【正文】 1 緒論1．1 引言進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，隨著無(wú)線移動(dòng)用戶數(shù)的急劇增加、用戶對(duì)各種實(shí)時(shí)多媒體業(yè)務(wù)需求的不斷增長(zhǎng)、以及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和各種簡(jiǎn)短無(wú)線通信技術(shù)的迅猛進(jìn)步，無(wú)線通信已成為當(dāng)今世界最活躍的科研領(lǐng)域之一[1]。它突破了有線通信的物理限制，使得用戶可以自由地在任何無(wú)線電波能夠到達(dá)的地方進(jìn)行通信，這大大拓展了通信的空間和活力。但同時(shí)，隨著全球移動(dòng)通信用戶的不斷增多，人們對(duì)于無(wú)線語(yǔ)音系統(tǒng)和高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨笠苍诓粩嘣鲩L(zhǎng)，這就需要更高速率的無(wú)線鏈路的支持。然而隨著各種通信業(yè)務(wù)和寬帶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的不斷發(fā)展，無(wú)線資源，尤其是頻譜資源變得越來(lái)越緊張，如何高效地利用這些有限的通信資源，并提供高速率、高性能的數(shù)據(jù)傳輸能力成為無(wú)線通信新技術(shù)發(fā)展的焦點(diǎn)所在。在這種背景下，產(chǎn)生了多輸入多輸出（MIMO，MultipleInput Multiple Output）的通信系統(tǒng)。多輸入多輸出技術(shù)作為近年來(lái)無(wú)線通信領(lǐng)域中一項(xiàng)突破性的技術(shù)，在無(wú)線通信系統(tǒng)收發(fā)兩側(cè)同時(shí)配置多個(gè)天線，通過(guò)充分利用信道的空間特性，可以再不增加系統(tǒng)帶寬和天線總發(fā)送功率的情況下，可有效對(duì)抗無(wú)線信道衰落的影響，大大提高系統(tǒng)的頻譜利用率和信道容量，已經(jīng)吸引了人們廣泛的研究興趣。在MIMO提出后的短短幾年時(shí)間內(nèi)，隨著貝爾實(shí)驗(yàn)室基于貝爾實(shí)驗(yàn)室分層空時(shí)（BLAST）[4]技術(shù)MIMO系統(tǒng)的演示成功，及其在各種無(wú)線通信國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中不斷嶄露頭角，人們有足夠的理由相信，該項(xiàng)技術(shù)將成為下一代無(wú)線通信系統(tǒng)中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)[2]。MIMO作為一項(xiàng)新技術(shù)，應(yīng)用于無(wú)線通信系統(tǒng)中，可從發(fā)送端、信道、接收端三個(gè)方面對(duì)其進(jìn)行研究，并將其關(guān)鍵核心技術(shù)分為三個(gè)部分[3]：多天線空時(shí)編碼、MIMO無(wú)線信道建模和接收機(jī)設(shè)計(jì)。本文主要對(duì)MIMO無(wú)線通信系統(tǒng)中的BLAST系統(tǒng)的接收機(jī)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析和研究，深入比較了幾種經(jīng)典的和最新的信號(hào)檢測(cè)技術(shù)，從復(fù)雜度和誤碼率兩個(gè)角度比較，以提高通信系統(tǒng)的整體性能。 多天線系統(tǒng)通信系統(tǒng)簡(jiǎn)介 多天線系統(tǒng)的發(fā)展歷史人類采用通信的歷史可一直追溯到遙遠(yuǎn)的古代。但直到19世紀(jì)末，人們還是采用十分直觀地方式實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的信息傳輸。1864年，英國(guó)物理學(xué)家麥克斯韋創(chuàng)造性地總結(jié)了人們已有的電磁學(xué)知識(shí)，預(yù)言了電磁波的存在。1887年，德國(guó)物理學(xué)家赫茲用實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生出電磁波，證明了麥克斯韋的預(yù)言。1897年，意大利科學(xué)家馬可尼首次使用無(wú)線電波進(jìn)行信息傳輸并獲得成功，并在1901年第一次在跨越大西洋的無(wú)線電通信中使用了發(fā)射天線。在后來(lái)的一個(gè)多世紀(jì)的時(shí)間里，在飛速發(fā)展的計(jì)算機(jī)和半導(dǎo)體技術(shù)的推動(dòng)下，無(wú)線移動(dòng)通信的理論和技術(shù)不斷取得進(jìn)步。今天，無(wú)線移動(dòng)通信已經(jīng)發(fā)展到大規(guī)模商用并逐漸成為人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢扇鄙俚闹匾ㄐ欧绞街弧Ｔ趯?duì)無(wú)線通信中天線的研究及其應(yīng)用主要集中在3個(gè)領(lǐng)域[5]。第一個(gè)研究領(lǐng)域是天線及其天線陣列的電磁設(shè)計(jì)，主要包括天線增益、極化方向、波束帶寬、旁瓣電平、效率和方向圖等的設(shè)計(jì)。第二個(gè)研究領(lǐng)域是到達(dá)角的估計(jì)。第三個(gè)研究領(lǐng)域是利用天線陣列來(lái)提高頻譜效率、覆蓋范圍以及鏈路傳輸性能等，本文所討論的多天線MIMO技術(shù)即屬于這一領(lǐng)域。多副接收天線和接收的分集的使用可追溯到20世紀(jì)初的馬可尼時(shí)代，早在1908年馬可尼就提出用它來(lái)抗衰落。人們研究發(fā)現(xiàn)，多副天線構(gòu)成的接收陣列可以有效地客服無(wú)線蜂窩系統(tǒng)中的共道干擾。二次世界大戰(zhàn)后，對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)中天線陣列的研究尤為活躍。到20世紀(jì)70年代，由于軍事上的原因，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)得到了快速發(fā)展，這使得更多的關(guān)于天線陣列研究的自適應(yīng)信號(hào)處理技術(shù)的實(shí)現(xiàn)成為可能。到20世紀(jì)90年代初，人們發(fā)現(xiàn)使用多天線可以增加無(wú)線信道的容量。1994年，Paulraj和Kailath提出在發(fā)送端和接收端同時(shí)使用多天線可增加無(wú)線信道的容量。1996年，Roy和Ottersten提出在基站使用多天線可在同一信道上支持多個(gè)用戶使用。接下來(lái)，Bell實(shí)驗(yàn)室在20世紀(jì)90年代中后期的一系列研究成果，對(duì)多天線的研究起了很大的推動(dòng)作用，開(kāi)創(chuàng)了無(wú)線通信的一場(chǎng)新的技術(shù)革命。1995年Telatar和1998年Foschini對(duì)白高斯信道下多輸入天線多輸出天線信道容量的研究表明MIMO技術(shù)可大大提高容量[1,6]。在此基礎(chǔ)上，1996年Foschini提出分層空時(shí)編碼（Layered SpaceTime Coding）[4,7]技術(shù)，1998年Alamouti提出一種發(fā)送分集實(shí)現(xiàn)方案[8]，獲得了與n副天線接收分集相同的性能。隨后，Tarokh等人在Alamouti研究工作的基礎(chǔ)上，將折衷發(fā)送分集技術(shù)結(jié)合正交編碼，提出了空時(shí)分組編碼技術(shù)（STBC, SpaceTime Block Coding）；將這種發(fā)送分集結(jié)合格狀編碼調(diào)制（TCM）技術(shù)，提出空時(shí)網(wǎng)格編碼技術(shù)（STTC, SpaceTime Trellis Coding）。 MIMO系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀從Winters對(duì)無(wú)線通信系統(tǒng)空間分集與系統(tǒng)容量的討論，到Telatar和Foschini關(guān)于MIMO信道容量的理論分析，這些奠定了MIMO無(wú)線通信的信息論基礎(chǔ)。而BLAST的試驗(yàn)結(jié)果則從實(shí)踐的角度證明了MIMO能夠在不占用額外頻譜帶寬的前提下，有效地提高信道容量。上述研究掀起了近十年無(wú)線通信領(lǐng)域?qū)IMO研究的熱潮，也標(biāo)志著MIMO無(wú)線通信研究的真正開(kāi)始。從1998年開(kāi)始，在Telatar、Foschini以及Tarokh等人研究成果的基礎(chǔ)上，國(guó)內(nèi)外著名的無(wú)線通信研究機(jī)構(gòu)和學(xué)者們對(duì)MIMO技術(shù)開(kāi)始了大量的深入研究，發(fā)表大量相關(guān)論文?？偨Y(jié)近幾年來(lái)關(guān)于MIMO技術(shù)的研究，可以發(fā)現(xiàn)，單用戶MIMO技術(shù)研究的內(nèi)容主要包括5個(gè)方面[10]：1) MIMO衰落信道的測(cè)量和建模方法；2) MIMO信道容量分析；3) 基于MIMO的空時(shí)編/解碼方法、預(yù)編碼發(fā)射技術(shù)；4) 基于MIMO的接收機(jī)關(guān)鍵技術(shù)，如信道估計(jì)、均衡、多用戶檢測(cè)等；5) MIMO系統(tǒng)信道信息反饋技術(shù)。1．3 本文的主要工作和結(jié)構(gòu)安排本文主要研究了BLAST系統(tǒng)的多種信號(hào)檢測(cè)方法。通過(guò)MATLAB，搭建NM的MIMO系統(tǒng)平臺(tái)，并在瑞利信道下對(duì)各種檢測(cè)方法仿真，比較譯碼性能和計(jì)算復(fù)雜度，最終得到兩者折衷的不同環(huán)境下的最優(yōu)算法。本文共分四章：第一章介紹了論文相關(guān)的背景知識(shí)，介紹了MIMO系統(tǒng)的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀。第二章詳細(xì)描述了無(wú)線通信信道與MIMO技術(shù)的基本原理，重點(diǎn)對(duì)信道部分進(jìn)行了定義和分類。第三章介紹了BLAST系統(tǒng)的基本架構(gòu)，研究了其經(jīng)典的傳統(tǒng)檢測(cè)方法，包括迫零算法、最小均方誤差算法、串行干擾抵消算法和最大似然算法，并對(duì)算法性能進(jìn)行比較和分析。第四章主要研究BLAST系統(tǒng)下，從優(yōu)化理論的角度逼近最大似然譯碼性能的半正定松弛檢測(cè)方法，以及其改進(jìn)檢測(cè)方法，并對(duì)性能和復(fù)雜度進(jìn)行比較和分析。2 MIMO基本原理 引言MIMO系統(tǒng)屬于多輸入天線多輸出天線的無(wú)線通信系統(tǒng)，因此MIMO系統(tǒng)具有無(wú)線通信的主要特征。值得注意的是，傳統(tǒng)無(wú)線通信系統(tǒng)的不同點(diǎn)是，MIMO的多天線將單一的傳輸信道等效切割為多個(gè)子信道，因此對(duì)信道的建模將不同于傳統(tǒng)的一發(fā)一收信道。此外空間復(fù)用和分集也是MIMO系統(tǒng)的重要特征。為了更好的對(duì)MIMO系統(tǒng)進(jìn)行研究，有必要對(duì)無(wú)線通信系統(tǒng)、信道模型、復(fù)用與分集技術(shù)進(jìn)行扼要的介紹與探討。為此，本章首先介紹了無(wú)線通信系統(tǒng)的相關(guān)基礎(chǔ)理論，主要是單天線SISO（SingleInput SingleOutput）的系統(tǒng)模型和信道模型，然后探討多天線系統(tǒng)模型及信道理論，并主要研究了多天線系統(tǒng)的信道模型，最后介紹了MIMO系統(tǒng)的分集與復(fù)用技術(shù)的特點(diǎn)與應(yīng)用。 無(wú)線通信系統(tǒng)模型與信道理論 SISO系統(tǒng)模型傳統(tǒng)的單天線系統(tǒng)實(shí)際上是單輸入單輸出天線系統(tǒng)（SISO），其等效系統(tǒng)模型如圖21所示。信道衰落系數(shù)用h(t)表示，發(fā)送信號(hào)為x(t)，接收信號(hào)為y(t)，它們關(guān)系式為[1]： ()其中，符號(hào)“*”表示卷積運(yùn)算，表示均值為0、方差為的加性復(fù)白高斯噪聲。假設(shè)信道為窄帶平坦衰落信道，即在傳輸頻帶內(nèi)信道的傳遞函數(shù)為恒定值，對(duì)應(yīng)于時(shí)域，信道是無(wú)記憶的理想信道，也即除t=0時(shí)不為0外其余各處皆為0，簡(jiǎn)記為。基于此，上式的卷積可以簡(jiǎn)化為乘積：y(t) ()h(t)或H(f)x(t)n(t)圖 21 單天線SISO系統(tǒng)等效模型 無(wú)線信道基本特征一切無(wú)線通信都是基于電磁波在空間的傳播來(lái)實(shí)現(xiàn)信息傳播的。電磁波在自由空間中的傳播主要有直射、反射、散射和衍射4種方式，其結(jié)果是信號(hào)利用障礙物的反射、散射、衍射或直線傳播，經(jīng)多條路徑到達(dá)接收端，使得接收信號(hào)與發(fā)送信號(hào)相比產(chǎn)生了一些變化。無(wú)線信道對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懼饕袀鬏斔p、多徑傳播引起的頻率選擇性衰落、時(shí)變性引起的時(shí)間選擇性衰落以及角度擴(kuò)展引起的空間選擇性衰落。無(wú)線信道的主要特征是信道強(qiáng)度關(guān)于時(shí)間和頻率的變化這種變化大致可以分為如下兩種類型：大尺度衰落（Largescale fading）和小尺度衰落（Smallscale fading）。本節(jié)將要討論上述兩種類型的衰落，但重點(diǎn)在后者。大尺度衰落與諸如基站規(guī)劃之類的問(wèn)題關(guān)系更為密切[11]，小尺度衰落則與本文的焦點(diǎn)——MIMO系統(tǒng)的接收機(jī)設(shè)計(jì)關(guān)系更為密切。 大尺度衰落造成大尺度衰落的原因有多種，概括起來(lái)主要有兩種[1,11,12]：1） 路徑損耗當(dāng)發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間的距離在較大尺度上變化（數(shù)百米或數(shù)千米）時(shí)，接收信號(hào)的平均功率值與信號(hào)傳播距離d的n次方成反比。n稱為路勁損耗指數(shù)，n值的大小由具體的傳輸環(huán)境決定。對(duì)于自由空間的電波傳播，指數(shù)n一般取2.2） 陰影衰落電磁波在空間傳播時(shí)受到地形起伏、高大建筑物的阻擋，在這些障礙物后面會(huì)產(chǎn)生電磁場(chǎng)的陰影，造成場(chǎng)強(qiáng)中值的變化，從而引起信號(hào)衰減，稱作陰影衰落[11,12]。陰影衰落是以較大的空間尺度來(lái)衡量的，其統(tǒng)計(jì)特性通常符合對(duì)數(shù)正態(tài)分布。路徑損耗與陰影衰落合并在一起反映了無(wú)線信道在大尺度上對(duì)傳輸信號(hào)的影響?？偟膩?lái)說(shuō)，大尺度衰落是由距離而變化的信號(hào)路徑損耗和由建筑物、山脈等大型障礙物的陰影造成的，當(dāng)移動(dòng)臺(tái)運(yùn)動(dòng)的距離與小區(qū)[13]尺寸相當(dāng)時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)通常與頻率無(wú)關(guān)的大尺度衰落。 小尺度衰落在無(wú)線通信中，由于電波經(jīng)過(guò)多條路徑的距離不同，因而各條路徑中的發(fā)射波到達(dá)接收機(jī)的時(shí)間、相位都不相同。不同相位的多個(gè)信號(hào)在接收端疊加，如果同相疊加則會(huì)使信號(hào)幅度增強(qiáng)，而反相疊加則會(huì)削弱信號(hào)幅度。當(dāng)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的距離在較小的尺度上（數(shù)個(gè)波長(zhǎng)）變化時(shí)，接收信號(hào)的功率會(huì)發(fā)生急劇的變化，稱之為小尺度衰落[。其中可根據(jù)相干時(shí)間和相干帶寬將小尺度衰落劃分為四種重要的信道類型：快衰落、慢衰落、平坦衰落以及頻率選擇性衰落。下面將詳細(xì)介紹。1） 多普勒擴(kuò)展與相干時(shí)間由于發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)或者信道中其他物體的運(yùn)動(dòng)，將引起無(wú)線信道的時(shí)變性。信道的時(shí)變性導(dǎo)致時(shí)間選擇性衰落，表現(xiàn)在信號(hào)的頻譜被展寬。描述無(wú)線信道時(shí)變性的兩個(gè)重要參數(shù)是多普勒擴(kuò)展（Doppler Spread）和相干時(shí)間（Coherence Time）。當(dāng)無(wú)線電發(fā)射機(jī)與接收機(jī)作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，接收信號(hào)的頻率將會(huì)發(fā)生偏移。當(dāng)兩者做相向運(yùn)動(dòng)時(shí)，接收信號(hào)的頻率將高于發(fā)射頻率，當(dāng)兩者作反向運(yùn)動(dòng)時(shí)，接收信號(hào)的頻率將低于發(fā)射頻率，這種現(xiàn)象稱為多普勒效應(yīng)。對(duì)于電磁波而言，因?yàn)槎嗥绽招?yīng)造成的頻率偏移取決于兩者相對(duì)運(yùn)動(dòng)的速度，可將這種頻率偏移記為[1,10,11]： ()其中，為接收端檢測(cè)到的發(fā)射機(jī)頻率的變化量，稱為多普勒頻率偏移；是發(fā)射機(jī)的載頻；為載波波長(zhǎng)；是發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間的相對(duì)速度；是移動(dòng)方向與電波入射方向的夾角；為光速。多普勒頻移的正負(fù)由決定，最大值稱為最大多普勒頻移，常用來(lái)描述無(wú)線信道的時(shí)變性所引起的接收信號(hào)的頻譜展寬的程度，可稱之為多普勒擴(kuò)展。當(dāng)發(fā)射機(jī)在無(wú)線信道上發(fā)送一個(gè)頻率為的單頻正弦波時(shí)，由于多普勒效應(yīng)，接收信號(hào)的頻譜被展寬，將包含頻率至的頻譜稱為多普勒頻譜。與多普勒擴(kuò)展相對(duì)應(yīng)的一個(gè)時(shí)間參量是相干時(shí)間，它在時(shí)域描述信道的頻率色散的時(shí)變特性。相干時(shí)間與多普勒擴(kuò)展成反比，它是信道沖激響應(yīng)維持不變的時(shí)間間隔的統(tǒng)計(jì)平均。換句話說(shuō)，相干時(shí)間就是指一段時(shí)間間隔，在此間隔內(nèi)，接收信號(hào)的幅值具有很強(qiáng)的相關(guān)性，即在相干時(shí)間內(nèi)，信道的沖激響應(yīng)保持不變。我們可得到如下的重要關(guān)系[11]： ()值得注意的是，這是一個(gè)不太精確的關(guān)系式，因?yàn)樽畲蠖嗥绽疹l移可能屬于信號(hào)很弱的以至于無(wú)法區(qū)分的路徑。也可以將π/4的相位變化看作是重大的變化，因此可將上述因子4替換為8。許多人將因子4替換為1，重要的是要認(rèn)識(shí)到?jīng)Q定時(shí)間相干的主要影響因素是多普勒擴(kuò)展，它們之間的關(guān)系式互逆的，多普勒擴(kuò)展越大，相干時(shí)間越小。進(jìn)一步，相關(guān)時(shí)間由時(shí)間相關(guān)函數(shù)[11]決定，則其近似為： ()式()給出了瑞利衰落[12]信號(hào)可能急劇起伏的時(shí)間間隔，式()的定義通常過(guò)于嚴(yán)格，一種普遍的方法是將相干時(shí)間定義為式(