( k ) s ( k 一 d 一 1 )s 几 ( k 一 d ) ) ( 2 . 1 7 ) 排序问题由未检测数据流的m s e 决定， m s e 最小的数据流将被输出。 m s e由式( 2 . e i y m ( k ) 一 s . ( k 一 d ) i2 = 1 一 群r - p . 1 8 ) 计算。 ( 2 . 1 8 ) 2 . 2 . 2差错传递控制 本文使用了两个差错传递控制方法。第一，由于差错传递由后向反馈滤波器的阶数和其 系数大小决定，如果这些系数很大，差错传递将造成很大影响。所以一个补救的方法是 对其幅度即系数的模进行控制。第二，在反馈环路上使用一些软判决器能够从一定程度 上避免在差错基础上进一步判决。 2 . 2 . 2 . 1 模控制 为了控制后向反馈滤波器系数的模，方程( 2 . 1 1 ) 应该修改为( 2 . 1 9 ) m in e y m ( k ) 一 s ,n ( k 一 d ) iz s u b