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多用戶mino檢測算法的研究-文庫吧

2025-06-08 17:19 本頁面


【正文】 可能處于隨機(jī)的移動當(dāng)中,這些特點(diǎn)造成無線信道中的信號傳輸機(jī)制比較復(fù)雜。通常,無線衰落信道的傳播模型可以分為大尺度(LargeScale)傳播模型和小尺度(Small—Scale)傳播模型兩種。其中,大尺度模型主要用于描述發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間長距離上的信號強(qiáng)度變化,而小尺度模型則用于描述短距離(幾個波長)或短時間(秒級)內(nèi)接收信號強(qiáng)度的快速變化()。 無線信號衰落示意圖 值得注意的是這兩種模型并不是相互獨(dú)立的,在同一個無線信道中,存在大尺度衰落,也會存在著小尺度衰落。下面將分別介紹這兩種衰落模型的特征。 小尺度衰落無線通信信道的主要特征是多徑傳播,傳播過程中會遇到很多建筑物、樹木以及起伏的地形,會引起能量的吸收和穿透以及電波的反射、散射及繞射等,這樣,移動信道就是充滿了各種反射波的復(fù)雜傳播環(huán)境,使得到達(dá)移動臺天線的信號不再是從單一路徑上來的,而是從許多路徑上來的反射波的合成。由于電波通過各個路徑的距離不同,因而從各路徑來的反射波的到達(dá)時間不同,相位也就不同。不同相位的多個信號在接收端疊加,有時同相疊加而加強(qiáng),有時反相疊加而減弱;這樣,接收信號的幅度將急劇變化,即產(chǎn)生衰落。這種衰落是由多徑傳播引起的,所以稱為多徑衰落。 小尺度衰落的類型主要有以下兩種:(1)信道的多徑特性帶來的時延擴(kuò)展,從而造成信號的時間擴(kuò)展和頻率選擇性衰落。多徑傳播時的相對時延差通常用最大多徑時延差來表示,設(shè)信道的最大時延差(或稱為時延擴(kuò)展),則定義多徑傳播信道的相關(guān)帶寬為,它表示信道傳輸特性相鄰兩個零點(diǎn)之間的頻率間隔。如果信號的頻譜比相關(guān)帶寬寬,那么時延不同的路徑會導(dǎo)致碼間干擾(ISI),這時信道被稱作是頻率選擇性的。如果,則信道的傳輸函數(shù)可以看作是一個常數(shù),信號的不同分量經(jīng)歷了相同的衰落,這時信道衰落為平坦的。在工程設(shè)計中,為了保證接收信號質(zhì)量,通常選擇信號帶寬為相關(guān)帶寬的。在頻率平坦衰落的情況下,各個多徑信號是相干的,并且可以認(rèn)為不存在ISI,由于信號帶寬遠(yuǎn)小于相干帶寬,可以認(rèn)為在間隔內(nèi)信號包絡(luò)不發(fā)生變化,經(jīng)過不同路徑接收到的信號可以直接相加,總的路徑增益為各路徑增益之和,則接收信號為發(fā)送信號與總的路徑增益的乘積,再加上噪聲和干擾。但是對于頻率選擇性衰落信道,信號帶寬大于相干帶寬或與相干帶寬相當(dāng)。在這種情況下,就不能簡單地將信號與信道響應(yīng)進(jìn)行相乘了,接收信號應(yīng)該是發(fā)射信號與總的信道響應(yīng)的卷積,然后再加上噪聲和干擾。因此,頻率選擇性信道具有記憶效應(yīng),也就是導(dǎo)致ISI出現(xiàn)的直接原因。(2)信道的時變特性造成多普勒擴(kuò)展[11],從而引起信號的頻譜擴(kuò)散和時間選擇性衰落。由于移動臺和基站之間的相對運(yùn)動,會產(chǎn)生多普勒擴(kuò)展現(xiàn)象,具體表現(xiàn)為:當(dāng)基站發(fā)射一個單頻信號時,在多徑環(huán)境中所接收到的信號頻譜將不再是一根譜線,而是彌散為一個具有有限帶寬的譜峰,從而引起信道時間上的變化,產(chǎn)生信道的時變特性(時間選擇性)。通常,用信道的相干時間與信號的周期進(jìn)行比較,來衡量多普勒擴(kuò)展的影響程度。如果,則信號經(jīng)歷了時變的衰落,此時信道被稱作時間選擇性衰落信道;如果,則在一個信號周期內(nèi),信道并沒有發(fā)生顯著變化,不同時間分量的信號經(jīng)歷了相同的衰落,此時信道被稱作是時間平坦衰落(非選擇性)。此外,值得一提的是,在MIMO系統(tǒng)中,由于移動臺和基站周圍的散射環(huán)境不同而造成的不同位置上的天線經(jīng)歷不同衰落的特性,還會產(chǎn)生空間選擇性衰落。由多徑時延擴(kuò)展引起的小尺度衰落如下所示:由多普勒擴(kuò)展引起的小尺度衰落如下所示: 大尺度衰落 無線電波在自由空間內(nèi)傳輸,其信號功率會隨著傳播距離的增加而減小,這會對數(shù)據(jù)速率以及系統(tǒng)的性能帶來不利影響。另外信號在電波傳播路徑上受到建筑物及山丘等的阻擋所產(chǎn)生的陰影效應(yīng)也會產(chǎn)生損耗,這些損耗就是大尺度衰落。大尺度衰落反映了大尺度意義上接收信號產(chǎn)生的損耗,一般遵從對數(shù)正態(tài)分布,其變化率較慢。最簡單的大尺度路徑損耗的模型可以表示為: (21) 其中表示本地平均發(fā)射信號功率,表示接收功率,是發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間的距離。對于典型環(huán)境來說,路徑損耗指數(shù)一般在2到4中選擇。由此可以得到平均的信號噪聲比()為: (22)其中是單邊噪聲功率譜密度,是信號帶寬,是獨(dú)立于距離、功率和帶寬的常數(shù)。如果為保證接收的可靠性,要求,其中在表示信噪比門限,則路徑損耗會為比特速率帶來限制: (23)以及對信號的覆蓋也會帶來限制: (24) 可見,如果不采用其他特殊的技術(shù),數(shù)據(jù)的符號速率以及電波的傳播范圍都會受到很大的限制。 MIMO系統(tǒng)容量分析 MIMO系統(tǒng)模型考慮具有根發(fā)射天線、根接收天線的MIMO系統(tǒng),用離散時間描述的復(fù)基帶線性系統(tǒng)模型[12]。用(的列向量)表示每個符號周期內(nèi)的發(fā)射信號,其中第個元素表示第根天線發(fā)射的信號。圖 MIMO系統(tǒng)框圖如果考慮信道是高斯信道,則由信息論知道最好的信號分布也應(yīng)該是高斯分布。所以中的元素可以認(rèn)為是零均值的獨(dú)立同分布的高斯變量。發(fā)射信號矩陣的方差為: (25)設(shè)總的發(fā)射功率為,則有: (26) 其中表示矩陣的跡,即矩陣的所有對角元素的和。如果發(fā)射端不知道信道特性,我們可以假設(shè)每個天線具有相同的發(fā)射功率。那么,發(fā)射信號的方差矩陣為: (27) 其中為的單位陣。如果信號帶寬夠窄,則其頻率響應(yīng)可以認(rèn)為是平坦的,也就是說,信道是無記憶的。用(的復(fù)矩陣)來描述信道。表示矩陣的第個元素,代表從第根發(fā)射天線到第根接收天線之間的信道衰落系數(shù)?;跉w一化的考慮,假定接收天線中每一根天線的接收功率都等于總的發(fā)射功率。即忽略了信號傳播過程中的信號衰減和增益。這樣可以得到歸一化的約束條件: (28)我們假設(shè)信道矩陣在接收端是確知的,而在發(fā)射端并不一定確知??梢酝ㄟ^信道估計來估計信道矩陣,然后將CSI反饋到發(fā)射端。信道矩陣中的元素可能是確定的也可能是隨機(jī)的。我們將重點(diǎn)放在信道矩陣元素是瑞利分布的情況,對于超視距無線信道的實(shí)際情況來說,這是最有代表性的。用(的列矩陣)來描述接收端的噪聲。它的元素是統(tǒng)計獨(dú)立的復(fù)零均值高斯變量,其實(shí)部和虛部相互獨(dú)立,方差相等。接收噪聲的相關(guān)矩陣可表示為: (29)如果的元素之間沒有相關(guān)性,則接收噪聲的協(xié)方差矩陣為: (210)每一個接收天線上的噪聲功率為。用(的列矩陣)來描述接收信號,其中每個復(fù)元素代表一根接收天線。我們用來表示每個接收天線的平均功率。則每個接收天線的平均信噪比定義為: (211)接收信號矢量可以表示為: (212) 接收信號的方差可以由上式得: (213) 此時,總的接收信號的功率等于。 MIMO的信道容量MIMO系統(tǒng)在發(fā)射端和接收端都采用多天線(或陣列天線)和多通道,傳輸信息經(jīng)過空時編碼形成個信息子流,這個信息子流經(jīng)個天線發(fā)射出去,經(jīng)過空間信道后由個接收天線接收。多天線接收機(jī)利用先進(jìn)的空時編碼處理能夠分開并解碼的這些數(shù)據(jù)子流,從而實(shí)現(xiàn)最佳的處理。人們已經(jīng)熟知在加性高斯環(huán)境下,信道容量由下式給出: (214)MIMO系統(tǒng)信道容量的導(dǎo)出是基于近似理想的傳播環(huán)境:信道是準(zhǔn)靜態(tài)的,即信道參數(shù)中一個突發(fā)幀期間保持不變,而在幀與幀之間是一個隨機(jī)變量;信道參數(shù)對發(fā)端未知,收端可以通過跟蹤估計得到;信號為窄帶信號,無頻率選擇性衰落;各條路徑均是瑞利衰落,且相互獨(dú)立;不考慮多用戶干擾。MIMO系統(tǒng)信道容量公式的數(shù)學(xué)模型是:(1)天線數(shù):為發(fā)射天線數(shù);為接收天線數(shù)。(2)發(fā)送信號:總發(fā)射功率,且與無關(guān)。(3)接收端噪聲:復(fù)維加性高斯白噪聲,統(tǒng)計獨(dú)立,在每個天線的功率均為。 (4)接收信號:維信號。且記發(fā)射端僅有一個天線時(發(fā)射功率),每個接收天線的平均功率為。(5)每個接收端的:,與無關(guān)。(6)信道沖激響應(yīng)矩陣:維矩陣,其傅立葉變換為,由于有窄帶傳輸?shù)募僭O(shè),即在傳輸頻帶內(nèi)為常數(shù),記為。為方便起見,記的歸一化形式為,且滿足關(guān)系式?;窘邮辗匠蹋ㄏ蛄啃问剑? (215)香農(nóng)信道容量的標(biāo)準(zhǔn)公式又可以寫為: (216)這里的單位是,是指單位帶寬的信道容量;是接收端信噪比;在單個天線情況下,是一個復(fù)數(shù),而不是一個向量。從該公式可以看出,信噪比每增加,可增加的信道容量,信道容量隨信噪比按對數(shù)增長。當(dāng)發(fā)送信號是維統(tǒng)計獨(dú)立、能量相同、高斯分布的復(fù)向量時,可得到信道容量的一般表達(dá)式為[13]: (217)式中:代表行列式;代表 維單位矩陣;表示的共軛轉(zhuǎn)置。特別地,當(dāng)時, 當(dāng)時 (218)從上式可以看出,信道容量隨信噪比不再是對數(shù)增長,而是線形增長。這意味著使用并行信息傳輸具有很大的優(yōu)越性。 第三章 分層空時系統(tǒng)的檢測技術(shù)無線傳輸?shù)牡湫吞攸c(diǎn)就是多徑傳播和頻率選擇性衰落。在傳統(tǒng)的無線通信系統(tǒng)中,由于多徑傳播的存在,各多徑信號到達(dá)接收機(jī)的時間不同,會產(chǎn)生嚴(yán)重的干擾而影響系統(tǒng)性能,所采取的各種解決方案一般均是考慮如何消除多徑傳播的影響。而分層空時(BLAST:Belllaboratories Layered SpaceTime)技術(shù)卻利用了無線信道多徑傳播的特點(diǎn),更適合于在傳播路徑較豐富的環(huán)境下使用。它利用先進(jìn)的信號處理技術(shù),如同在原有系統(tǒng)帶寬上建立了多個互不干擾、并行傳輸?shù)淖有诺?,能夠同時、準(zhǔn)確、高效的傳輸數(shù)據(jù)信息,可以極大的提高系統(tǒng)容量。在分層空時技術(shù)發(fā)展過程中,F(xiàn)oschini于1996年在文獻(xiàn)中提出了對角空時分層結(jié)構(gòu)(DBLAST),但DBLAST的檢測方法較為復(fù)雜。為了解決DBLAST檢測的復(fù)雜性問題,提出了BLAST結(jié)構(gòu)的一種簡單形式垂直分層空時結(jié)構(gòu)(VBLAST),它不僅能達(dá)到高頻譜利用率而且又具有相對簡單的發(fā)射結(jié)構(gòu)和檢測算法。 本章在學(xué)習(xí)BLAST的基本原理基礎(chǔ)上,介紹了BLAST系統(tǒng)中ML,ZF,MMSE,SIC等一系列檢測方法的基本原理。 分層空時結(jié)構(gòu)的簡介。設(shè)發(fā)射天線數(shù)為,接收天線為。信息源數(shù)據(jù)先經(jīng)過符號映射器從比特流映射為符號流,再經(jīng)串/并轉(zhuǎn)換變成路并行數(shù)據(jù)子流,最后用不同的空時分層結(jié)構(gòu)進(jìn)行發(fā)射。經(jīng)過空時構(gòu)造的信號通過MIMO信道傳播以后,被根接收天線接收。在接收機(jī)中,利用信道估計信息進(jìn)行空時信號的檢測。 圖 BLAST系統(tǒng)框圖BLAST一般可分為水平分層空時結(jié)構(gòu)(HBLAST:Horizontal BLAST)、對角分層空時結(jié)構(gòu)(DBLAST:Diagonal BLAST)與垂直分層空時結(jié)構(gòu)(VBLAST:Vertical BLAST),這些構(gòu)造方式只是在空間和時間上對經(jīng)過星座映射的符號進(jìn)行排列而沒有進(jìn)行任何形式的編碼。 分層空時系統(tǒng)的檢測技術(shù) 最大似然檢測算法理論上,最大似然檢測是最優(yōu)的檢測算法,其方法是在發(fā)射信號(或者信號向量空間)內(nèi)尋找其經(jīng)過信道變換以后到接收信號距離最小的那個發(fā)射信號(或者信號向量空間)。數(shù)學(xué)表達(dá)式如下: (31)其中是的估計符號向量,為發(fā)射信號存在的空間,表示在所在的空間內(nèi)尋找最小值,是向量二范數(shù)運(yùn)算符。最大似然解的最基本方法是遍歷所有可能的星座符號向量。即測試的所有可能值,找出使得值最小的即為最大似然解。最大似然檢測算法搜索所有向量星座尋找最有可能的發(fā)射信號向量。這包含有對組合的調(diào)查,一個非常困難的工作。因此,這些接收器很難真正的應(yīng)用,但是可以提供多樣性和零功率損耗作為檢測過程的一個結(jié)果。從這個方面來說它是最優(yōu)的。并且有基于雇用球形譯碼的快速檢測算法的發(fā)展。 迫零檢測算法迫零檢測算法是一個線
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