（通信与信息系统专业论文）多天线系统分集、检测及自适应技术研究.pdf

摘要 无线多输入多输出( m u l t i i n p u tm u l t i - o u t p u t ) 技术可以显著提高无线链路 容量，是下一代移动通信系统的关键技术。空间复用和自适应调制是逼近无线信 道容量的有效方式，而空间分集是提高无线系统性能的关键技术。本文以无线 m i m o 系统中的空间复用、空间分集及空时自适应技术为主要研究对象，下面是 主要研究内容。 第三章在研究v - b l a s t 系统现有检测技术的基础之上，提出了一种采用组 合的列表球形译码( l s d ) 和判决反馈( d f e ) 对v - b l a s t 进行检测的算法， 首先给出了基于z f 准则的z f l s d d f e 检测算法，接着基于m m s e 算法较好 的性能，在z f 算法基础上提出了用m m s e 准则进行预处理、l s d 以及d f e 的 m m s e - l s d - d f e 检测算法。算法能够在性能与复杂度之间获得折中，具有大大 优于d f e 检测的性能，同时较m l 检测的性能损失也不大。 第四章针对目前在接收天线数少于发送天线数时的v - b l a s t 系统尚无软输 出检测算法的现状，研究了上述条件下v - b l a s t 系统的软输出检测算法。文中 采用对p d a 算法进行推广的方法得到了在接收天线数少于发送天线数并大于发 送天线数一半时v - b l a s t 系统的软输出检测算法，之后研究了影响检测性能的 主要因素，采用减少干扰元素个数和搜索最佳元素分割的方法提高算法性能。最 后修改了算法使之能够有效地利用先验信息，适用于迭代检测环境，大大提高系 统性能。 第五章在使用传统空时码获取o f d m 等频分信道上频率分集的现有技术基 础上，指出频分信道是非全连接信道，采用这种方法不是最优的，而后在空时码 设计准则的基础上提出了非全连接信道上的编码设计准则，并通过搜索给出了一 些编码增益最大的编码，在频分信道上较采用传统空时码分集的方法有更好的性 能。 第六章讨论了a l m o u t i 空时码基础上的自适庶调制技术，由于a l m o u t i 空时 码的等效信道模型，系统即可通过发送分集提高可靠性，也可自适应的调整发送 功率和信号星座图的大小，提高系统的频谱效率。本章分析了a l m o u t i 自适应空 时码的容量，而后推导了二发一收、离散功率、离散速率的自适应空时码系统中， 不同星座图工作的信嗓比区间端点的最佳值的闭合公式，以及在此基础上的功率 和星座自适应方案 第七章对空频分组码检测技术及其在u w b 系统中的应用进行了研究。由于 空频分组码已有检测技术在多径时延扩展较大的信道中性能受子载波信道变化 的影响，存在较严重的e r r o rf l o o r 。本章提出了一种采用高斯近似的软输出检测 算法，在使用o f d m 的u w b 系统中能够较好的改进系统性能，用于迭代检测 后可迸步提高性能。 关键词：m i m o 系统，v - b l a s t ，判决反馈检测，列表球形译码，p d a 算 法，白适应调翩，正交频分复用，空时码，空频码 a b s t r a c t w i r e l e s sm u l t i i n p u tm u l t i - o u t p u t ( m i m o ) t e c h n i q u e ，ak e yt e c h n i q u eo fn e x t g e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o n ，o f f e r ss i g n i f i c a n ti m p r o v e m e n ti np e r f o r m a n c ea n d c a p a c i t yo fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s s p a t i a lm u l t i p l e xa n da d a p t i v em o d u l a t i o na r e e f f e c t i v em e t h o d st oa p p r o a c ht h ec h a n n e lc a p a c i t y , a n ds p a t i a ld i v e r s i t yi m p r o v e s s y s t e mp e r f o r m a n c e t h i sp a p e rm a i n l yf o c u s e so ns p a t i a lm u l t i p l e x , s p a t i a ld i v e r s i t y a n da d a p t i v em o d u l a t i o nt e c h n i q u e sf o rw i r e l e s sm i m es y s t e m t h ef o l l o w i n ga r ct h e m a i nc o n t e n t s i nt h et h i r dc h a p t e r , ad e t e c t i o na l g o r i t h m ，w h i c hc o m b i n e sl i s ts p h e r ed e c o d i n g ( l s d ) a n dd e c i s i o n f e e dh a c k ( d f e ) ，i sp r o p o s e df o rv - b l a s t f i r s t l y , t h e z f - l s d - d f ea l g o r i t h mb a s e do nz f ( z e r of o r c e ) c r i t e r i ai sg i v e n t h e nt h e m m s e - l s d - d f ea l g o r i t h mi si n t r o d u c e d ，i nw h i c ht h es i g n a li sp r e - p r o c e s s a d ，t h a n l s d d f ed e t e c t e dw i t hm m s ec r i t e r i a t h e s ea l g o r i t h m sc a nm a k eat r a d e o f f b e t w e e np e r f o r m a n c ea n dc o m p l e x i t y t h e i rp e r f o r m a n c ei sb e t t e rt h a nt h a to fd f e a l g o r i t h ma n dn o tm u c hp o o r e rt h a nm la l g o r i t h m t h ef o r t hc h a p t e rp r o v i d e st h es o f to u t p u td e t e c t i o na l g o r i t h mf o rv - b l a s t s y s t e mw i t hr e c e i v ea n t e n n an u m b e rl e s st h a nt r a n s m i ta n t e n n an u m b e r , w h i c hi sn o t p r e s e n t e dc u r r e n t l y 1 1 1 ep d aa l g o r i t h mi sg e n e r a l i z e da n das o f to u t p u ta l g o r i t h mf o r v - b l a s tw i t hr e c e i v ea n t e n n an u m b e ri e s st h a nt r a n s m i ta n t e n n an u m b e ra n dl a r g e r t h a no n eh a l fo ft r a n s m i ta n t e n n ah u m b e ti sd e r i v e d n e nt h em a i nf a c t o r s , w h i c h h a v en e g a t i v ee f f e c t so nd e t e c t i o np e r f o r m a n c e 。a r ei n v e s t i g a t e d ，a n dt h ea l g o r i t h m s p e r f o r m a n c ei si m p r o v e db yu s i n gm e t h o d so f d e c r e a s i n gt h en u m b e ro fi n t e r f e r e n t i a l e l e m e n t sa n ds e a r c h i n gt h eb e s tp a r t i t i o no f e l e m e n t s a tl a s t , t h ea l g o r i t h mi sr e v i s e d t 0b es u i t a b l ef o ri t e r a t i v ed e t e c t i o nb yu s i n gp r i o r ii n f o r m a t i o n ，t h u st h ep e r f o r m a n c e i si m p r o v e d al o t i nf r e q u e n c yd i v i s i o ns y s t e ms u c ha so f d m ，t h em e t h o dt oc o l l e c tt h ef r e q u e n c y d i v e r s i t yi su s i n gt h ec o n v e n t i o n a ls p a c et i m ec o d e s 1 1 1 ef i f t hc h a p t e rp o i n to u tt h a t t h ef r e q u e n c yd i v i s i o nc h a n n e li sn o tf u l l yc o n n e c t e d s ot h i sk i n do fm e t h o di sn o t o p t i m a l t h e nt h ec o d ed e s i g nc r i t e r i af o rn o tf o l l yc o n n e c t e dc h a n n e li sp r o p o s e da n d s o m en e wc o d e sw i t hm a x i m u mc o d i n gg a i nb a s e do nt h e s ec r i t e r i aa r es e a r c h e d , w h i c hh a v eb e t t e rp e r f o r m a n c et h a nu s i n gc o n v e n t i o n a ls p a c et i m ec o d e s t h es i x t hc h a p t e rd i s c u s s e dt h ea d a p t i v em o d u l a t i o nt e c h n i q u e ，w h i c hi sb a s e d o na l m o u t is p a c et i m ec o d e t h es y s t e mr e l i a b i l i t yc a nb ei m p r o v e db yu s i n gt h e 1 1 1 东南火学博士学位论文 s e n d - d i v e r s r yo f a i m o u t ic o d e sa n d t h ef r e q u e n c ye f f i c i e n c yc a r ta l s ob ei n c r e a s e db y u s i n gt h ea d a p t i v em o d u l a t i o n t h ec a p a c i t yo f a l m o u f is p a c e t i m ec o d e sa f ea n a l y z e d f i r s t l y , t h e nt h ec l o s e de x p r e s s i o n sa r ed e r i v e dt oc a l c u l a t et h et w oo p t i m a le n d s o f t h e s n ri n t e r v a lf o rd i f f e r e n tc o n s t e l l a t i o n sf o rd i s c r e t e p o w e r , d i s c r e t e - r a t ea d a p t i v e m o d u l a t i o ns y s t e mw i t ht w ot r a n s m i ta n t e n n a sa n do n er e c e i v ea n t e n n a t h ec h a p t e rs e v a nr e s e a r c h e dt h ed e t e c t i o na l g o r i t h m so fs p a c ef r e q u e n c yc o d e s a n dt h e i ra p p l i c a t i o n si nu w bs y s t e m t h ce x i s t e dd e t e c t i o na l g o r i t h m sf o rs f ch a v e s e r i o u se r r o rf l o o ri nc h a n n e l sw i t hs e v e r ed e l a ys p r e a dd u et ot h ec h a n n e l sc h a n g e d b e t w e e na d j a c e n ts u b c a r r i e r s as o ro u t p u td e t e c t i o na l g o r i t h mu s i n gg a u s s a p p r o x i m a t i o ni sp r e s e n t e di n t h i sc h a p t e r , w h i c hh a sb e t t e rp e r f o r m a n c e i n o f d m u w bs y s t e m e s p e c i a l l yw h e nt h i sa l g o r i t h mi su s e di ni t e r a t i v ed e t e c t i o n ， t h es y s t e m sp e r f o r m a n c ec a nb ei m p r o v e dm o r e k e y w o r d s ：m i m o ，v - b l a s t , d f e , l s d , p d a ，a d a p t i v em o d u l a t i o n ，o f d m ， s t c ，s f c - i v 符号说明 ) ” ( ) 7 o ( ) r e ( ) h n ( - ) e 【1 v a r 】 c o y , 1 仃( a ) d e t ( a ) v e c ( a ) d i a g ( 功 ( p ，盯2 ) c r 一2 ) 符号说明 矩阵或向量的共轭转置 矩阵或向量的转置 矩阵、向量或标量的共轭 矩阵的广义逆 取复数的实部 取复数的虚部 求期望 求方差 求协方差 矩阵a 的迹 矩阵a 的行列式 矩阵a 的按列拉直向量 以向量z 为对角元素的对角矩阵 均值为“，方差为盯2 的实高斯分布 均值为弘，方差为矿的循环对称复高斯分布 定义为 趋向于 o o m i n ( x ，) m a x ( x ，y ) 时g 哑n ( ，( 茹) ) 矩阵的k r o n e c k e r 乘积或函数的线性卷积 离散卷积 取z ，中较小的数 取善，| ，中较大的数 求使函数，( z ) 取到最小值的参数z 的值 盯g r n p ( ，( z ) ) 求使函数，( 茹) 取到最大值的参数$ 的值 数。的模或绝对值 不大于嚣的最大整数 不小于。约最小整数 m m 的单位矩阵 第k 个元素为l ，其它元素为0 的列向量 复数域 i b 黼 l 龟 c a w g n b e r b l a s t b p s k c m c p c s i c s i r c s i t d b l a s t d f e d o a f d m f f t g p d a h b l a s t i c i i s i i f f t 英文缩略词 a d d i t i v ew h i r eg a u s s i a nn o i s e b i te r r o rr a t e b e l ll a b o r a t o r i e sl a y e r e ds p a c et u n e b i n a r yp h a s es h i f tk e y i n g c h a n n e lm o d e l c y c l i cp r e f i x c h a u n e ls t a t ei n f o r m a t i o n c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o na tr a c e i r es i d e c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o na tt r a n s m i ts i d e d i a g o n a lb l a s t d e c i s i o nf e e db a c k d i r e e t i o no f a r r i v a l f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m g e n e r a l i z e dp r o b a b i l i s t i cd a t aa s s o c i a t i o n i n t e r c a r r i e ri n t e r f e r e n c e i n v e r s ef a s tf o u r i e rt r a n s f o r m l c p l d c l l r l o s l s d m i m o m i s o m l m m s e n l o s p d a o f d m o s i c 。 p a m p d a p e p p m l p s k q a m q p s k s d s d m a l i n e a rc o n s t e l l a t i o np r e c o d i n g l i n e a rd i s p e r s i o nc o d e l o g - l i k l i h o o dr a t i o l i n eo f s i g h t l i s ts p h e r ed e c o d i n g m u l t i p l ei n p mm u l t i p l eo u t p u t m u l t i p l ei n p u ts i n g l eo u t p u t m a x i m u ml i k e h o o d m i n i m u mm e a n - s q u a r ee r r o r n ol i n eo f s i g h t p r o b a b i l i s t i cd a t aa s s o c i g i o n o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u r i p l e x o r d e r e ds e r i a li n t e r f e r e n cc a n c o l l a t i o n p u l s ea m p l i t u d em o d u l a t i o n p r o b a b i l i s t i cd a t aa s s o c i m i o n p a i r w i s ee r r o rp r o b a b i l i t y p a r t l ym a x i m u ml i k e h o o d 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 tk e y i n g s p h e r ed e c o d i n g s p a c ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c o s s s f b c s f t c s i s 0 s i m o s n r s t b c s t t c s v d t c m u w b v 二b l a s t w l a n z f s p a c ef r e q u e n c yb l o c kc o d e s i n g l ei n p u ts i n g l eo u t p u t s i n g l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t s i g n a lt on o i s ep o w e rr a t e s p a c et u n eb l o c kc o d e s p a c et i m et r e l l 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 k i l l sc o d e dm o d u l a t i o n u i t r aw i d e b a n d v e r t i c a lb l a s t w i r e l e s sl a n z e r of o r c i n g - i ) ( - 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位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，也不包含为获得东南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。 研究生签名；。蚕塑望日期：出，矿 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：苴塑望导师签名：研究生签名：亟! 望璺导师签名：日期：笙! ：! ：，i 第1 章绪论 1 1 研究背景 无线通信在过去几十年中得到了飞速的发展。从短距离的蓝牙技术到大覆盖 范围的蜂窝移动网络，存在着各种各样满足不同需求的无线应用。在第二代移动 通信系统的极大成功下，数据传输，视频数据，电视会议等新的需求对未来无线 通信系统提出了高的要求。为了高质量的满足这些需求，必须极大的增加数据传 输速率。另一方面，近期快速成长的无线局域网( w l a n ，i e e e8 0 2 1 i ) 业务 表明商业市场对高速无线数据传输的大量需求。因此，需要大容量低代价的系统 来满足当前和未来的需求 在传统的单个发送天线，单个接收天线的单发单收( s i s o ) 系统中，提高 数据速率可以通过增加信号带宽或者增加发送功率来达到。然而，在绝大多数的 应用中，带宽资源通常都是非常宝贵的，因此增加带宽并不合适。而增加发送功 率需要昂贵的射频功率放大器，同时会减少移动端的电池寿命，通常也不是所希 望的。在这样的约束下，要达到高速率通信同时不过多增加代价的目标看起来是 似乎是不可实现的。 幸运的是，最近在多个发送天线，多个接收天线的多发多收( m i m o ) 系统 中舌勺理论研究获得了突破。理论表明，只要接收天线的个数不少于发送天线个数， m i m o 系统的容量随发送天线数的增加线性增长 1 1 1 2 1 。这一发现的重要性在于 它指明了可以通过增加发送天线数线性的提高通信速率，而不需要增加信号带宽 或者发送功率。虽然m i m o 系统使得射频前端和信号处理的计算复杂化，但它 可以以低代价获褥高通信速率的特性仍然具有非凡的吸引力。 1 2 圳m o 技术现状 为了尽可能的利用m i m o 系统的容量，人们进行了大量的研究。研究的指 导思想就是对多个发射天线和多个接收天线形成的空间维进行开发和利用，或者 通过收发天线形成的多个数据通道提高信号的传输速率，或者通过发射分集和接 收分集改善信号的传输质量。m i m o 系统由于多天线引入的空间维使系统能够在 空间和时间对信号进行二维映射，从而在不增加带宽和发射功率的前提下提高用 户数据速率或接收信噪比。对于确定的m i m o 系统结构，需要解决的问题是， 如何设计映射方法使无线链路的性能达到最佳? 根据系统不同的衡量指标( 比特 速率、可靠性等1 ，m i m o 系统采用的映射方法主要有空间分集、空间复用、波 束赋形等，它们分别以不同的系统设计准则完成数据符号流的映射关系。 东南大学博士学位论文 j l li i 1 2 1 空间分集 空间分集技术主要从接收分集发展而来无线信道中由于多径传播的影响 接收信号功率总是波动的。当信道处于深衰落状态时，接收信号功率显著下降。 性能急剧下降。分集技术能够有效地对抗信道衰落。而接收天线分集是最简单的 分集技术，空间分集由接收分集进一步发展而来。 接收天线分集通常在单发一收的s i m o 信道中采用【3 】当接收机各天线之 间的间距足够大时，多个不同天线接收到同一信号的不同衰落版本。接收机将这 些信号合并，所得信号的衰落幅度大大小于单个天线上的接收信号，天线数越多 信号越稳定。分集技术中最重要的是能够得到多少独立衰落的信号版本，通常称 为分集阶数，在s i m o 信道中为接收天线的个数。 接收天线分集需要接收端不受空间限制，能够配备多个天线，这在上行链路 的基站端是可行的，但是在下行链路的移动端，由于体积限制难以实现。与接收 天线分集相对应，人们考虑能否在发送端采用天线分集。于是发展了发送分集技 术。发送分集目前是无线通信中的一个热门研究领域，适用于多发单收的m i s o 信道。为了无论在发端是否具有信道信息的条件下都可获得发送分集，需要在空 间和时间两维上联合设计发送信号。早期的发射分集采用编码和在不同天线空间 维上的信号设计来获得，空间和时间两维的设计相互分离，性能有限。如【4 】 5 】 中的故意频偏发射分集，通过在发送天线中人为引入频偏，制造出接收端的快衰 落，分集通过适当设计的编码交织对从快衰落中获得。也有一些早期方案采用 简单的线性空时处理获得空间分集，如【6 1 【7 】中的延时分集技术，通过在不同天 线上延时发送，人为的制造多径，接收端可采用空时处理和最大似然检测从多径 分集中获得发送分集。延时分集已经采用对信号在空时两维上对信号进行设计的 技术，可以视为一种简单的空时码，只是未上升到理论高度。 经过长期的技术积累，t a r o k h 等人在前人工作的基础上，认识到发送分集的 获得本质上需要在空间和时问两维上对发送信号进行联合设计，并从理论上推导 出了编码的设计准则，设计了一系列空时格码( s t t c ) ，在发端不需要任何信道 信息的条件下能够得到所有的发送分集，并得到一定的编码增益【8 】，开辟了空 时码进行发送分集的新领域，在此基础上人们对空时码进行了广泛深入的研究。 t a r o k h 的空时格码能够在信号星座、传输速率、分集增益和网格复杂度之间进行 折中，但是当发射天线数目固定时，其译码复杂度随分集重数和传输速率的变化 指数增加，并且当天线数较多时，编码难以设计。a l m o m i 随后提出了+ 。种两个 发送天线时的简单分集方案，能够在线性时间内检测【9 】。t a r o k h 采用数学中的 正交设计理论将之进一步推广为空时分组码( s t b c ) 1 0 1 ，它能够得至所有分 集，并在线性时间内进行最大似然检测，实现简单。但是在发送天线数大于2 ， 且采用复数信号时会有一定的速率损失。另外与s t t c 相比，s t b c 没有编码增 益，因此在实际应用中需要与信道编码相结合。由于s t b c 在采用复信号时有速 率损失。人们又提出了线性星座预编码【l l 】 1 5 1 ，通过对发送信号采用一定的线 第1 章绪论 性变换预编码后发送，接收端采用球形译码进行检测，可以得到所有分集，并且 没有速率损失，但是检测时复杂度较大。 上面的空时码检测时，要求接收端具有信道信息，这需要信道保持时间上的 相对稳定以便估计信道，而在移动无线信道中，信道变化相对较快，且m i m o 信道估计需要较多的开销，对s t t c 和s t b c 的应用不利。为此，h o e h w a l d 等 人提出了酉空时码【1 6 】，它们在每个天线上的发送信号相互正交，能够在接收端 没有信道信息时检测。之后。基于单天线差分调制不需要估计信道的理论启发， 人们又提出了差分酉空时码【”1 【”1 ，检测相对简单，s t b c 也在文献【1 9 】 2 0 】中被 差分化。 发送分集除了可以窄时= 维联合设计优化外也可卒频联合设计来获得 【2 l 】【2 2 】。在采用o f d m 的m i m o 系统中，可以将s t t c 、s t b c 或线性预编码 嵌入空频二维空间进行发送获得分集【2 2 】【3 l 】，但是在多径系统中，还存在着频 率分集。为同时获得空间和频率分集，需要仔细设计空频码。文献【3 2 】- 【3 5 】中通 过采用仔细设计的子载波分组预编码，能够在不损失速率的条件下同时获得所有 的空间分集和频率分集，但是由于采用维数较多的预编码，检测时复杂度较高。 m i m o 信道中分集的获得需要联合利用上面的接收分集和发送分集技术。如 果所有发送天线和接收天线之间的衰落相互独立，能够获得的分集阶数等于发送 天线数和接收天线数乘积。上面所述s r r c ，s t b c ，预编码等发送分集技术都 可以获得所有空何分集。 1 2 2 空间复用 上面的空间分集无论发端或者收端只要一方有多个天线就可实现，而空间复 用则要求收发两端都采用多个天线，利用传播环境的丰富散射，在同一频带形成 多个数据通道，使系统容量随天线数线性增长。在不增加带宽和发送功率的条件 下可获得发送速率的线性增加( 数量上为收发天线数的小值) 。空间复用基本原 理是将发射的高速数据流分流成几个并行的低速数据流，调制后分别在各自天线 上的同一频带同时发射出去。在适当的多径散射信道条件下，每个发射天线对于 接收天线阵列引入的信道空间特征都不同，接收机利用信道特征的不同分离出独 立的数据流，合并后可得到原始数据流。这样空间复用可按收发天线对的个数成 比例的增加传输速率。 空间复用技术的研究由f o s e h i n i 开始，他在m i m o 容量研究的基础上对如 何实际逼近容量进行了研究，提出了一种对角空时结构的空间复用方法【3 6 】，能 够有效的提高系统容量，现在通常称为d - b l a s t ( d i a g o n a lb e l l l a b sl a y e r e d s p a c e = t i m e ) 。d - b l a s t 将原始数据分流为多个数据流，每个数据流编码后分为 多个子块( 子块数与天线数一致) ，在不同天线上依次发送，空时二维结构图中 表现为每个数据流在同对角线上的子块中发送，因此称为对角空时结构。 d b l a s t 需要信道保持长时间的稳定，应用相对困难，v - b l a s t ( v e r t i c a l b l a s t ) 是另一种复用方式f 3 7 】【3 9 1 ，其信号分流调制后在各自对应天线上周肘 并行独立的发送，空时二维结构图中表现为垂直结构。b l a s t 的检测主要采用 将不相关信号置零的n u l l i n g 和消除己检测信号影响的c a n c e l l i n g 方法，将不相关 信号影响置零后检测信号，而后将以检测信号对其它信号的影响消除，再递归的 检测其它信号。在v - b l a s t 中还需要一个信号排序的过程，每次选择有最强的 n u l l i n g 后信噪比的信号检测。 1 2 3 波束赋形 除了空间分集和空间复用外，波束赋形也是m i m o 系统的一项常用技术 空间分集和空间复用主要用于发端没有信道信息的情况，在发端有信道信息时采 用波束赋形可以带来更高的通信效率。传统的波束赋形是智能天线的基本技术， 适用于天线间距离较小，信道相关性较强的情形，其主要原理是，基站根据用户 信号不同的空间到达方向( d o a ) ，自适应的计算一组加权系数，并用之对不同天 线加权后在目标用户方向形成波束，在干扰用户方向形成深陷，从而实现基于干 扰抵消的空间滤波，如果信号到达天线的角度可以足够分离，波束赋形还可以实 现空分多址接a ( s d m a ) 4 0 一1 4 4 】智能天线通常只有一路数据，在天线间距离 较大，信道相对独立时，发端还可利用信道的独立性，对矩阵信道进行奇异值分 解，而后利用信道的多个特征模式，分别对多个独立数据同时进行赋形后发送， 并且可以根据信道强弱采用注水方式在特征信道上分配数据，可以得到较空间复 用更高的速率，提高通信效率 4 5 h 5 4 】 1 。3 论文主要内容 本文生要研究了m i m o 系统的检测和自适应技术井对空时码技术在频分 信道上的应用进行了研究。具体内容如下： 第二章主要介绍了无线m 1 m o 信道的信道模型，揭示了m i m o 系统的巨大 容量，而后简单介绍了当前的主要m i m o 技术 第三章对v - b l a s t 的检测技术进行7 研究。在现有检测技术的基础之上， 提出了一种采用组合的列表球形译码和判决反馈对v - b l a s t 进行检测的算法 接着基于m m s e 算法较好的性能，在z f 算法的基础之上提出了基于m m s e 准 则进行预处理，l s d 检测后再d f e 的检测算法。算法能够在性能与复杂度之间 获碍折中，具有大大优于d f e 检测的性能，同时较m l 检测的性能损失不大 第四章针对目前在接收天线数少于发送天线数时的v - b l a s t 系统尚无软输 出检测算法的现状，对上述配置时v - b l a s t 系统的软输出检测算法进行了研究 文中首先对p d a 算法进行了讨论，而后对之进行了推广，据此得到了在接收天 线数少于发送天线数并大于发送天线数一半时v - b l a s t 系统的软输出检测算 第1 章绪论 法，并对影响检测性能的主要因素进行了研究，采用了减少干扰元素个数和搜索 最佳元素分割的方法提高算法性能。最后对算法在有先验信息的条件下进行了修 改。使之适用于迭代检测，大大提高系统性能。 第五章指出在诸如o f d m 的频分信道上现有的将不同频点视为天线，采 用传统空时码进行分集的方法不是最优的。频分信道是非全连接信道。而后在空 时码设计准则的基础上推导得到了非全连接信道上的编码设计准则。并通过搜索 给出了一些编码增益最大的编码，在频分信道上较采用传统空时码的方法有更好 的性能。 第六章讨论了窄时码基础上的白适应调制技术，依靠卒时码提供的分集增益 提高系统的可靠性，同时通过自适应调制技术自适应的调整发送功率和信号星座 大小，提高系统的频谱效率。文中首先分析了自适应空时码的容量，而后推导了 二发一收、离散功率、离散速率的自适应空时码系统中。不同星座图的工作信噪 比区间端点最佳值的闭合公式，以及在此基础上的功率和星座自适应方案。 第七章对空频分组码的检测技术及其在u w b 系统中的应用进行了研究。通 过对空频码已有检测技术的研究，指出其在多径时延扩展较大的信道中性能受到 子载波信道变化的限制，并提出了一种采用高斯近似的软输出检测算法，能够较 好的在u w b 信道中改进系统性能，该算法可用于迭代检测，进一步提高性能。 最后给出了论文的总结，并指出了进一步研究方向。 5 第2 章无线m i m o 信道模型，信道容量及 其技术 2 1引言 信号是信息的载体，而任何通信都是通过信号在物理信道中的实际传输来实 现的，都必须根据实际信道的特点，选择相应的通信及信号处理技术。因此必须 首先掌握实际信道的物理特性，才能给出有的放矢的技术方案。针对其缺点要尽 量的克服，而对其优势要尽可能最大化的利用，提高整个系统的容量和可靠性 无线信道由于环境的复杂性，电波在传输过程中会遇到各种建筑物，树皮， 植被以及地形起伏等因素影响，引起电波的反射、散射和绕射，受到不同种类的 衰减损耗，这些损害可归结为三类： 路径传播损耗：也称大尺度衰落，是指电波在空间传播时由于距离远近而固 有的损耗，距离越大损耗越大，反映了传播在宏观大范围公里级的空间距离上的 接收信号电平的均值变化趋势。 阴影衰落：也称中尺度衰落，是指电波在传播路径中由于受建筑物，山丘等 大物体阻挡导致的阴影效应而引起的损耗。反映了中等范围几百波长量级接收电 平的均值变化而产生的损耗，一般服从对数正态分布，变化速度较慢。 多径衰落损耗：也称小尺度衰落，是指由于多径传播而产生的损耗，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，接收信号场强呈现 出随空间位置的变化而快速变化的特征，其衰落特性一般服从瑞利分布或莱斯分 布。 另一方面，在移动端通常还存在着移动性，移动性的引入使得接收信号场强 电平随时间变化而变化，导致接收信号的频谱展宽，信道呈现出快速时变特性 通常用时间相关函数描述移动信道的时变特性，在丰富散射多径的环境下，常用 的模型是j a k e s 模型【3 】和c l a r k e 模型【5 5 】 以上的种种特性导致无线信道成为通信中最为复杂的信道之一。传播损耗和 阴影衰落主要影响无线小区的覆盖，与小区规划有关；而多径衰落严重影响信号 传输质量，与设计可靠有效的无线通信系统紧密相关。而移动性使得通信设备需 要在发送信号中频繁的插入导频信号，定时估计信道，跟踪信道的变化，以对付 信道的时变特性，增加了系统开销，降低了通信速率。 而m i m o 信道由多个天线对之间的信道组成，不同天线对之间的信道又可 能存在或不存在相关性，因此m i m o 信道是一种极为复杂的信道。 东南人学博士学位论文 2 2 信道模型 这一节首先依次简单介绍s i s o 、s i m o 、m i s o 信道，最后是m i m o 信道以 及它们的输入输出数学模型。 2 2 1s i s o 信道 令h ( r ，t ) 表示包括从发端波形成形滤波器，物理信道，收端匹配滤波器在内 的时变信道冲击相应 ( r ，t ) 表示时刻t 信道对t r 时刻单位冲击的响应。若信 号s ( t ) 在发端发送，那么接收信号由下式给出 r ( t ) = j 。 ( r ，t ) s o r ) d r + n ( t ) = ( 下，t ) o j ( t ) + n ( t ) 式中。表示卷积，n ( t ) 为加性高斯噪声若系统为经过采样的离散时间系统， h h 七) 为时刻k 信道对一t i 时刻单位冲击的响应，那么接收信号与发送信号 o ( ) 关系如下 r ( 七) = = 芝： ( 竹，后) s ( n ，后) + n ( 七) = ( n ，七) o 占( n ，七) + n ( 后) ”o o 为离散卷积，靠 ) 为加性离斯噪声。 2 2 2s i m o 信道 考虑一收端有，n 个天线的s i m o 系统。s i m o 信道能够分解为住个s i s o 信 道。若将发送天线和第i 个接收天线之间的信道记为也( f ，t ) ，那么s i m o 信道可 表示为t i l 的矢t h ( r ，t ) r1 t h ( r ，t ) = l 啊( f ，t ) 2 ( l t ) _ i ，i ( r ，t ) i 若信号3 ( t ) 在发端发送，那么第i 个接收天线的接收信号( t ) 由下式给出 气( t ) = 屯( 7 ，t ) os ( t ) + q 0 ) ，f = 1 t2 ，n r 如果将他个天线的接收信号记为，l 1 维矢l r ( t ) = j 吒( t ) 吩( t ) 吃( t ) j