（通信与信息系统专业论文）多天线通信系统的检测算法研究.pdf

摘要 新一代移动通信能够为客户终端提供高质量高速率的数据传输服务。物理层的 核心关键技术包括m i m o 、o f d m 和信道编码等。m i m o 能够在不额外占用频谱 资源的情况下显著提升系统的频谱效率和功率效率，o f d m 具有相对单载波系统 而言较高的谱效率同时能够有效对抗宽带系统中的频率选择性衰落，信道编码则 是获得接近系统容量不可或缺的环节。本文针对窄带和宽带m i m o 系统的检测和 信道估计算法进行了研究，主要内容如下： 1 i c m m s e 迭代检测算法是一种基于m m s e 滤波和译码反馈信息的低复杂度迭 代检测算法，它很好地折衷了系统性能和复杂度，因此十分适合于采用大数量 天线和大规模调制星座的v - b l a s t 系统。本文提出了一种使用估计信道状态 信息的修正i c m m s e 迭代检测算法。理论分析表明修正的i c m m s e 迭代检 测算法能够获得较小的m m s e 滤波输出均方误差，仿真结果表明和传统的( 忽 略信道估计误差的) i c m m s e 检测算法相比，该算法能够在不增加系统复杂度 的情况下获得可观的信噪比增益。 2 v - b l a s t 系统接近最优性能的低复杂度检测算法是当前重要的研究领域。本 文提出了一个新的接近最优性能的具有固定的、低复杂度的检测算法，称为 m g - c 检测算法。该算法接近最优性能的特点源自它使用了基于m m s e 滤波 的多输出判决反馈机制，其低复杂度的特点则来源于使用了c h o l e s k y 分解来 进行重要合并项搜索和l l r 计算。仿真结果表明该算法能够以较低的复杂度 获得接近最优检测的性能。 3 本文对目前存在的以及近期提出的v - b l a s t 检测算法进行了广泛研究，提出 了两个等价性定理：第一，在所熟知的次优检测算法中，p d a 检测算法和被 广泛应用于c d m a 系统的m m s e i s d i c 检测算法在性能上是等价的；第二， 在接近最优性能的检测算法中，近期( 2 0 0 7 年6 月1 提出的基于正交投影的 k - b e s t 检测算法与基于q r 和c h o l e s k y 分解的k - b e s t 检测算法在性能上是等 价的。这两个等价性定理的提出将目前关于这两个方面的相关研究分支联系起 来，使学者们避免可能是重复的研究工作或者得到性能相同但名称不同的研究 成果。 4 m i m o o f d m 系统的检测算法是目前的研究热点之一。本文研究了b i c m m i m o o f d m 系统在频率选择性时间选择性( 即双选择性) 衰落信道下的检测 和信道译码算法，提出了一种在性能上接近使用理想子载波干扰抵消的m a p 检测算法的低复杂度迭代检测算法，称为q u a s i m a p i s d i c 检测算法。该算法 结合了m a p 检测和i s d i c 两种技术，同时采用组最优滤波处理的思想降低 m a p 检测的复杂度。基于检测模块对符号进行m a p 检测或将符号视作干扰的 不同情况，t u r b o 译码模块向检测模块分别提供外部信息以及软判决和剩余干 扰方差。通过系统级迭代，该算法能够以较低的复杂度获得接近使用理想子载 波干扰抵消的m a p 检测算法的性能。 5 本文研究了m i m o o f d m 系统在双选择性衰落信道下的信道估计算法。我们 采用频域子载波簇作为导频，该导频模式考虑了i c i 的分布特征因此适合于双 选择性衰落信道下m i m o o f d m 系统的信道估计。针对近期提出的基于多项 式近似的l s 信道估计算法，我们提出了该算法在参数选择上的约束定理，指 出了该算法当信道归一化多普勒频率较大时的局限性。此外，我们提出一种基 于线性最优预处理和多项式近似的m m s e 信道估计算法，即 o l p 。m m s e - p o l y 估计算法。该估计算法降低了i c i 所引入的建模误差和当多 项式阶数较大时l s 估计算法的噪声增强效应，从而显著提升了估计性能。 关键词：m i m o ，v - b l a s t ，o f d m ，t u r b o 码，迭代检测 a b s t r a c t t h en 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 ns y s t e m sc a np r o v i d eh i 曲d a t ar a t ea n d h i 曲q u a l i t yd a t at r a n s m i s s i o nf o rs u b s c r i b e r s t h e r ea r et h et h r e ek e yt e c h n i q u e so ft h e p h y s i c a ll a y e r ：m i m o ，o f d ma n dc h a n n e lc o d i n g m i m ot e c h n i q u es i g n i f i c a n t l y i m p r o v e ss p e c t r a la n dp o w e re f f i c i e n c i e s a tn oa d d i t o n a lc o s to ff r e q u e n c y - s p e c t r a l c o m p a r e dw i t hs i n g l ec a r r i e rs y s t e m s ，o f d ms y s t e m sh a v eh i g h e rs p e c t r a le f f i c i e n c y a n dc a ne f f e c t i v e l yc o m b a tf r e q u e n c y - s e l e c t i v ec h a n n e lf a d i n gi nb r o a d b a n ds y s t e m s c h a n n e lc o d i n gt e c h n i q u ei sai n d i s p e n s a b l em e a n st oa c h i e v en e a rs y s t e mc a p a c i t y c o m m u n i c a t i o n s w es t u d yt h ed e t e c t i o na n dc h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h m s o f n a r r o w b a n da n db r o a d b a n dm i m os y s t e m s t h em a i nc o n t r i b u t i o n sa r ea sf o l l o w s ： 1 i c m m s ei t e r a t i v ed e t e c t o ri sal o w c o m p l e x i t yd e t e c t i o na l g o r i t h mb a s e do n m m s ef i l t e r i n ga n dd e c o d i n gf e e d b a c ki n f o r m a t i o n , w h i c hm a k e sag o o d c o m p r o m i s eb e t w e e nc o m p l e x i t ya n dp e r f o r m a n c e ，a n di st h e r e f o r ev e r ys u i t a b l et o v - b l a s ts y s t e m sw i t hl a r g em o d u l a t i o nc o n s t e l l a t i o n s a n dl a r g en u m b e ro f a n t e n n a s w ep r o p o s eam o d i f i e di c m m s ei t e r a t i v ed e t e c t o rw i i t he s t i m a t e d c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n t h e o r e t i c a la n a l y s ep r o v e st h a tt h em o d i f i e dd e t e c t o rc a l l a c q u i r es m a l l e rm m s ef i l t e r i n go u t p u tm e a n - s q u a r ee r r o r n u m e r i c a lr e s u l t ss h o w t h a tc o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a li c m m s ed e t e c t o r ( i e ，t h ei c - m m s ed e t e c t o r t h a tn e g l e c tc h a n n e le s t i m a t i o ne r r o r ) ，c o n s i d e r a b l es i g n a l t o n o i s eg a i n sc a nb e o b t a i n e dw i t h o u ta d d i t i o n a lc o m p l e x i t y 2 l o wc o m p l e x i t ya l g o r i t h mf o rn e a ro p t i m u md e t e c t i o no fv - b l a s ts y s t e m si s c u r r e n t l ya ni m p o r t a n tr e s e a r c ha r e a w ep r o p o s ean o v e ln e a ro p t i m u m d e t e c t i o n a l g o r i t h mw i t hl o w a n df i x e dc o m p l e x i t y , n a m e l yt h em g cd e t e c t o r i t sp r o p e r t yo f n e a ro p t i m u mp e r f o r m a n c ec o m e sf r o mt h eu t i l i z a t i o no fam u l t i p l eo u t p u td e c i s i o n f e e d b a c ks t r a t e g yb a s e do nm m s ef i l t e r i n g w h e r e a si t sp r o p e r t yo fl o wc o m p e x i t y c o m e sf r o mi t sa d o p t i n gc h o l e s k yf a c t o r i z a t i o nf o rc a l c u l a t i n gd o m i n a n ts y m b o l c o m b i n a t i o n sa n dl l rv a l u e s n u m e r i c a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ea l g o r i t h mc a no b t a i n n e a ro p t i m u mp e r f o r m a n c ew i t hl o w e rc o m p l e x i t y 3 w ed r a wat h o r o u g hr e s e a r c ho ne x i s t e n ta n dn e w l yp r o p o s e dv - b l a s td e t e c t i o n a l g o r i t h m s ，a n dp r o p o s et w oe q u i v a l e n c et h e o r e m s f i r s t l y , a m o n gt h ew e l l k n o w n s u b o p t i m u m d e t e c t i o na l g o r i t h m s ，t h ep d aa l g o r i t h mi se q u i v a l e n t t ot h e m m s e i s d i ca l g o r i t h mi nt e r m so fp e r f o r m a n c e ，w h e r et h el a t e rh a sb e e nw i d e l y a p p l i e di n d e t e c t i o no fc d m as y s t e m s s e c o n d l y , f o rn e a ro p t i m u md e t e c t i o n a l g o r i t h m s ，t h en e w l yp r o p o s e d ( o n j u n e2 0 0 7 ) o r t h o g o n a lp r o j e c t i o nb a s e dk - b e s t a l g o r i t h mi se q u i v a l e n tt ot h ek - b e s ta l g o r i t h m sb a s e do nq ra n dc h o l e s k y f a c t o r i z a t i o n t h ep r o p o s a lo ft w oe q u i v a l e n c et h e o r e m sc o n n e c t st h er e s e a r c h e so f t h ea b o v et w oa s p e c t s ，a n dc a na v o i dd u p l i c a t ew o r k so fr e s e a r c h e r s ，o rr e s e a r c h r e s u l t sw i t ht h es a m ep e r f o r m a n c eb u td i f f e r e n tn a m e s 4 t h ed e t e c t i o na l g o r i t h mf o rm i m o - o f d ms y s t e m si sc u r r e n t l yo n eo ft h er e s e a r c h f o c u s e s w es t u d yt h ed e t e c t i o na n dc h a n n e ld e c o d i n ga l g o r i t h m sf o rb i c m m i m o - o f d ms y s t e m so v e rf r e q u e n c y - a n dt i m e s e l e c t i v e ( i e ，d o u b l ys e l e c t i v e ) f a d i n gc h a n n e l s ，a n dp r o p o s ea l li t e r a t i v ed e t e c t i o na l g o r i t h mt h a ta p p r o a c h e st h e p e r f o r m a n c e o fm a pd e t e c t o rw i t hi d e a li c ic a n c e l l a t i o n ，n a m e l yt h e q u a s i - m a p - - i s d i cd e t e c t o r t h en e wd e t e c t i o na l g o r i t h mc o m b i n e sm a pa n d i s d i cd e t e c t i o nt e c h n i q u e s ，a n da d o p t st h ei d e ao fg r o u po p t i m u mf i l t e r i n g p r o c e s s i n gt or e d u c et h ec o m p l e x i t yo fm a p d e t e c t i o n b a s e do nt h ed i f f e r e n tr o l e s t h ed e t e c t i o nm o d u l er e g a r d st h es y m b o l sa s ，i e ，t h es y m b o l sf o rm a pd e t e c t i o no r i n t e r f e r e n c e s ，t h et u r b od e c o d i n gm o d u l er e s p e c t i v e l yp r o v i d e se x t r i n s i c i n f o r m a t i o na n ds o f td e c i s i o nt o g a t h e rw i t hr e s i d u a li n t e r f e r e n c ev a r i a n c ef o rt h e d e t e c t i o nm o d u l e w i t hs y s t e m l e v e li t e r a t i o n ，t h ea l g o r i t h mc a na p p r o a c hn e a r m a pd e t e c t i o nw i t hi d e a li c ic a n c e l l a t i o ni np e r f o r m a n c ew i t l ll o w e rc o m p l e x i t y 5 w es t u d yc h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h m sf o rm i m o - o f d ms y s t e m so v e rd o u b l y s e l e c t i v ef a d i n gc h a n n e l s w ea d o p tf r e q u e n c y - d o m a i ns u b c a r r i e rc l u s t e ra sp i l o t s y m b o l s ，t h i sp i l o tm o d et a k e st h ed i s t r i b u t i o np r o p e r t yo fi c ii n t oc o n s i d e r a t i o na n d i st h e r e f o r es u i t a b l et oc h a n n e le s t i m a t i o no fm i m o o f d mi nd o u b l ys e l e c t i v e c h a n n e l s w i t hr e s p e c tt oan e w l yp r o p o s e dp o l y n o m i a la p p r o x i m a t i o nb a s e dl s e s t i m a t o r , w ep r o p o s ear e s t r i c t i o nt h e o r e mo ni t sp a r a m e t e rs e l e c t i o n ，a n ds h o wt h e l i m i t a t i o no ft h ea l g o r i t h mi ns c e n a r i ow h e r et h ew i r e l e s sc h a n n e lh a sal a r g e r n o r m a l i z e dd o p p l e rf r e q u e n c y b e s i d e s ，w ep r o p o s ea nm m s ec h a n n e le s t i m a t o r b a s e do no p t i m u ml i n e a rp r e p r o c e s s i n ga n dp o l y n o m i a la p p r o x i m a t i o n ，n a m e l yt h e o l p - m m s e p o l ye s t i m a t i o na l g o r i t h m t h ep r o p o s e da l g o r i t h mr e d u c e st h e s i g n a lm o d e l i n ge r r o ri n t r o d u c e sb yi c ia n dt h en o i s ee n h a n c e m e n te f f e c to ft h el s e s t i m a t o rw i t hal a r g e rp o l y n o m i a lo r d e r , a n dt h e r e f o r ea c q u i r e ss i g n i f i c a n t l y i m p r o v e m e n ti ne s t i m a t i o np e r f o r m a n c e k e y w o r d s ：m 1 m o ，v - b l a s t , o f d m ，t u r b oc o d e ，i t e r a t i v ed e t e c t i o n 独创性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在导 师的指导下所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 标注和致谢中所罗列的内容外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技大学或其他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中做了明确的说明并 表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：日期： 刃9 刁 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生 在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保留 送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容， 可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后结合 学位论文研究课题再攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。( 保密的论文 在解密后遵守此规定) 本人授权西安电子科技大学图书馆保存学位论文，本学位论文属于坳( 保 密级别) ，在 年解密后适用本授权书，并同意将论文在互联网上发布o 本人签名： 导师签名： 日期： ，￥巧 日期： 纽易 第一章绪论 第一章绪论 1 1 论文工作的背景和意义 新一代移动通信系统( b e y o n d3 g 4 g ) u 叫进入迅速发展的时代，目标是向移动终 端提供高质量数据传输服务。首先需要满足的是用户对数据传输速率的要求，其 中4 g 移动通信系统设想对高速移动终端提供高达1 0 0 m b s 的峰值数据传输速率， 对低速或固定终端提供1 g b s 的峰值数据传输速率。其次需要支持从语音到多媒 体，包括实时流媒体等多种业务类型。此外要求系统的开销尽量合理，这包括频 谱资源占用、基站和移动终端软硬件设计等问题。 为了获得高数据传输速率，系统将占据较宽的频带从而引入较严重的频率选择 性衰落；为了对高速移动终端提供可靠数据传输服务，需要考虑移动信道所引入 的d o p p l e r 效应对性能的影响。近几年，国内外学者对b 3 g 4 g 的关键技术研究显 著升温，已经取得了大量科研成果。b 3 g 4 g 系统的物理层关键技术包括正交频分 复用( o f d m - - o r t h o g o n a lf 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 h n g ) 、多输入多输出( 1 v l 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 ) 天线系统、信道编码等。 1 1 1 正交频分复用( o f d m ) 对于宽带单载波系统，过小的符号周期使得信道时延扩展引入的符号间干扰 ( 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 ) 占据较多的符号周期，导致接收机均衡器复杂度显 著增加。比如进行最大似然序列检测( m l s d m a x i m u ml i k e l i h o o ds e q u e n c e d e t e c t i o n ) 的复杂度随信道的归一化最大延迟扩展呈指数增加。复杂的均衡器对于 目前的d s p 、f p g a 处理能力来说意味着系统复杂性、处理延迟、散热量的增加， 对实时业务来说是不希望看到的。此外对于移动终端来说，较高的成本、较大的 电池能量损耗、散热量都是实际应用中十分关键的问题。基站一般能够做到具有 较高的运算处理能力，同时能够使用较多的天线来增加空间自由度，而移动终端 在这两方面均受到较大限制，因此移动通信中的下行链路总是系统性能的瓶颈所 在。o f d m 4 1 机制的出现，可以说从某种程度上解决了宽带系统均衡器的复杂度问 题。 o f d m 的主要思想是将信道分成若干个正交的子信道，将高速数据转换成并行 的低速子数据流调制到各个子信道上进行传输。相邻子载波频谱有1 2 重叠，从而 提高了频谱利用效率。由于每个子载波带宽小于信道的相关带宽，因此在频率选 择性衰落信道下每个子信道都可看作是一个平坦衰落信道。由于子载波的并行传 输模式，o f d m 的码元周期相对单载波系统显著增加，若再加上长度大于信道最 西安电子科技大学博士学位论文 2 多天线通信系统的检测算法研究 大时延扩展的循环前缀，则o f d m 在频率选择性衰落信道下可以完全消除i s i 的 影响，接收机只要在f f t ( f a s t f o u r i e rt r a n s f o r m ) 后使用简单的o n e - t a p 均衡器即可 以直接进行m l 检测。同时，o f d m 对窄带干扰也具有一定的对抗能力，接收机 可以采用某种自适应算法来避开这类干扰。比如对于慢变信道，接收端可以通过 反馈给发射端受到窄带干扰的子载波索引来使发射端自适应避开这些子载波。 o f d m 在具有上述优势的同时，也具有，定的局限性。首先，o f d m 机制本 身不具有获得信道提供的多径分集的能力，受到较深衰落的子载波成为系统功率 效率性能的瓶颈。目前的研究成果中克服这一缺陷的方法有子载波符号预编码 s - - 暑l 和信道编码 9 , 1 0 等等。子载波符号预编码即发射端在子载波间引入相关性，然后在 接收端通过利用这个相关性来提升对深衰落子载波的检测性能，这属于在检测单 元获得频域分集的范畴；此外，通过在频域进行信道编码也能够使o f d m 获得多 径分集增益，这属于在译码单元获得频率分集的范畴。这两者都属于通过提取多 径分集( 频率分集) 来对抗深衰落子载波的手段。对于目前文献中设计的子载波符号 预编码结构，主要适用于频率选择性衰落信道，对同时具有频率选择性和时间选 择性的信道( 双选择性衰落信道) 来说则并不能直接使用。相比之下，信道编码的灵 活性则较高。其次，双选择性衰落信道的存在与碑d m 机制的设计初衷( 专门针对 准静止信道) 相矛盾，子载波间正交性的破坏将引入子载波间干扰( i c i - - i n t e r c a r r i e r i n t e r f e r e n c e ) ，直接影响o f d m 的子载波并行无干扰传输机制，使得o f d m 接收信 号模型从标量模型( 在准静止频率选择性衰落信道下) 转变为向量模型( 类似码分多 址c d m a - - c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s 系统模型) ，导致进行m l 检测的复杂度 显著增加。幸运的是，由于o f d m 的i c l 分布具有一定的规律，使得合理设计的 均衡器仍能够大大降低 c i 带来的负面影响。因此和单载波系统相比，o f d m 具 有高谱效率和均衡相对简单的优势，鉴于此，o f d m 已经被多个国际标准所采纳 并作为4 g 移动通信系统的关键技术之一。较早的比如欧洲的数字音频广播 d a b ( d i g i t a la u d i ob r o a d c a s t i n g ) 和陆地数字视频广播d v b t ( t e r r e s t r i a ld i g i t a l v i d e ob r o a d c a s t i n g ) ，无线局域网w i r e l e s sl a n 标准i e e e8 0 2 1la 和e t s i ( t h e e u r o p e a nt e l e c o m m u n i c a t i o n ss t a n d a r d si n s t i t u t e ) 的h i p e r l a n 2 等等。较新的比如无 线城域网w i r e l e s sm a n 标准i e e e8 0 2 1 6 、8 0 2 1 6 a 、8 0 2 1 6 d 、8 0 2 1 6 e 和h i p e r m a n 等等。其中8 0 2 1 6 e 的出现具有里程碑意义，它的设计中考虑到了无线客户终端的 移动性，可以对移动终端提供接入服务。 1 1 2 信道编码技术 信道编码技术( 包含相应的译码技术) 是通信系统的关键技术之一，是系统获得 i s n 国家重点实验室一宽带无线通信实验室 第一章绪论 3 接近信道容量必不可少的环节。t u r b o 码【l l 】是国内外学者研究的重点之一，在一定 参数条件下，采用t u r b o 码的系统能够在加性高斯自噪声a w g n ( a d d i t i v ew h i t e g a u s s i a nn o i s e ) 信道下获得接近香农容量( 差距为0 7 d b ) 的数据传输。之所以能够做 到这点，是由于t u r b o 码的设计很好的利用了s h a n n o n 信道编码理论中的随机编译 码原理。关于t u r b o 码的研究成果已经很丰富，比如t u r b o 码在无线信道中的应用 和性能，针对不同系统、不同检测算法的译码算法，低复杂度译码算法，以及根 据t u r b o 原理派生出来的t u r b o 接收算法( 比如迭代信道估计、迭代检测或均衡) 等 等【12 1 5 1 。本文没有在信道编码上进行深入研究，而是在所研究的系统( v - b l a s t 和 m i m o o f d m ) 中采用了目前流行的t u r b o 编译码来进行基于t u r b o 原理的迭代检 测，包括基于m m s e ( m i n i m u mm e a ns q u a r ee r r o r ) 滤波的迭代检测和基于i s d i c 和 最大后验概率的迭代检测算法。 1 1 3 多入多g d ( m i m o ) 天线系统 目前对m i m o 技术的研究已经取得了相当丰富的成果。m i m o 的主要实现形 式有空时编码方式【1 3 】和空1 1 噱用方式( 2 4 1 ，空时编码( 空时分组码和空时网格玛) 是面向获取空间分集增益的，而空间复用的目标则是获得尽可能高的谱效率。针 对实际应用中移动终端天线数目严重受限的情况，近期又有学者提出混合空时编 码结构【2 5 1 ，即在系统中同时使用空时编码和空间复用来获得空间分集、复用增益 的折衷。空间复用m i m o 中不同的子流拥有不同的空间特征使得它们能够在接收 机端被有效分离，在成倍提高系统容量的同时不增加任何的频谱占用。理论上只 要接收天线数量不少于发射天线数量，系统容量能够随天线数量呈线性增加，在 频谱资源日益紧张的今天，m i m o 无疑成为现在乃至未来移动通信的关键技术之 一。不过由于物理尺寸的限制，特别是对移动终端，实际可以使用的天线数受到 一定的限制。目前关于m i m o 的研究方向包括不同信道条件下、不同系统的的容 量分析问题，设计能够接近信道容量或者最优性能的检测算法以及信道估计算法 等等。 本文在m i m o 领域的研究是v - b l a s t 系统( v e r t i c a lb e l ll a b sl a y e r e d s p a c e t i m e 空间复用m i m o 系统) 的信道估计( 在使用估计信道的情况下如何考虑 信道估计误差来降低其引入的性能损失) 和检测算法( 次优和接近最优性能) 。我们 简要列举几种v - b l a s t 的次优检测算法。传统的基于l s ( l e a s ts q u a r e ) 或者m m s e 滤波的连续干扰抵消算法【2 4 】的优势是复杂度低，但是干扰抵消不可避免的引入错 误传播1 2 引，因此限制了性能，尤其是对编码系统更是如此。并行干扰抵消检测算 法 2 7 , 2 8 1 也存在同样的错误传播问题。p 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 俾d a ) 检测算法 最早是应用于目标跟踪，后来被应用于c d m a 系统【2 9 】以及v - b l a s t 系统【3 2 】中， 西安电子科技大学博士学位论文 4 多天线通信系统的检测算法研究 被认为是一种较好的次优检测算法( 对于b p s k 检测，p d a 算法能够获得接近m l 检测的性能【2 到) ，该算法实质上等效于基于m m s e 滤波的并行迭代软判决干扰抵消 算法( 见本文第四章) ，采用软干扰抵消和连续硬干扰抵消算法相比大大降低了错误 传播效应，因此在较低的调制星座可以获得和连续硬干扰抵消相比显著的性能增 益( 特别的，对编码系统来说，p d a 相对连续硬干扰抵消的优势更明显) 。p d a 算 法对于采用b p s k 调制的系统来说已经足够( 能够获得接近m l m a x i m u m l i k e l i h o o d 检测算法的性能) ，采用q p s k 调制的性能虽然和m l 检测相比存在一 定的性能损失，但是由于它的复杂度较低，它仍是一个不错的选择，然而对于较 高的调制比如1 6 q a m 及以上的调制星座，则和最优检测相比仍然具有相当大的差 距，有学者指出这是由于当调制星座较高的时候，p d a 所采用的高斯近似假设的 高斯近似性降低所导致的【3 2 】。尽管如此，p d a 或者基于m m s e 滤波的并行迭代软 干扰抵消仍是目前研究领域经常使用的概念，因为如果p d a 能够从译码模块获得 和检测模块相比更加可靠的对软判决和剩余干扰协方差的估计，则性能是能够显 著提升的，此外，也可以将接近最优的检测算法和p d a 概念结合起来以便在复杂 度和性能上进行折衷。目前在v - b l a s t 领域的另一个研究热点是接近最优的检测 算法，对于非编码系统，s d ( s p h e r ed e c o d e r ) 检测算法【3 ”6 】是一个经典的接近m l 检测性能的检测算法，目前已经出现了对该算法的若干变种算法，比如扩展到适 用于欠定系统( 接收天线数小于发射天线数的m i m o 系统) 的s d 算法，通过设定 s p h e r er a d i u s 来提升s d 算法的搜索效率等等。s d 算法的主要缺点是其随机的复 杂度问题( 其复杂度是信道实现的函数) ，这导致接收机的数据吞吐率不是常数，不 适合于许多对数据有实时性要求的通信系统。目前已经有学者提出接近最优检测 的算法【3 7 l ，它能够获得接近m l 检测的性能( 对非编码系统) 和m a p 检测( 对不采用 译码反馈的编码系统) 的性能，同时具有固定的复杂度，因此便于实际系统中的集 成应用。对于采用译码反馈的v - b l a s t 系统的最优检测，据作者所知，目前性能 最好的算法仍然是l s d ( l i s ts p h e r ed e c o d e r ) 算法【3 引，该算法的唯一缺点在于其巨 大的并且非固定的复杂度，因此虽然目前关于v - b l a s t 系统的接近最优检测的研 究成果已经十分丰富，但该领域将依然是未来若干年的研究热点之一。 1 2 具体研究内容 通过上节关于当前移动通信研究相关背景的叙述，结合对本文研究给予资助的 项目：国家杰出青年科学基金( 6 0 7 2 5 1 0 5 ) ，国家自然科学基金重大项目 ( 6 0 4 9 6 3 1 6 ) ，8 6 3 计划课题( 2 0 0 7 a a 0 1 2 2 8 8 ) ，国家自然科学基金项目( 6 0 5 7 2 1 4 6 ) ， 高等学校博士学科点专项科研基金( 2 0 0 5 0 7 0 1 0 0 7 ) ，高等学校创新引智计划 ( b 0 8 0 3 8 ) ，高等学校优秀青年教师教学科研奖励计划，教育部科学技术研究重点 i s n 国家重点实验室一宽带无线通信实验室 第一章绪论 项目( 1 0 7 1 0 3 ) ，本文着重研究了以下若干问题。 1 2 1v - b l a s t 检测算法研究 5 v - b l a s t 是空间复用m i m o 的一种形式，由于其高谱效率的特点，近年来得 到了广泛的研究，包括对编码系统和非编码系统。近年来学者们逐渐提出将曾经 用于c d m a 系统的检测算法应用于v - b l a s t 检测，比如干扰抵消算法( 串行、并 行、混合、迭代软抵消) ，p d a ( p 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 ) ，s d ( s p h e r ed e c o d e r s ) 等等。事实上由于v - b l a s t 具有和c d m a 基本相同的接收信号模型，因此所有 c d m a 的检测技术均可用于v - b l a s t 系统中。关于v - b l a s t 系统的检测问题， 当前的研究成果已能做到以大大低于m l 或m a p 检测算法的复杂度来获得接近它 们所能达到的性能，但复杂度的降低仍有相当的空间。在v - b l a s t 检测算法方面， 本文的研究结果如下： 1 2 1 1 使用估计信道状态信息的修正i c m m s e 迭代检测算法 本文研究了i c m m s e ( i n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o n - - m m s e ) 迭代检测算法，提出 了当使用估计信道状态信息时考虑信道估计误差的修正i c m m s e 迭代检测算法。 该算法利用条件概率理论，通过考虑信道估计误差，得到了使用估计信道状态信 息情况下的i c m m s e 迭代检测算法的闭合表达式。理论分析表明修正的i c m m s e 迭代检测算法能够获得比原始算法小的m m s e 滤波输出均方误差。仿真结果证实 修正的i c - m m s e 迭代检测算法可以在不增加复杂度( 与原始的i c - m m s e 迭代检测 算法相比) 的情况下获得可观的信噪比增益，因此适合于实际系统的集成应用。这 一部分内容我们安排在第二章中。 1 2 1 2 低复杂度接近最优检测算法 在第三章本文对v - b l a s t 系统接近最优性能的检测算法进行了研究，提出了 一种接近a p p ( ap o s t e r i o r ip r o b a b i l i t y ) 性能的具有较低的、固定的复杂度的检测算 法，称为m g - c ( m m s e g d f ec h o l e s k y ) 检测算法。该算法接近最优性能的特点来 源于使用了基于m m s e 滤波原理的多输出判决反馈机制，其中m m s e 滤波的采用 折衷了天线间干扰和噪声，而在每个检测阶段采用多个输出极大降低了可能存在 的错误传播：其低复杂度的特点则来源于利用c h o l e s k y 分解来进行重要合并项搜 索以及计算译码所需的l l r 值。最后，该算法通过根据当前信道状态自适应选择 复杂度参数肘能够进一步降低复杂度同时不明显降低性能。该算法具有高性能、 低复杂度( 低处理延迟) 的特点，因此适合于实际系统的集成应用。 西安电子科技大学博士学位论文 6 多天线通信系统的检测算法研究 1 2 1 3 两个等价性定理 本文对目前存在的以及近期提出的v - b l a s t 检测算法进行了研究，提出了两 个等价性定理：第一，在所熟知的次优检测算法中，p d a 检测算法和被广泛应用 与c d m a 系统检测的m m s e i