（通信与信息系统专业论文）多入多出系统中的差分检测关键技术研究.pdf

中文摘要 中文摘要 随着世界范围内无线通信容量需求的提高，持续增长的容量需求与有限频谱 资源之间的矛盾成为研究高频谱利用率技术的动力和挑战。在众多新技术中，基 于多天线的多输入多输出( 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 , m i m o ) 技术已被证明是 实现充分利用空间资源、提高频谱利用率的有效途径之一，是未来宽带无线通信 系统的主要技术。 m i m o 系统中，由于信道的时变特性、用户的快速移动等原因，在很多无线 应用环境中，对信道的精确估计是十分困难的。在这些情况下，差分检测技术成 为了很有吸引力的一种方案：差分检测技术无需进行信道估计，克服了相干检测 技术需要准确信道信息的缺点，同时简化了接收机设计。因此，本文系统地研究 了m i m o 系统中的差分检测技术。 本文主要研究了三类m i m o 系统的差分检测技术：基于集中式发射天线的 m i m o ( 本文简称为集中式m i m o ) 系统差分检测技术；基于异步发射信号的m i m o 系统差分检测技术；基于分布式发射天线的分布式m i m o 系统差分检测技术。 首先，在集中式m i m o 系统差分检测技术研究中，本文主要解决了现有集中 式m i m o 系统差分检测算法复杂度高、频谱利用率低的问题，主要创新点如下： ( 1 ) 提出了一种新的基于准正交空时码的低复杂度m i m o 差分检测算法，该 算法利用联合星座映射的方法构造准正交空时码进行差分编码；接收端 可实现星座符号对并行差分检测。与现有算法相比，由于该算法采用并 行处理方式，复杂度大大降低。 ( 2 ) 提出一种新的基于a l a m o u t i 空时码的相位差分检测算法，该算法将数据 信息差分调制成相位信息，接收端利用前后连续接收量检测相位信息。 该算法简单，易于实现，是一种极具实用性的算法。 ( 3 ) 针对现有的集中式m i m o 系统差分检测算法频谱利用率低的问题，提出 一种新的高频谱利用率的a l a m o u t i 空时码差分检测算法，通过对发射符 号的角度旋转，增加了发射符号的信息量，提高了频谱利用率。 其次，在基于异步发射信号的m i m o 系统差分检测技术研究中，本文主要解 决了现有集中式m i m o 系统中v - b l a s t ( v e r t i c a lb e l ll a b o r a t o r i e sl a y e r e d 中文摘要 s p a c e t i m e ) 信号无法进行差分检测、并且相干检测要求接收天线数目不小于发射 天线数目的问题，主要创新点如下： ( 1 ) 研究了基于异步发射信号的m i m o 系统接收基带信号模型，推导出一种 接收信号矩阵表达式。该数学模型使得基于异步发射的m i m o 信号检测 成为可能。 ( 2 ) 提出了一种基于异步发射的v - b l a s t 信号差分检测算法。该算法使得 传统v - b l a s t 信号可以进行差分检测，并且，利用一根接收天线即可 进行差分检测。 最后，针对分布式m i m o 系统中，由于基站天线分布于不同的地理位置导致 现有的集中式m i m o 系统差分检测算法无法应用的问题。本文系统地研究了分布 式m i m o 系统模型和分布式m i m o 系统差分检测技术，主要创新点如下： ( 1 ) 研究了分布式m i m o 系统的接收基带信号模型，给出了矩阵表达式。该 数学模型使得分布式m i m o 信号检测成为可能。 ( 2 ) 提出了一种基于相移键控( p h a s es h i f tk e y i n g ，p s k ) 调制的分布式m i m o 系统v - b l a s t 信号差分检测算法。该算法将发射符号调制成差分相位 信息，接收端通过检测相位信息进行解调。该算法解决了现有分布式 m i m o 系统无法进行差分检测问题，并且可利用一根接收天线进行检测。 ( 3 ) 提出了一种基于幅度相移键控( a m p l i t u d ep h a s es h i f tk e y i n g ，a p s k ) 调制 的分布式m i m o 系统v - b l a s t 信号差分检测算法。该算法将发射符号 调制成差分相位和幅度信息，提高发送符号的信息量，在接收端可对幅 度信息和相位信息分别进行差分检测，该算法也可用一根接收天线进行 检测。 ( 4 ) 提出了一种基于a l a m o u t i 空时码的分布式m i m o 信号差分检测算法。 在分布式m i m o 系统中，该算法的差分编码和检测方法可同样应用于其 它类型空时分组码中，例如准正交空时码等。 本文的研究内容丰富了现有的集中式m i m o 系统差分检测技术的研究，并对 基于异步发射信号的m i m o 系统、分布式m i m o 系统的差分检测技术进行了探 索性研究，这些研究结果为多入多出系统差分检测技术的应用提供了参考依据。 关键词m i m o ，分布式m i m o ，信道估计，差分编码，差分检测 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ew o r l dw i d ei n c r e a s i n gd e m a n df o rw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ss y s t e m c a p a c i t y , t h ec o n t r a d i c t i o nb e t w e e nt h ee x p l o s i v e l yi n c r e a s i n gd e m a n do fc a p a c i t ya n d l i m i t e db a n d w i d t hi st h em o t i v i t ya n dc h a l l e n g et op u tr e s e a r c h e so nh i g hs p e c t r a l e f f i c i e n c yt e c h n o l o g i e s a m o n g t h o s e e m e r g i n gt e c h n o l o g i e s ，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 ( m i m o ) c o m m u n i c a t i o na r c h i t e c t u r eh a sb e e np r o v e dt ob eo n eo f t h e e f f e c t i v ea p p r o a c h e st oe x p l o i tm a x i m u ms p a t i a lr e s o u r c e sa n di m p r o v es p e c t r a l e f f i c i e n c yd r a m a t i c a l l y m l m ot e c h n o l o g yi so n eo ft h ek e yt e c h n i q u e so ff u t u r ew i d e b a n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ss y s t e m i ti sad i f f i c u l tt a s kt og e te x a c tc h a n n e le s t i m a t i o ni nm i m os y s t e mb e c a u s eo f t h et i m ev a r i a t i o no fc h a n n e lo rt h ef a s tm o v e m e n to fu s e r s i nt h e s eo c c a s i o n s ， d i f f e r e n t i a ld e t e c t i o ni sa na t t r a c t i v es c h e m e d i f f e r e n t i a ld e t e c t i o nt e c h n i q u ee n a b l e s t h er e c e i v e rt od e t e c tt h ed a t as y m b o l sw i t h o u tk n o w l e d g eo ft h ec h a n n e l ，a n dt h e r e c e i v e ri ss i m p l e t h e r e f o r e ，w ea p p l yo u r s e l v e st os o m er e s e a r c hw o ki nt h i st o p i c o u rr e s e a r c h e sf o c u so nt h r e et y p e so fm i m os i g n a ld i f f e r e n t i a ld e t e c t i o n t e c h n i q u e s t h ef i r s t o n ei st h ec r e t r a l i z e dm i m os i g n a ld i f f e r e n t i a ld e t e c t i o n t e c h n i q u eb a s e do nc r e t r a l i z e da n t e n n as y s t e m s 即1 es e c o n do n ei st h em i m os i g n a l d i f f e r e n t i a ld e t e c t i o nt e c h n i q u eb a s e do na s y n c h r o n i s mt r a n s m i s s i o nm a n n e r 1 1 l el a s t o n ei st h ed i s t r i b u t e dm i m od i f f e r e n t i a ld e t e c t i o nt e c h n i q u ew h i c hi sb a s e do n d i s t r i b u t e dt r a n s m i ta n t e n n as y s t e m s f i r s t l y , w es t u d yt h ec r e t r a l i z e dm i m od i f f e r e n t i a lt e c h n i q u et or e s o l v et h o s e p r o b l e m so fh i g hc o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t ya n dl o ws p e c t r a le f f i c i e n c yo ft h o s e e x i s t i n gs c h e m e s n 圮o r i g i n a l i t i e sa r ed e s c r i b e da sf o l l o w s ： ( i ) al o wc o m p l e x i t yd i f f e r e n t i a ld e t e c t i o ns c h e m ei sp r o p o s e dw h i c hi sb a s e d o nq u a s i - o r t h o g o n a ls p a c e - t i m ec o d e s j 0 i n tc o n s t e l l a t i o np a i rm a p p i n gi s u s e dt oc o n s t r u c tq u a s i - o r t h o g o n a ls p a c e - t i m ec o d e sa tt h et r a n s m i t t e r t h e s y m b o lp a i r s c a nb ed e t e c t e di n p a r a l l e lm a n n e r t h ei d e a so fj o i n t c o n s t e l l a t i o np a i rm a p p i n ga n dp a r a l l e ld i f f e r e n t i a ld e t e c t i o nr e d u c et h e d e t e c t i o nc o m p l e x i t y ( i i ) ap h a s ed i f f e r e n t i a ld e t e c t i o ns c h e m eb a s e do na l a m o u t is p a c e - t i m ec o d ei s p r e s e n t e dt h r o u g hd i f f e r e n t i a lp h a s es h i f tk e y i n g i ti sv e r ys i m p l ea n d i i i a b s t r a c t a p p l i c a b l e ( i i i ) ah i g hs p e c t r a le f f i c i e n c yd i f f e r e n t i a ld e t e c t i o ns c h e m ei sp r o p o s e d ，a n dt h i s s c h e m ei sa l s ob a s e do na l a m o u t is p a c e t i m ec o d e t h ep r o p o s e ds c h e m e c a l lp r o v i d eh i g h e rs p e c t r u me f f i c i e n c yt h r o u g ha n g l er o t a t i o n n e x t w es t u d yt h ed i f f e r e n t i a lm i m os y s t e mi na s y n c h r o n i s mt r a n s m i s s i o n m a n n e rt or e s o l v et h o s ep r o b l e m si nc r e t r a l i z e dm i m os y s t e m 耶1 eo r i g i n a l i t i e sa r e d e s c r i b e da sf o l l o w s ： ( i ) ab a s e b a n ds i g n a lm o d e lo fm i m os y s t e mi na s y n c h r o n i s mt r a n s m i s s i o n m a n n e ri sc o n s i d e r e d ，a n dw ed e r i v ea ne x p r e s s i o ni nm a t r i xf o r m t h e p r o p o s e dm o d e l m a k e st h es i g n a ld e t e c t i o nr e a l i z a b l e ( i i ) ad i f f e r e n t i a l d e t e c t i o ns c h e m ei s p r e s e n t e d f o rv 二b l a s ts i g n a li n a s y n c h r o n i s mt r a n s m i s s i o ns c e n a r i o ，a n dt h i s s c h e m ec a ni m p l e m e n t d i f f e r e n t i a ld e t e c t i o nw i t ho n er e c e i v ea n t e n n a f i n a l l y , w ei n v e s t i g a t et h es y s t e mm o d e la n dd i f f e r e n t i a ld e t e c t i o nt e c h n i q u ef o r d i s t r i b u t e dm i m os y s t e m n eo r i g i n a l i t i e sa r ed e s c r i b e da sf o l l o w s ： ( i ) ab a s e b a n ds i g n a lm o d e lf o rd i s t r i b u t e dm i m oi nm a t r i xf o r mi sd e r i v e d ， w h i c hm a k e st h es i g n a ld e t e c t i o nr e a l i z a b l e ( i i ) ad i f f e r e n t i a ls c h e m ei sp r o p o s e df o rv - b l a s ts i g n a li nd i s t r i b u t e dm i m o ， w h i c hi sb a s e d0 1 1d i f f e r e n t i a lp h a s es h i f tk e y i n gm o d u l a t i o n o n l yo n e r e c e i v ea n t e n n ai sn e e d e dt oi m p l e m e n td i f f e r e n t i a ld e c o d i n g ( i i i ) ad i f f e r e n t i a ls c h e m e i sp r o p o s e df o rv - b l a s ts i g n a li nd i s t r i b u t e dm i m o ， w h i c hi sb a s e do nd i f f e r e n t i a la m p l i t u d ep h a s es h i f tk e y i n gm o d u l a t i o n o n l y o n er e c e i v ea n t e n n ai sn e e d e dt oi m p l e m e n td i f f e r e n t i a ld e c o d i n g ( i v ) ad i f f e r e n t i a ls c h e m eb a s e do na l a m o u t ic o d ei sp r o p o s e d n l ei d e ao f d i f f e r e n t i a le n c o d i n ga n dd e c o d i n gc a na l s ob ce x t e n d e dt oo t h e rt y p e so f s t b cc o d e s ，s u c ha sq u a s i - o r t h o g o n a ls p a c e - t i m ec o d e s t h er e s e a r c hw o r ki nt h i sd i s s e r t a t i o ne n h a n c e st h es t u d i e so fc r e t r a l i z e dm i m o s y s t e m a n dm a k e sa d v a n c e dr e s e a r c h e so nm i m 0s y s t e mw i t ha s y n c h r o n i s mm a n n e r a n dd i s t r i b u t e dm i m o s y s t e m a l lt h e s ew o r k sl a y t h ef o u n d a t i o nf o rt h ea p p l i c a t i o no f d i f f e r e n t i a ld e t e c t i o nt e c h i n q u ei nm i m os y s t e m k e yw o r d s ：m i m o ，d i s t r i b u t e dm i m o ，c h a n n e le s t i m a t i o n ，d i f f e r e n t i a le n c o d i n g ， d i f f e r e n t i a ld e t e c t i o n i v 主要数学符号及缩略词表 主要数学符号及缩略词表 论文中所用到的主要数学符号列表如下： 符号类别 变量 矩阵 矢量转置，矩阵转置 单位矩阵 复数共轭 共轭转置 h a d a m a r d 乘积运算 f r o b e n i u s 范数 矩阵求逆 取实部 取值 x 字体和说明 小写斜体 大写粗正体 ( ) r m xm 阶单位阵 ( ) ( ) t 两个同阶矩阵的对应位置的元 素相乘后生成新的矩阵 i i a i i = 霞蔑而 a 一1 表达式取值为某个值，该值使 得a 取得最大或最小值。 利口a r k 。 。 一酬 嘶 主要数学符号及缩略词表 在论文中用到的主要英文缩写及其全称列表如下： a s k a p s k 氏嘲g n b e r b p s k c a s c d m a d m i m o d a s d b l a s t d d s t d p s k d s t c f i r i s i m f m i m o m l m m s e 0 f d m q a m s d r s i s 0 s n r s t b c u s t m v 二b l a s t a m p l i t u d es h i f tk e y i n g a m p l i t u d ep h a s es h i f tk e y i n g a d d i t i v e 鼢i t eg a u s s i a nn o i s e b i te r r o rr a t e b i n a r yp h a s es h i f tk e y i n g c e n t r a l i z e da n t e n n as y s t e m s c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s d i s t r i b u t e dm i m 0 d i s t r i b u t e da n t e 皿as y s t e m s d i a g o n a lb e l ll a b o r a t o r i e sl a y e r e d s p a c e t i m e d o u b l e d i f f e r e n t i a l s p a c e t i m e c o d e s d i f f e r e n t i a lp h a s es l l i f tk e y i n g d i f f e r e n t i a ls p a c e t i m ec o d e s f i i l i t ei m p u l s er e s p o n s e i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e m a t c h e df i l t e r 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 a x i m u ml i k e l i h o o d m i n i m u mm e a ns q u a r ee r r o r 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 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 s e m id e f i n i t er e l a x a t i o n s i n g l e - i n p u ts i n g l e o u t p u t s i g n a lt on o i s er a t i o s p a c e t i m eb l o c kc o d e u n i t a r ys p a c e - t i m em o d u l a t i o n v e r t i c a lb e l ll a b o r a t o r i e sl a y e r e d s p a c e t i m e z e r of o r c i n g x i 幅度键控 幅度相移键控 加性高斯白噪声 误比特率 二进制相移键控 集中式天线系统 码分多址 分布式m i m o 分布式多天线系统 对角贝尔实验室空时分层 结构 双差分空时码 差分相移键控 差分空时码 有限脉冲响应 符号间干扰 匹配滤波器 多输入多输出 最大似然 最小均方误差 正交频分复用 正交幅度调制 半定松弛 单输入单输出 信噪比 空时分组码 酉空时调制 垂直贝尔实验室空时分层 结构 迫零 本论文所川剑的图形列表 本论文所用到的图形列表 图1 1m i m o 系统结构图2 图1 2 集中式m i m o 接收机第，个天线收到的信号r j ( t ) 8 图1 3 分布式m i m o 接收机第，个天线收到的信号r j ( 0 8 图l - 4 全文的研究思路和结构1 7 图2 1m i m o 系统框图2 4 图3 1 准正交空时差分编码原理图2 8 图3 2 准正交空时差分检测原理图3 1 图3 3 准正交差分检测方法与其它方法性能对比3 2 图3 - 4 复数加法计算量对比3 5 图3 5 复数乘法计算量对比3 5 图3 - 6 a l a m o u t i 空时码相位差分检测方法与d p s k 性能对比4 l 图3 - 7 a l a m o u t i 空时码相位差分检测方法与文献 1 2 1 性能对比4 2 图3 8 差分编码原理图4 5 图3 - 9 发送端信息示意图4 5 图3 1 0 差分检测原理图4 8 图3 1 1 采用b p s k 星座符号及改进后比特误码率性能曲线4 9 图3 1 2 采用q p s k 星座符号及改进后比特误码率性能曲线4 9 图4 1 基于异步发射信号的m i m o 系统发射机框图5 2 图4 2 基于异步发射信号的m i m o 系统接收机框图5 3 图4 3 基于异步发射的m i m o 信号差分检测原理图5 8 图4 - 42 发射天线、4 发射天线系统差分检测性能5 9 图4 52 发2 收情况下，误码率性能与时间延迟变化的关系5 9 图5 1 分布式m i m o 系统模型6 2 图5 2 基于分布式m i m o 接收机第，个接收天线接收信号的一种检测模型6 4 图5 3 基于p s k 调制的分布式m i m o 系统v - b l a s t 信号差分编码原理图7 0 图5 - 4 基于p s k 调制的分布式m i m o 系统v - b l a s t 信号差分检测原理图7 l 图5 5b p s k 调制方式下，2 根发射天线时的误码率性能仿真曲线7 3 图5 - 6b p s k 调制方式下，3 根发射天线时的误码率性能仿真曲线7 3 图5 7b p s k 调制方式下，4 根发射天线时的误码率性能仿真曲线7 4 图5 8 基于a p s k 调制的分布式m i m o 系统v - b l a s t 信号差分编码原理图7 6 图5 - 9 基于a p s k 调制的分布式m i m o 系统v - b l a s t 信号差分检测原理图7 9 图5 1 0 a p s k 调制方式下，2 根发射天线时的误码率性能仿真曲线。8 0 图5 1 la p s k 调制方式下，3 根发射天线时的误码率性能仿真曲线8 1 图5 1 2 a p s k 调制方式下，4 根发射天线时的误码率性能仿真曲线8 1 图5 1 3a p s k 调制方式f ，不同时延场景下的误码率性能，2 发4 收8 2 i i 本论文所用剑的图形列表 图5 1 42 发l 收时的分布式m i m o 系统模型8 3 图5 1 5q p s k 调制方式下，2 发1 收系统在不同时延场景下误码率性能曲线8 7 图5 1 6q p s k 调制方式下，2 发1 收系统的误码率性能随时延变化曲线8 7 表3 1 准正交空时差分检测方法与其它差分检测方法的检测复杂度对比3 4 表3 2 准正交空时差分检测方法与其它差分检测方法的检测复杂度数值举例3 4 表3 3a l a m o u t i 空时码相位差分编码方法与文献 1 2 1 计算复杂度对比4 2 表3 - 4a l a m o u t i 空时码相位差分检测方法与文献 1 2 1 1 计算复杂度对比4 3 表5 1b p s k 调制方式下，分布式m i m o 系统仿真时延场景i 1 7 2 表5 2b p s k 调制方式下，分布式m i m o 系统仿真时延场景i 2 7 2 表5 3b p s k 调制方式下，分布式m i m o 系统仿真时延场景i 一3 7 2 表5 - 4 a p s k 调制方式下，分布式m i m o 系统仿真时延场景i i - 1 7 9 表5 5a p s k 调制方式下，分布式m i m o 系统仿真时延场景i i 2 8 0 表5 - 6a p s k 调制方式下，分币i 式m i m o 系统仿真时延场景u 一3 8 0 表5 7 基于a l a m o u t i 空时码的分御式m i m o 系统仿真时延场景1 1 1 1 8 6 i x 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：趔：丝丝日期：脯6 月细 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 第一章绪论 第一章绪论 本章首先简述了论文工作的研究背景，回顾了无线通信中多输入多输出通信 技术的研究现状，然后提出了本论文工作准备研究的基本问题和主要目标，最后， 阐述了论文工作的创新之处、论文结构和内容安排。 1 1 研究背景 在过去的几十年里，无线通信技术得到了迅猛的发展和广泛的应用，极大地 推动了社会经济的发展，改变着人们的生活方式。在世界其他发达和发展中国家 中，无线通信产业己成为各国信息基础建设的一个不可缺少的部分。目前，中国 是世界第一大移动通信市场【l 心，每年的移动终端直接市场已超过10 0 0 亿元人民 币【1 】【2 】，移动通信产业逐渐成为经济发展的重要产业【3 】【4 】。 然而随着社会的发展和人们物质生活及精神生活水平的提高，人们在追求任 何人、任何地点、可以用任何形式的、方便的通信方式的同时，对通信速度和质 量的要求也不断提高。如何实现高频谱利用率并支持分组业务的高速数据传输成 为迫切需要解决的根本问题 3 1 1 4 1 ，这对未来新一代无线通信网络和无线传输技术 提出了巨大挑战。 对于传统的单天线无线通信系统( 发射端和接收端各使用一根天线) ，c e s h a n n o n 于1 9 4 8 年给出了著名的信道容量公式：c = w l o g ：( 1 + s n ) ，其中，形为 信道带宽，s n 为接收端的信噪比。该公式确定了在有噪声信道中进行可靠通信 的上限速率。在以后的几十年里，无论人们使用怎样的调制方案和信道编码方法， 都无法超越这一界限。由于传统的单天线系统存在这一难以逾越的界限，因此， 需要研究全新的无线传输技术解决这一问题【3 】【5 】。 近年来，基于多天线的多入多( 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 , m i m o ) 技术 已经被证明是能有效提高频谱利用率和系统容量的技术手段。实验室的研究证明， 采用m i m o 技术在室内传播环境下的频谱效率可以达到2 ob i t s h z 。因此， m i m o 技术作为提高数据传输速率的重要手段受到越来越多的关注。 按照天线地理位置的分布来分，现阶段研究的m i m o 技术可分为两大类：第 电子科技大学博士学位论文 一类是发射天线集中于一处、接收天线集中于另一处地理位置的m i m o 无线通信 系统，称为集中式m i m o t 6 】，为了便于叙述，本章中简称为m i m o 。现阶段的 m i m o 技术研究也主要是基于集中式m i m o 系统的研究。m i m o 6 j 与s i s o 7 ( s i n g l ei n p u ts i n g l eo u t p u t ) 天线系统相比，具有频谱效率更高等优点【引。 另一类是发射天线分布于不同的地理位置且接收天线集中于一处地理位置， 或发射天线和接收天线均分布于不同地理位置的m i m o 无线通信系统【9 】- 【1 2 1 ，本文 称这类m i m o 为分布式m i m o 。分布式m i m o 技术的研究刚刚起步，有很多问 题需要解决，因此，吸引了越来越多的科研工作者加入到了该领域研究的行列。 在多天线系统中，由于多天线的引入，信道估计更加复杂。在很多情况下， 例如，信道变化太快，信噪l l , ( s i g n a lt on o i s er a t i o ，s n r ) 很低时，系统进行精确 的信道估计是很困难的，因此，研究无需进行信道估计的非相干检测技术是很有 必要的。本文主要研究了多入多出系统中的差分检测技术，解决了现有技术中存 在的一些问题。 1 2m i m o 技术概述 1 2 1m i m o 技术原理 如图1 1 所示，m i m o 技术的核心是空时信号处理，也就是利用在空间中分 布的多个天线将时间域和空间域结合起来进行信号处理。m i m o 技术在发射端和 接收端分别使用多个发射天线和接收天线，信号通过发射端的和接收端的多个天 线传送和接收，通过获得空间复用增益和空间分集增益来提高数据速率，降低误 码率。 输入数据 编码 调制 解调 输出数据。 译码 图1 - 1m i m o 系统结构图 如后文第2 4 章节所述，在平坦衰落信道下，m i m o 系统的输入、输出关系 2 第一章绪论 可用下式表示： y = h s + q 其中，y 是接收信号矩阵，h 是发射机到接收机间的信道矩阵，q 是系统接收到 的噪声信号。 m i m o 的技术优势在于可以通过多天线发射和多天线接收获得复用增益、分 集增益和阵列增益，从而使移动通信系统的容量和性能得到明显地提高。对上述 三种增益的详细描述如下【1 3 】： ( 1 )复用增益：m i m o 系统中采用空间复用方案，可以获得复用增益，即数 据传输速率的增加。理论上，系统传输速率的增加与发射接收天线对的 数目成正比。 ( 2 )分集增益：m i m o 系统中采用空间分集方案，可以获得分集增益，即系 统误码率性能的改善。分集增益用独立衰落的支路数来描述，即分集阶 数。在使用了空时编码的m i m o 系统中，分集阶数等于发射天线数与接 收天线数的乘积。 ( 3 )阵列增益：阵列增益是指由于接收机通过对接收信号的信噪比相干合并 而获得的平均s n r 的提高。在发射机不知道信道信息的情况下，m i m o 系统可以获得的阵列增益与接收天线数成正比。 m i m o 技术可有效地利用随机衰落和可能存在的多径传播，将传统通信系统 中存在的多径影响因素转变成对用户通信性能有利的增强因素，因而可以在不额 外增加所占用的信号带宽的前提下为无线通信的性能带来成倍的改善。 实际上，多入多出技术由来已久，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 & tb e l l 实验室学者完成 的。1 9 9 5 年t e l a t a r 给出了在衰落情况下的m i m o 容量【1 4 】；1 9 9 6 年f o s c h i n i 给出 了一种m i m o 空时信号处理算法一对角贝尔实验室分层空时( d i a g o n a lb e l ll a b s l a y e r e ds p a c e t i m e ，d b l a s t ) 算法【1 5 】；19 9 8 年t a r o k h 等讨论了用于m i m o 的空 时码【1 6 1 ；1 9 9 8 年w o l n i a n s k y 等人采用垂直贝尔实验室分层空时( v e r t i c a lb e l ll a b s l a y e r e ds p a c e t i m e ，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是极难实现 电子科技大学博士学位论文 的。 目前，m i m o 的信号检测有种办法：导引( p i l o t ) 辅助1 1 jf ：检测l i i8 i 、彪分检 测【1 9 1 1 2 0 】f 2 1 】【2 2 】 2 3 咖盲检测【2 4 j 。 1 2 2m i m o 的空时译码方法 1 2 2 1m i m o 最大似然检测算法 在假设传输的数据都先验等概率且不相关的条件下，最大似然( m a x i m u m l i k e l i h o o d ，m l ) 检测可以使系统获得最佳的误码性能。最大似然检测在误比特率 最小的意义下是最优接收。对于信号模型式( 1 1 ) ，在给定信道矩阵h 和发射信号 矢量s 的条件下，接收信号y 的概率密度函数是高斯分布： p c 删= 南e x p _ 呼】 m 2 ， 因此，在给定接收信号y 时，对于发送信号矢量s 的最大似然估计为： - a r g 蝌m 。a x p ( y l t ，s ) = 嘿 南唧( _ 呼 m 3 ， = a r g m i ny - s 1 2 其中，q 是调制星座点构成的集合，三是接收天线数目，o r 2 是噪声方差。这个最 小问题是在集合q 中搜索发射信号矢量，使l v - r l s 旷最小，可以看出，其搜索空 间与星座点数目和发送天线个数呈指数增加，当发送天线数和调制阶数增加时， 其计算复杂度大大增加，因此，虽然最大似然检测是最优的检测，但是在实际中 很少使用【2 5 1 。低复杂度的m i m o 最大似然和接近最大似然的信号检测算法一直是 m i m o 系统所要解决的问题。 1 2 2 2 球形译码算法 球形译码( s p h e r ed e c o d i n g ，s d ) 算法是一种性能接近m l 的次优算法，球形译 码的思想就是通过一个在多维星座空间中的球体来限制搜索的区域，在球体积充 分大的情况下总可以达到与m l 检测相同的性能。早期关于s d 的文献f 2 6 】。【2 8 】实际 4 第一章绪论 上都是针对l a t t i c ec o d e 所提出的检测算法，由于多根天线上的星座矢量也恰好组 成了多维空间中的栅格形状，所以这一算法可以直接应用于m i m o 的检测。 球形译码检测算法是一种复杂度较低而同时又接近m l 性能的信号检测算 法。球形译码算