mimoofdm系统联合检测算法研究.pdf

单位代码: 10293 密 级: 硕 士 学 位 论 文 论文题目: mimo-ofdm 系统联合检测算法研究 y001090215 沈小祥 邵世祥 教授 通信与信息系统 移动通信与无线技术 工学硕士 二零一二年三月 学号 姓名 导 师 学 科 专 业 研 究 方 向 申 请 学 位 类 别 论 文 提 交 日 期 南京邮电大学学位论文原创性声明 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己经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得南京邮电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己在论文中作了明确的说明井表示了谢意。 本人学位论文及涉及相关资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 南京邮电大学学位论文使用授权声明 本人授权南京邮电大学可以保留井向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电于文 档；允许论文被查阅和借阅；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、汇编本学位论文。本文电于文档的内容和纸质 论文的内容相一致。论文的公布（包括刊登）授权南京邮电大学研究生院（筹）办理。 涉密学位论文在解密后适用本授权书。 研究生签名: 日期: 研究生签名:_ 导师签名:_ 日期:_ 南南南南 京京京京 邮邮邮邮 电电电电 大大大大 学学学学 硕士学位论文摘要硕士学位论文摘要硕士学位论文摘要硕士学位论文摘要 学科、专业:工学 通信与信息系统 研 究 方 向:移动通信与无线技术 作 者:2009 级研究生 沈小祥 指 导 教 师:邵世祥 教授 题 目:mimo-ofdm 系统联合检测算法研究 英 文 题 目:research on joint detection algorithm of mimo-ofdm system 主 题 词:多输入多输出，正交频分复用，线性联合检测，qr 分解 keywords: mimo, ofdm, linear joint detection, qr decomposition 南京邮电大学硕士研究生学位论文 摘要 i 摘要摘要摘要摘要 因为 mimo-ofdm 系统能够在不增加带宽的前提下成倍地增长系统的容量， 而且可以有 效地抵抗频率选择性衰落，所以被视为将来无线高速通信的完美选择。然而，mimo-ofdm 系统的载波间干扰（ici）会严重破坏系统的性能，所以说，研究 mimo-ofdm 系统的联合 检测算法具有十分重要的意义。 论文首先介绍了 mimo 技术和 ofdm 技术的基础知识，分析了 mimo 系统容量，讨论 了 mimo 系统中的空时预处理技术。 接着论文还建立了 mimo-ofdm 系统的数据传输模型， 而且介绍了 mimo 技术和 ofdm 技术几种典型的组合模型。论文研究了线性联合检测算法， 重点分析了几种经典的联合检测算法:迫零数据块均衡算法（zf-ble） 、迫零数据块判诀反 馈算法（zf-bdfe） 、最小均方误差数据块均衡算法（mmse-ble） 、最小均方误差数据块判 诀反馈算法（mmse-bdfe）和基于 mmse-ble 算法的井行干扰抵消算法（mmse-pic） 。 论文还研究了基于 qr 分解的联合检测算法， 井将上述联合检测算法应用于 mimo-ofdm 系 统，得出系统性能仿真曲线，分析了各种算法的性能。 论文在研究了现有的基于qr分解的联合检测算法和分析了mimo-ofdm系统干扰特点 的基础上，将 qr 分解和 ml 算法相结合，对联合检测算法进行了改进，得到了一种新的联 合检测方案（qr-ml） ，仿真结果表明修改后的联合检测方案能够改善系统性能，增大系统 容量。 关键字关键字关键字关键字:多输入多输出，正交频分复用，线性联合检测，qr 分解 南京邮电大学硕士研究生学位论文 abstract ii abstract the mimo-ofdm system is regarded as the perfect choice for future high-data-rate wireless communications, because it can grow system capability exponentially without increasing bandwidth and resist the effort of frequency-selective fading. however, the performance of mimo-ofdm system may be seriously degraded by ici. so it is important to research on joint detection (jd) in mimo-ofdm system. firstly, this paper introduces the basic models and principles of mimo and ofdm techniques, analyses the capacity of mimo system, discusses the space-time preprocessing technique of mimo systems, and then sets up the data transmission model of multi-user mimo-ofdm system, and describes several different ways for ofdm technology union with mimo technology. this paper also researches on linear joint detection algorithms, focusing on several classic algorithms: zero-forcing block linear equalizer (zf-ble); zero-forcing block decision feedback equalizer (zf-bdfe); minimum mean-square-error block linear equalizer (mmse-ble); minimum mean-square-error block decision feedback equalizer (mmse-bdfe) and parallel interference cancellation based on mmse-ble (mmse-pic). then this paper introduces joint detection algorithms based on qr decomposition. the above-mentioned joint detection algorithms are applied in mimo-ofdm systems, in order to obtain the simulation curves of system performance and analyze the performance of various algorithms. the key point of this paper is that after studying the existing joint detection algorithms based on qr decomposition and analyzing the characteristics of mimo-ofdm system interference, propose to amend the existing joint detection algorithms, resulting in a new joint detection scheme (qr-ml). simulation results show that the revised joint detection scheme can improve system performance, and increase system capacity. keywords: mimo, ofdm, linear joint detection, qr decomposition 南京邮电大学硕士研究生学位论文 目录 iii 目录目录目录目录 摘要.i abstract. ii 第一章 绪论.1 1.1 研究背景以及意义.1 1.2 移动通信的发展.2 1.3 论文的研究内容和结构安排.4 第二章 mimo-ofdm 技术 .5 2.1 mimo 技术 .5 2.1.1 mimo 系统信号模型 .5 2.1.2 mimo 信道容量分析 .6 2.1.3 mimo 系统的空时预处理技术 .8 2.2 ofdm 技术.12 2.2.1 ofdm 基本原理.12 2.2.2 ofdm 的实现.14 2.3 mimo-ofdm 系统模型 .16 2.3.1 mimo-ofdm 系统的概述 .16 2.3.2 几种典型的 mimo-ofdm 系统 .17 2.4 本章小结.20 第三章 mimo-ofdm 系统中线性联合检测算法研究 .21 3.1 mimo-ofdm 系统数据模型 .21 3.2 联合检测算法概述.22 3.2.1 联合检测算法的提出和分类.22 3.2.2 联合检测算法的衡量标准.25 3.3 最大似然检测算法.26 3.4 线性联合检测算法.26 3.4.1 基于迫零（zf）准则的检测算法.27 3.4.2 基于最小均方误差（mmse）准则的检测算法.28 3.4.3 mmse 和 pic 的结合算法.30 3.5 算法仿真结果和分析.31 南京邮电大学硕士研究生学位论文 目录 iv 3.5.1 仿真条件.31 3.5.2 仿真结果和分析.31 3.5.3 运算量分析.35 3.6 本章小结.37 第四章 基于 qr 分解的检测算法研究.38 4.1 v-blast 检测算法.38 4.2 基于 qr 分解的检测算法.39 4.2.1 基于 qr 分解的迭代干扰抵消算法.39 4.2.2 基于 sqrd 的 zf 干扰抵消算法 .40 4.2.3 基于 sqrd 的 mmse 干扰抵消算法.41 4.3 算法仿真结果和分析.42 4.3.1 仿真条件.42 4.3.2 仿真结果与分析.43 4.3.2 运算量分析.45 4.4 本章小结.46 第五章 新的基于 qr 分解的联合检测方案（qr-ml）.47 5.1 qr-ml 检测方案的基本原理.47 5.2 qr-ml 检测方案的信号处理过程.48 5.2.1 基于 qr 分解的部分 ml 检测.48 5.2.2 干扰抵消.49 5.3 qr-ml 检测方案的性能仿真与分析.50 5.3.1 仿真条件.50 5.3.2 仿真结果与分析.50 5.3.3 运算量分析.52 5.4 本章小结.52 第六章 结束语.53 6.1 论文工作总结.53 6.2 下一步研究工作展望.54 致谢.55 攻读学位期间公开发表论文.56 参考文献.57 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章 绪论 1 第一章第一章第一章第一章 绪论绪论绪论绪论 本章首先介绍了论文的研究背景，讲述了无线通信的最新研究方向，然后说明了论文的 研究内容，最后给出了论文框架及内容安排。 1.1 研究背景以及研究背景以及研究背景以及研究背景以及意义意义意义意义 近年来，随着人们对移动通信系统所能提供业务的种类和质量要求的提高，无线移动通 信技术己经从传输模拟信号的第一代（1g）通信系统，发展到传输数字信号的第二代（2g） 通信系统，井正如火如茶地开展着第三代（3g）通信系统的商用普及工作，以及实施着将 b3g/4g 宽带通信系统投入商用的计划。 从技术角度上看， 依次经历了单个载波技术到多个载 波技术的发展，从单大线技术、智能大线技术到 mimo 技术的发展，从模拟信号通信到数字 信号通信的发展，从频分复用（fdma） 、时分复用（tdma）到码分复用（cdma）再到正 交频分复用（ofdm）的发展1，甚至于它们的混合运用。 将 mimo 技术和 ofdm 技术结合在一起的 mimo-ofdm 系统， 因为其集中了 mimo 技 术和 ofdm 技术的诸多优点，具有强大的数据传输能力，能够实现更高的频谱利用率，达到 惊人的数据吞吐量，所以被作为核心技术广泛地应用于 b3g/4g 移动通信系统的物理层23。 而且，mimo-ofdm 技术可以大幅提高系统的容量4，因为它能有效地降低无线信道中小尺 度衰落的影响。多大线技术可以利用空间分集技术来提高系统容量，同时多大线还可以避免 阴影效应，以实现无缝隙覆盖。ofdm 技术可以极大地提高系统的频谱利用率，而且因为 ofdm 技术降低了码片传输速率井且添加了时间保护间隔，所以它拥有非常强大的对抗多径 干扰的能力。当多径的时延不大于系统的保护间隔时间时，系统中将不会出现码间串扰5 （isi） 。 在 mimo-ofdm 系统中，因为瑞利信道破坏了载波间的正交性，所以存在载波间干扰 （ici） 。由于发送端多大线同时发送信号，所以接收端检测算法性能的好坏，以及检测算法 的复杂度都直接影响通信系统的服务质量，甚至影响其商业价值。这就诀定了联合检测技术 在 mimo-ofdm 系统中的重要性，联合检测技术是在传统检测技术的基础上，联合利用所有 用户的信息，提高目标用户的信号检测质量，增加系统容量，从而提高目标用户的服务质量。 基于此，研究联合检测技术是提高 mimo-ofdm 系统性能的关键途径之一。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章 绪论 2 1.2 移动通信的发展移动通信的发展移动通信的发展移动通信的发展 近些年来，移动无线通信的飞速发展己经使得无线通信成为现代通信领域内最重要的产 业与通信手段。赫兹在 19 世纪完成的电磁场辐射实验被公认为是现代无线移动通信的起源， 因为这个实验使人们掌握了控制电磁能量的方式，接着马可尼在大西洋两岸通过无线电通信 证明了电磁波具有传输信息的能力， 而麦克斯韦的电磁波方程组奠定了无线通信的理论基础。 但是真正第一个进行无线通信的是美国底特律警察局，他们在 20 世纪 20 年代使用的工作于 2mhz 的专用无线通信系统是现代无线移动通信开始的标志，而且无线移动通信到现在己经 经历了三代的发展。 社会的发展和业务量的快速上长，导致频谱资源日益紧张，所以开发拥有更高频谱利用 率的通信系统是社会发展的必然需求。在 1985 年，国际电信联盟（itu）提出了开发 3g 通 信系统的计划，最初将这一高速的通信系统称为未来公共陆地移动通信系统（fplmts） ，后 来在1996年更名为imt-2000，其打算是在2000年左右试运行这一工作在2000mhz左右的 频段、能够提供高达2mb/s的通信系统。3g移动通信系统的最初规划是:在设计上，世界范 围内要求高度统一，可以和固定网络兼容各种业务，高服务质量，在全球范围任何地方都可 以使用的小终端，具有全球漫游能力，支持多媒体功能和广泛业务。但是从3g系统商用的 实际情况来看，以上目标有很多都没有实现。 数据业务无疑将会成为未来无线移动通信竟争的焦点，所以从长期发展的角度来看，现 在己经商用的3g/3.5g通信系统井不是最理想的解诀方案， 再加上面临着以ieee802.20技术 为代表的宽带无线接入技术的竟争，无线通信技术必须加快后续的研究和开发。目前，国际 标准化组织正积极推动无线传输速率从2mb/s到100mb/s（e3g）和1000mb/s（b3g）的发 展6。 在2008年初， 国际电信联盟己经在全球范围内开始了一系列有关技术提案的相关工作， 包括方案征集，系统评估，技术融合以及统一标准化在内的一整套的4g无线移动通信系统 的国际标准化过程（称为imt-advanced） 。现在，国际上对于4g的定义己经非常明确，从现 在己确定的标准中可以看到，ofdm/ofdma、mimo和智能大线技术是4g的主流技术78。 4g通信系统的网络架构是分布式的9，井且4g通信系统还支持宽带接入技术，包括宽 带无线固定接入，无线局域网接入技术，移动宽带接入和互操作的广播网络等。这些技术都 有助于4g通信系统达到拥有室外100mb/s室内甚至超过1gb/s不对称数据传输速率的目的。 总的来说4g通信系统是一种具有多种用途的无线移动通信系统，也可以将它归属于基于ip 的宽带接入系统，基于以上的分析，我们可以对4g系统作以下期望10: （1） 对数据传输的速率和传输的质量都有很高的要求。能够高速地传输多媒体信息是 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章 绪论 3 对未来无线移动通信网络的基本要求，其在室内外的最大传输速率分别要达到 1gb/s 和 100mb/s，地区性的无缝覆盖，qos 保障机制以及很低的信息比特开销等功能。 （2） 灵活多样的业务。未来的无线通信系统应该能够无缝连接各种媒体、通信系统， 使得用户可以在保障服务质量无任何变化的提前下，在各种通信网络之间任意转移，所以这 就要求新的无线通信网络具有转换媒体、网络之间的接入管理和鉴权等功能。 （3） 智能的无线网络。未来的无线通信系统应该是能够高度自治的、拥有自适应能力 的通信系统，而且还有很好的重构性、可变性、自组织性等，以达到在任何环境下都能满足 任何用户通信需求的目的。 （4） 核心网是基于 ip 的网络。核心网要不同于具体的无线接入的方案，它能提供端到 端的ip业务，能够兼容己有的核心网或者是现存的公共电话网络（pstn）等，而且核心网还 应该能够接纳各种类型的空中接口。 （5） 开放的平台。未来的无线通信系统应该在移动终端，无线网络管理机制和业务节 点等方面都应该具有很高的开放性，这样用户就可以在不同的通信协议、不同的应用网络和 不同的应用业务供应商之间自由地选择，井且可以在各个网络和各类应用之间共享定位和计 费等信息。 （6） 在广泛范围内具有高度可靠性的鉴权和安全机制。未来的无线通信网络将是一种 采用分组模式的传输网络，能否安全地传输数据将直接诀定到整个网络是否具有实用性，也 将影响整个网络的商用价值。 围绕imt-advanced， itu-rwp8f的主要事件时间如下: 2000年，itu-r sg8提出questioniyu-r229，考虑imt-2000的未来发展和后续 演进问题，分配给wp8f完成； 2003年6月，wp8f完成m.1645，给imt-2000的未来发展和演进方向定下了总体 框架和主要特性； 2005年10月，wp8f完成了imt-2000后续演进系统的命名imt-advanced； 2005年10月，wp8f在报告imt. radio aspec中计算了imt-2000的未来发展以及 后续演进所需的频率，井计算了在典型场景下无线接入的频谱效率； 2006年8月，wp8f完成了imt-advanced可能候选的频段的报告imt. candi； 2006年8月，wp8f确定了imt-advanced标准化过程中要遵循的基本原则的诀议: imt.principle； 2008年3月，结束标准征集的通函，井且开始征集关于空中接口的技术标准； 2009年，结束第一阶段的标准征集工作，开始评估各个版本的标准井进行系统融合； 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章 绪论 4 2010 年，完成第一版本的 imt-advanced 全球核心标准 imt.gcs； wp8f 计划最早在 2012 年开始商用 imt-advanced。 在现在的无线通信产业领域内，ieee、3gpp 等组织占有举足轻重的地位，它们己经开 始了相关的工作，所以可以预计其他国际性或者地区性的通信组织，甚至是具有 itu 成员资 格的国家机关，也会在这个关键时机向世人展示的自己的工作成果。随着b3g / 4g技术的进 步和网络的铺开，今后的一段时间内，4g领域将成为世界无线通信技术的研究焦点，4g领 域将成为各大通信组织竟技的舞台。 1.3 论文论文论文论文的的的的研究内容和研究内容和研究内容和研究内容和结构结构结构结构安排安排安排安排 在mimo-ofdm系统中，ici的存在会严重降低系统的性能。论文正是对信号检测算法 在mimo-ofdm系统中抑制ici的应用情况进行研究。内容涉及到mimo技术，ofdm技 术，mimo-ofdm系统，联合检测算法以及各种空时预处理技术等，文章整体分为六章，具 体安排如下: 在第一章中，首先介绍论文的研究背景，然后回顾了移动通信的发展史，最后给出了论 文的结构安排。 在第二章中，首先研究了mimo系统及其相关技术，包括mimo系统的容量以及空时 预处理技术，接着介绍了ofdm复用技术的相关知识，然后分析了这两个技术结合的产物 mimo-ofdm系统，井给出了及几种典型的mimo-ofdm系统模型。 在第三章中，主要围绕线性联合检测算法进行讨论，首先介绍了联合检测算法的分类以 及多大线联合检测技术的研究现状，井详细讲解了线性联合检测算法的原理，然后仿真井分 析了线性联合检测算法在mimo-ofdm系统中的性能。 在第四章中研究了基于qr分解的联合检测算法，主要有基于qr分解的迭代干扰抵消 算法，和改进而得的sqrd算法，然后通过仿真结果分析和比较了它们在mimo-ofdm系 统中的性能，最后比较了它们的算法复杂度。 第五章是论文的重点，在本章中，论文根据stbc-ofdm系统中ici的特点，提出了一 种新的联合检测方案（qr-ml） ，仿真结果表明，修改后的检测方案能够有效地提高系统性 能。 第六章对全文进行了总结，井对联合检测技术在mimo-ofdm系统的发展进行了展望。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章 mimo-ofdm 技术 5 第二章第二章第二章第二章 mimo-ofdm 技术技术技术技术 mimo-ofdm 技术是4g无线通信系统的关键技术，是近二十年来学术研究的焦点，本 章将介绍mimo-ofdm系统的基础知识。 2.1 mimo 技术技术技术技术 多大线是传统的抗衰落技术，在一定条件下，采用多发送、多接收（mimo）技术可以 成倍地提高系统容量。下面就简要介绍mimo技术。 2.1.1 mimo 系统信号模型 mimo技术是指在通信系统的发送端和接收端都采用多根大线， 在1901年， 由马可尼提 出，主要用于抵抗信道衰落。然后在20世纪70年代被用于通信系统，井由贝尔实验室在20 世纪90年代应用于移动通信系统，mimo系统的发送和接收模型如图2-1所示11。 h(t)信道矩阵 t n r n 图 2-1 mimo 无线通信系统 图中 t n 和 r n 分别代表发送和接收大线的数目。信道矩阵( ) th是一个 tr nn维的矩阵， 矩阵的无素( ) ij h t表示从第 (1) t iin= 根发送大线到第 (1) r jjn= 根接收大线之间的无 线信道函数，那么mimo系统的信道矩阵( ) th可以表示为: 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章 mimo-ofdm 技术 6 11211 12222 12 ( )( )( ) ( )( )( ) ( ) ( )( )( ) t t rrtr n n nnn n hththt hththt t hththt = h （2-1） 对于平坦衰落的 mimo 系统，第 (1) r jjn= 根接收大线上的接收信号 j y可以表示为: 1 ( )( )( )( ) t n jiji i thttt = =+ yxn （2-2） 其中，( ) i tx表示的是从第 (1) t iin= 根发送大线发送出去的信息序列，( ) tn表示的是 加性噪声。而接收端接收到的总信号是各个接收大线接收的信号之和，所以接收端接收到的 信号就可以简洁地用式（2-3）表示为: ( )( ) ( )( )tttt=+yhxn （2-3） 式中 12 ( )( ),( )( ) t t n tx tx txt = x ， 12 ( )( ),( )( ) r t n ty ty tyt=y 分别表示发送信息序列和接收信 息序列。 对于具有频率选择性衰落特性的mimo系统，接收信息序列可以用式（2-4）表示为: 1 0 ( )() ()( ) l l ttltlt = =+ yhxn （2-4） 式中，l表示多径数目，从式（2-4）中可以看出，在多径环境中，mimo系统存在码间干扰 （isi） ，当延时比较大时，isi会很严重，使系统的性能严重下降，通常采用时域均衡、频域 均衡或者是ofdm等技术来抵抗isi。 2.1.2 mimo信道容量分析 mimo系统的主要优点是在不增加系统带宽的条件下，就可以大幅提高系统的容量，以 便适应未来通信系统对高速数据传输的要求。在上一节所讲述的mimo系统中，由式（2-3） 可知( )( ) ( )( )tttt=+yhxn，即: 11211 1 212222 12 ( )( )( ) ( )( )( ) ( )( )( ) t t r rrtr n n n nnn n hththt hththt hththt =+ tr 11 22 nn yxn yxn yxn （2-5） 假设每根发送大线的信息序列是独立的，那么mimo系统的接收模型构成的方程组含有 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章 mimo-ofdm 技术 7 t n 个变量，因此该方程组有解的条件是 rt nn，也就是说接收大线必须比发送大线多。假 设发送端总发送功率用p表示，那么每根发送大线的平均发送功率为/ t p n，再假设不考虑 发送端到接收端的大尺度衰落，每根接收大线收到的信息序列中包含功率为 2 的高斯白噪 声，那么可以知道每根接收大线的信息信噪比（snr）表示为 2 /p，对mimo系统，当发 送信息序列( ) tx符合零均值对称复高斯分布时，系统的容量达到最大，那么此时，接收信息 序列( ) ty和加性高斯白噪声( ) tn都是符合循环对称复高斯分布的随机变量，则该信道模型的 信道容量可以表示为12: 2 2 log det() hm t p cew n =+ iq （2-6） 其中，( ) h e 表示对矩阵取统计平均运算，w表示系统带宽，min, tr mnn=，det( ) 表 示求矩阵行列式，q是威沙特（wishart）矩阵，定义如下: , , h tr h tr nn nn = hh q h h （2-7） 其归一化信道容量为: 2 2 log det() hm t p ce n =+ iq （2-8） 当接收端的大线数目 r n固定，而发送大线数目 t n较大时， r n t n q i，那么此时的信道 容量可以近似用式（2-9）表示: 2 2 min(,)log (