MIMO信号检测技术研究

论文摘要

随着移动通信用户数量的急剧增加和宽带多媒体业务的迅速发展,人们对通信系统的传输速率和性能提出了越来越高的要求,业界也因此展开了对未来移动通信技术的研究。在众多解决方案中,多输入多输出（MIMO）技术被认为是下一代移动通信系统的关键技术之一。MIMO技术可以在不额外增加发射功率和传输带宽的前提下使系统的容量得到倍增、性能得以极大提高,这些优点使其在频谱资源日趋紧张的今天倍受青睐。Wolinansky和Foschini等人提出的V-BLAST系统是MIMO技术的典型应用之一,它的频谱效率远远高于一般通信架构。但是传统的V-BLAST检测算法的分集阶数较低,性能不够理想,因此离实用化还有相当的距离。本文在863计划重大专项课题“新一代蜂窝移动通信系统无线传输链路技术研究（2001AA123014）”和国家自然科学基金重大项目“未来移动通信系统基础理论与技术研究（60496310）”的资助下,对独立平坦衰落信道环境中的MIMO信号检测技术进行了研究,在不降低频谱效率的前提下,力图通过提高接收分集阶数改善系统的误比特性能,并降低信号检测的计算复杂度。现有的互满正交设计虽然实现了最大似然（ML）检测的线性处理,但是这种方案存在频谱效率低的缺点。本文修改互满正交设计中的约束条件,提出“准互满正交设计”的概念,并将此概念与V-BLAST系统中“空间分层”的思路相结合,提出基于分组准互满正交设计（GQOD）的MIMO系统收发策略,该策略可以取得和V-BLAST系统相同的频谱效率。在GQOD收发策略中,发射端的并行子数据流被分为若干组,每个小组中的数据被满足准互满正交设计的矢量集合映射到对应的发射天线,不同分组采用的矢量集合之间没有约束关系。接收机采用干扰抵消的方法减小分组之间的干扰,对于同一个分组内的符号,接收机根据准互满正交原理将对发射符号矢量的联合检测等效为对矢量中单个符号的检测,从而实现联合检测的线性化。理论分析和仿真结果均显示,GQOD收发策略可以极大地降低误比特率,并且该策略的计算复杂度也低于现有的V-BLAST信号检测算法。前面提出的GQOD收发策略虽然能够取得一定的性能增益,但是从理论分析和仿真结果可以看出,该策略的分集阶数小于接收天线数。为了进一步提高误比特性能,本文利用信道的时变特性提出基于奇异线性变换（SLT）的MIMO系统收发策略。在该方案中,发射机根据信道相干时间确定合适的时隙间隔d,并利用奇异矩阵对多个相距d个时隙的信号矢量进行线性组合,从而得到系统在对应时隙的发射信号。接收机首先根据发射端采用的奇异矩阵设计迫零滤波器,然后将多个时隙的接收信号同时送入此滤波器完成信号粗估计,最后在粗估计的基础上采用并行干扰抵消技术得到信号的细估计值。根据信道的时变特性,当时隙间隔d足够大时,相距d个时隙的信道矩阵之间不相关,因此基于迫零滤波器的信号粗估计具有较高的接收分集阶数。基于并行干扰抵消的信号细估计虽然不能获得更高的分集增益,但是可以有效地降低误比特率。仿真结果显示,SLT收发策略的误比特率曲线和ML检测算法的曲线基本平行,说明它们的分集阶数大致相等。和基于排序连续干扰抵消的V-BLAST检测算法相比,SLT方案的计算复杂度虽然有少量提高,但是其误比特性能得到本质的改善。前面提出的SLT收发策略虽然能够取得较高的接收分集阶数,但是从仿真结果可以看出,SLT收发策略和ML检测算法在误比特性能方面存在45 dB的差异。为了取得和ML算法相同或相近的误比特性能,本文改变ML算法的搜索方式,并借鉴球形译码算法中设置搜索半径的思路,提出基于子集搜索的V-BLAST信号检测算法（SS V-BLAST算法）。在该算法中,接收机首先在整个信号空间中搜索满足一定约束条件的信号矢量并将这些信号矢量构成一个子集,然后利用ML准则在该子集中选取合适的矢量作为发射信号的最终估计值。约束条件中搜索半径的选取对算法的计算复杂度有很大影响,根据不同的选取方法,提出SS V-BLAST检测算法的两个分支:基于迫零信号检测的SS V-BLAST算法和基于噪声方差的SS V-BLAST算法,它们的区别在于前者不需要噪声的先验知识,后者需要知道噪声方差但是计算复杂度低于前者。为了在误比特性能和计算复杂度之间做折衷,算法引入一个介于0和1之间的变量作为复杂度控制因子,以较小的误比特性能损失换取计算复杂度的大幅度下降。仿真结果显示,SS V-BLAST检测算法能够以较低的计算复杂度取得和ML检测算法相近甚至相同的误比特率。本文针对独立平坦衰落信道环境中的MIMO系统提出了3种信号检测方案——GQOD收发策略、SLT收发策略和SS V-BLAST信号检测算法。它们不但能够取得和V-BLAST系统相同的频谱效率,并且从误比特性能和计算复杂度综合而论,它们均优于现有的V-BLAST信号检测算法。这3种解决方案各有其优缺点:SS V-BLAST算法的误比特性能优于SLT收发策略和GQOD收发策略,但它的计算复杂度也是三者中最高的;GQOD收发策略具有最低的计算复杂度,但是其误比特性能逊于其他两种方案。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 概论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 无线通信的信道特性
• 1.3 MIMO 系统模型及信道容量
• 1.4 常用的MIMO 信号检测算法
• 1.5 本文的主要研究内容
• 2 基于分组准互满正交设计的MIMO 系统设计
• 2.1 引言
• 2.2 信道模型
• 2.3 准互满正交设计及信号检测算法
• 2.4 基于分组准互满正交设计的MIMO 系统收发策略
• 2.5 性能分析
• 2.6 仿真结果
• 2.7 本章小结
• 3 基于奇异线性变换的MIMO 系统设计
• 3.1 引言
• 3.2 信道模型
• 3.3 基于奇异线性变换的MIMO 系统收发策略
• 3.4 性能分析
• 3.5 仿真结果
• 3.6 本章小结
• 4 基于子集搜索的V-BLAST 检测算法设计
• 4.1 引言
• 4.2 算法模型
• 4.3 基于迫零信号检测的SS V-BLAST 算法
• 4.4 基于噪声方差的SS V-BLAST 算法
• 4.5 仿真结果
• 4.6 本章小结
• 5 全文总结与展望
• 5.1 全文总结
• 5.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读博士学位期间发表论文目录
• 附录2 公式（2.9）的推导过程
• 附录3 英文缩写对照表
• 附录4 数学符号说明
• 附录5 国家863计划任务合同书及中标书
• 附录6 国家自然科学基金委员会文件