MIMO系统检测算法研究及收发技术联合设计

论文摘要

多输入多输出（MIMO）技术由于高频谱效率和传输容量的优势,在宽带无线通信中取得了广泛关注。然而,怎样设计低算法复杂度的信号处理技术,使得MIMO系统的实际传输速率接近其信道容量,还是一个需要深入研究的问题。本文中我们的工作是针对MIMO检测算法和收发机设计。主要内容如下:·通过研究排序的干扰抵消算法每一步的判决信噪比,针对准正交空时码结构提出了一种排序的组干扰抵消算法;对于使用高阶QAM调制的MIMO系统,提出了一种基于高斯近似的多级映射高斯近似算法,通过两比特两比特计算序列权重的方法,相比于传统的高斯近似算法,将复杂度从与调制阶数成指数关系下降到线性关系;提出了一种新的双向自适应高斯近似算法,通过从正向和反向并行的进行检测,判断误差传播是否产生,从而自适应的调整搜索径数,在抑制误差传播的同时,降低了算法复杂度。双向自适应检测算法能并行计算,运算时延低,且能在低算法复杂度情况下有效地抑制误差传播,取得很好的检测性能;提出了一种对于MIMO-OFDM系统的Turbo收发机技术,可以很好的抑制天线间干扰。通过使用预先指定的映射方式,迭代过程可以取得传输数据率、发射分集和系统性能间很好的折衷。在发送端,对于每一个发送天线使用预先指定的符号映射方式,在接收端,使用二阶检测技术,其中MMSE检测作为阶段一,而MAP检测作为阶段二,通过使用检测模块和软入软出（Soft-In-Soft-Out:SISO）信道译码模块形成迭代过程。对于每次迭代,检测模块和信道译码模块交换外信息。·对于MIMO系统检测,提出了一种可靠度评估准则,可以评估MIMO检测的输出可靠与否。首先,得到了可靠度评估的公式,然后提出了一种简化的可靠度评估准则,进而通过调整可靠度评估准则的门限得到了一种简化的可靠度评估准则,这种方案相比于可靠度判决准则会存在一些性能损失。接下来我们设计了一种由简单接收机、可靠度评估模块、复杂接收机组成的混合接收机,操作流程如下:1)简单接收机得到发送信号的初始估计,并由可靠度评估模块评估;2)如果初始估计被评定为可靠,则输出作为最终估计,否则再由复杂接收机得到最终估计。·对于Turbo码信息比特的对数软输出,提出了一种更为精确的近似,通过使用高斯混合分布（GMD）代替高斯分布,从而可以得到更为精确的基于外信息转移（EXIT）图的Turbo码BER估计。GMD的模型参数通过期望最大（EM）算法得到。仿真结果表明新的算法可以得到可靠的BER估计直至10-5。·提出了一种基于统一置信传播（BP）检测的自适应MIMO系统。首先描述了由一系列分量检测器组成的BP检测器。基于BP检测器的统一结构,接着提出了一种依据信道情况自适应的多速率MIMO系统,可以取得最大系统吞吐量。使用统一的BP检测器,可以消除传统多模自适应MIMO系统接收端的多种接收机模块配置的复杂性。进一步的,BP检测器由于算法复杂度与空时编码块长度成线性关系,且能并行运算,具有低算法复杂度、低运算时延和不同数据率之间平滑切换的优势。通过使用平均检测后信噪比切换机制,所述MIMO系统能在空间相关信道下选取合适的传输模式。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 多输入多输出技术
• 1.1.1 信道容量
• 1.1.2 分集增益
• 1.1.3 复用增益
• 1.1.4 阵列增益
• 1.1.5 分集复用的折衷
• 1.2 空时码结构
• 1.2.1 空时分层码
• 1.2.2 空时分组码
• 1.2.3 空时网格码
• 1.3 检测算法
• 1.3.1 最大似然检测
• 1.3.2 线性检测
• 1.3.3 干扰抵消
• 1.3.4 高级检测算法
• 1.4 Turbo MIMO
• 1.4.1 Turbo-BLAST
• 1.4.2 Turbo行为的收敛性
• 1.5 MIMO-OFDM技术
• 1.5.1 PARC
• 1.5.2 PGRC
• 1.5.3 S-VAP
• 1.6 本文的主要贡献
• 第2章 多天线系统检测算法研究
• 2.1 准正交空时码的组干扰抵消算法
• 2.1.1 准正交空时码
• 2.1.2 组干扰抵消算法
• 2.1.3 性能分析和数据仿真
• 2.2 多级映射高斯近似检测
• 2.2.1 系统模型
• 2.2.2 多级映射高斯近似算法
• 2.2.3 数据仿真
• 2.3 双向自适应高斯近似检测
• 2.3.1 双向自适应算法
• 2.3.2 数据仿真
• 2.4 一种MIMO-OFDM系统的二阶Turbo检测技术
• 2.4.1 系统框架
• 2.4.2 二阶Turbo检测
• 2.4.3 数据仿真
• 2.5 ZF-SIC接收机下的功率分配方案
• 2.5.1 系统模型
• 2.5.2 功率分配优化方案
• 2.5.3 仿真结果
• 2.6 本章小结
• 第3章 可靠度评估以及其在MIMO检测中的应用
• 3.1 简介
• 3.2 可靠度评估
• 3.2.1 可靠度评估原理
• 3.2.2 简化的可靠度准则
• 3.2.3 效率分析和门限可调整的可靠度评估准则
• 3.3 可靠度评估在MIMO检测中的应用
• 3.3.1 MMSE-OSIC混合接收机
• 3.3.2 MMSE-QRD-M混合接收机
• 3.3.3 MMSE-CML和MMSE-CLML混合接收机
• 3.4 本章小结
• 第4章 使用EXIT图分析迭代行为
• 4.1 简介
• 4.2 EXIT图绘制
• 4.3 使用EXIT图得到Turbo码BER
• 4.4 使用高斯混合模型分析Turbo码BER性能
• 4.5 本章小结
• 第5章 基于统一置信传播检测的MIMO收发技术
• 5.1 简介
• 5.2 自适应置信传播多天线（BP MIMO）系统
• 5.2.1 系统框架
• 5.2.2 多速率发射机
• 5.2.3 置信传播检测
• 5.2.4 自适应算法
• 5.2.5 复杂度分析
• 5.2.6 仿真分析
• 5.3 相关信道下MIMO系统切换算法
• 5.4 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间主要的研究成果
• 致谢