MIMO無線通信系統(tǒng)中信號檢測技術的研究.pdf

1、MIMO(Multiple-Input Multiple-Output,多輸入多輸出)無線通信系統(tǒng),相對傳統(tǒng)的單天線系統(tǒng),可以提供更高的系統(tǒng)容量與通信質量,近年來已成為無線通信領域中的一個研究熱點.而MIMO無線通信系統(tǒng)中的信號檢測(即"MIMO檢測"),是MIMO系統(tǒng)研究中不可回避的關鍵技術問題.如何以盡可能低的復雜度,有效地抑制MIMO系統(tǒng)中的同信道干擾、恢復出發(fā)送信號、實現(xiàn)MIMO系統(tǒng)相對單天線系統(tǒng)的性能增益,是一項具有挑戰(zhàn)性的研

2、究任務.本文以國家863 FuTURE項目為背景,在總結和借鑒前人研究成果的基礎上,重點從兩類被認為在性能和復雜度之間具有良好折衷的熱點MIMO檢測算法--"未編碼MIMO系統(tǒng)中的排序串行干擾消除(Ordered Successive Interference Cancellation,OSIC)檢測算法"和"編碼MIMO系統(tǒng)中的迭代(Turbo)檢測算法"入手,對MIMO檢測技術的四個方面進行了深入研究. G-STBC MIl

3、VIO系統(tǒng)中的符號OSIC檢測技術:G-STBC傳輸方案是本文結合FuTI.JRE TDD總體組所提出的下行鏈路8發(fā)4收B3G/4G MIMO實驗系統(tǒng)結構的特點,分析比較多種候選方案后選定的一種未編碼下行鏈路MIMO傳輸方案.首先,針對具有任意多組的G<,2>/G<,3>/G<,4> G-STBC系統(tǒng),建立了統(tǒng)一形式的G-STBC系統(tǒng)等效信號模型,作為檢測算法研究的基礎.然后,基于此模型,分別對兩種經典的V-BLAST符號OSIC檢測算

4、法--ZF_SNR OSIC算法和MMSE_SINROSIC算法進行推廣與改進,提出了G-STBC系統(tǒng)中基于迫零(Zero-Forcing,ZF)和最小均方誤差(Minimum Mean Square Error,MMSE)準則的符號OSIC檢測算法--"ZF符號排序串行干擾消除(ZF SOSIC)"檢測算法,以及"MMSE符號排序串行干擾消除(MMSE SOSIC)"檢測算法.進而,針對所提兩種G-STBC符號OSIC算法中排序準則的

5、計算問題,分別提出了一種計算策略,通過適當增加(存儲)空間復雜度可完全避免算法中排序準則的計算.所提的G.STBC符號OSIC算法都可應用于具有任意多組的G-STBC系統(tǒng),能有效地挖掘出G-STBC系統(tǒng)相對V-BLAST系統(tǒng)的分集增益;而且,由于采用了非線性的干擾消除(InterferenceCancellation,Ic)和符號檢測的優(yōu)化排序,能獲得比傳統(tǒng)的線性檢測算法、以及未排序的串行干擾消除(Successive Interfer

6、ence Cancellation,SIC)檢測算法更好的檢測性能. G-STBC MIMO系統(tǒng)中的組OSIC檢測技術:G-STBC系統(tǒng)中存在潛在的、由于發(fā)端STBC編碼引入的豐富代數屬性,發(fā)現(xiàn)并在檢測的過程中充分地利用這些屬性,對于開發(fā)出針對性強的高效子最優(yōu)檢測算法至關重要.為此,首先標識了G<,2>/G<,3>/G<,4> STBC系統(tǒng)中一系列有用的代數屬性.然后,基于這些屬性,通過證明揭示了G<,2>/G<,3>/G<,4

7、> G-STBC系統(tǒng)ZF接收機中存在的兩個重要屬性--"ZF輸出不相關屬性"和"ZF輸出等檢測后SNR屬性".接著,利用這兩個屬性并結合 OSIC 的思想,提出了一種可應用于任意多組 G<,2>/G<,3>/G<,4> G-STBC 系統(tǒng)的、基于ZF準則的組OSIC檢測算法--"ZF組排序串行干擾消除 (ZF GOSIC)"檢測算法.該算法相比傳統(tǒng)的線性ZF檢測算法、以及未排序的zF組SIC檢測算法檢測性能更好,并能以較低的復雜度獲得接

8、近ZF SOSIC算法的檢測性能.對應地,針對MMSE接收機的情形,證明了G<,2>/G<,3>/G<,4> G-STBC系統(tǒng)MMSE接收機中存在的兩個重要屬性--"MMSE輸出不相關屬性"和"MMSE輸出等檢測后SINR屬性";并提出了一種基于MMSE準則的組OSIC檢測算法--"MMSE組排序串行干擾消除(MMSE GOSIC)"檢測算法.該算法相比傳統(tǒng)的MMSE IC和ML(MaximumLikelihood,最大似然)檢測算法、

9、以及未排序的MMSE組SIC檢測算法檢測性能更好,并能以較低的復雜度獲得接近MMSE SOSIC算法的檢測性能. V-BLAST MIMO系統(tǒng)中的比特OSIC檢測技術:首先,研究了近年來提出的兩種基于符號LLR進行排序的高性能OSIC檢測算法--ZF LLR OSIC、MMSE_LLR OSIC;仿真分析表明,這些高性能符號OSIC算法在V-BLAST系統(tǒng)中收發(fā)天線數不是很多、系統(tǒng)采用較高階調制方式的場合下,相比經典符號OSIC

10、算法的性能改進并不理想.然后,針對基于符號LLR進行排序的高性能OSIC檢測算法性能改進不理想的應用場合--采用高階調制的 V-BLAST 系統(tǒng),基于OSIC檢測的基本思想、提出了一種新的高性能OSIC檢測算法--"比特排序串行干擾消除(BOSIC)"檢測算法.該算法的基本思想在于執(zhí)行以"比特"為單位的OSIC;它巧妙地采用基于MMSE準則的零化、基于比特LLR的檢測排序、以及基于"星座縮減"和"星座去偏"的比特IC,相比傳統(tǒng)的符號OS

11、IC算法可以更有效地克服誤差傳播的影響,從而能獲得更好的檢測性能.為了降低算法中基于比特LLR進行檢測排序的復雜度,也給出了一種簡化的基于比特LLR的排序方法. 編碼G-STBC MIMO-OFDM系統(tǒng)中的迭代(Turbo)檢測技術:針對頻率選擇性MIMO信道環(huán)境下高性能、高速率下行鏈路傳輸的問題,基于Turbo原則設計了一種編碼G-STBC MIMO-OFDM系統(tǒng)迭代接收傳輸方案;該方案通過MIMO解調器和信道譯碼器間基于外信

12、息交互的迭代處理進行檢測,并最終由信道譯碼器輸出信息比特的估計值.而且,針對迭代接收機中的MIMO解調模塊,通過對傳統(tǒng)適用于M-PSK調制的MIMO解調算法進行改進,提出了一種通用的基于軟符號并行干擾消除 (Parallel Interference Cancellation,PIC) 和瞬時MMSE濾波的軟入軟出MIMO解調算法,該算法不僅適用于M-PSK調制,也可用于M-QAM調制.仿真結果表明,在準靜態(tài)和快速時變 Jakes多徑衰