【正文】 1 緒論1．1 引言進入21世紀(jì)以來，隨著無線移動用戶數(shù)的急劇增加、用戶對各種實時多媒體業(yè)務(wù)需求的不斷增長、以及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和各種簡短無線通信技術(shù)的迅猛進步，無線通信已成為當(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線電波能夠到達的地方進行通信，這大大拓展了通信的空間和活力。但同時，隨著全球移動通信用戶的不斷增多，人們對于無線語音系統(tǒng)和高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨笠苍诓粩嘣鲩L，這就需要更高速率的無線鏈路的支持。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，無線資源，尤其是頻譜資源變得越來越緊張，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)傳輸能力成為無線通信新技術(shù)發(fā)展的焦點所在。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)作為近年來無線通信領(lǐng)域中一項突破性的技術(shù)，在無線通信系統(tǒng)收發(fā)兩側(cè)同時配置多個天線，通過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，可有效對抗無線信道衰落的影響，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間內(nèi)，隨著貝爾實驗室基于貝爾實驗室分層空時（BLAST）[4]技術(shù)MIMO系統(tǒng)的演示成功，及其在各種無線通信國際標(biāo)準(zhǔn)中不斷嶄露頭角，人們有足夠的理由相信，該項技術(shù)將成為下一代無線通信系統(tǒng)中的一項關(guān)鍵技術(shù)[2]。MIMO作為一項新技術(shù)，應(yīng)用于無線通信系統(tǒng)中，可從發(fā)送端、信道、接收端三個方面對其進行研究，并將其關(guān)鍵核心技術(shù)分為三個部分[3]：多天線空時編碼、MIMO無線信道建模和接收機設(shè)計。本文主要對MIMO無線通信系統(tǒng)中的BLAST系統(tǒng)的接收機設(shè)計進行分析和研究，深入比較了幾種經(jīng)典的和最新的信號檢測技術(shù)，從復(fù)雜度和誤碼率兩個角度比較，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現(xiàn)簡單的信息傳輸。1864年，英國物理學(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，預(yù)言了電磁波的存在。1887年，德國物理學(xué)家赫茲用實驗產(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線電波進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線電通信中使用了發(fā)射天線。在后來的一個多世紀(jì)的時間里，在飛速發(fā)展的計算機和半導(dǎo)體技術(shù)的推動下，無線移動通信的理論和技術(shù)不斷取得進步。今天，無線移動通信已經(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?。在對無線通信中天線的研究及其應(yīng)用主要集中在3個領(lǐng)域[5]。第一個研究領(lǐng)域是天線及其天線陣列的電磁設(shè)計，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。第二個研究領(lǐng)域是到達角的估計。第三個研究領(lǐng)域是利用天線陣列來提高頻譜效率、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)初的馬可尼時代，早在1908年馬可尼就提出用它來抗衰落。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線蜂窩系統(tǒng)中的共道干擾。二次世界大戰(zhàn)后，對雷達系統(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)信號處理技術(shù)的實現(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線信道的容量。1994年，Paulraj和Kailath提出在發(fā)送端和接收端同時使用多天線可增加無線信道的容量。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用戶使用。接下來，Bell實驗室在20世紀(jì)90年代中后期的一系列研究成果，對多天線的研究起了很大的推動作用，開創(chuàng)了無線通信的一場新的技術(shù)革命。1995年Telatar和1998年Foschini對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提出分層空時編碼（Layered SpaceTime Coding）[4,7]技術(shù)，1998年Alamouti提出一種發(fā)送分集實現(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對無線通信系統(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無線通信的信息論基礎(chǔ)。而BLAST的試驗結(jié)果則從實踐的角度證明了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線通信領(lǐng)域?qū)IMO研究的熱潮，也標(biāo)志著MIMO無線通信研究的真正開始。從1998年開始，在Telatar、Foschini以及Tarokh等人研究成果的基礎(chǔ)上，國內(nèi)外著名的無線通信研究機構(gòu)和學(xué)者們對MIMO技術(shù)開始了大量的深入研究，發(fā)表大量相關(guān)論文。總結(jié)近幾年來關(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個方面[10]：1) MIMO衰落信道的測量和建模方法；2) MIMO信道容量分析；3) 基于MIMO的空時編/解碼方法、預(yù)編碼發(fā)射技術(shù)；4) 基于MIMO的接收機關(guān)鍵技術(shù)，如信道估計、均衡、多用戶檢測等；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)的多種信號檢測方法。通過MATLAB，搭建NM的MIMO系統(tǒng)平臺，并在瑞利信道下對各種檢測方法仿真，比較譯碼性能和計算復(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，介紹了MIMO系統(tǒng)的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀。第二章詳細描述了無線通信信道與MIMO技術(shù)的基本原理，重點對信道部分進行了定義和分類。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，并對算法性能進行比較和分析。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方法，以及其改進檢測方法，并對性能和復(fù)雜度進行比較和分析。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線通信系統(tǒng)，因此MIMO系統(tǒng)具有無線通信的主要特征。值得注意的是，傳統(tǒng)無線通信系統(tǒng)的不同點是，MIMO的多天線將單一的傳輸信道等效切割為多個子信道，因此對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MIMO系統(tǒng)進行研究，有必要對無線通信系統(tǒng)、信道模型、復(fù)用與分集技術(shù)進行扼要的介紹與探討。為此，本章首先介紹了無線通信系統(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)的特點與應(yīng)用。 無線通信系統(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)送信號為x(t)，接收信號為y(t)，它們關(guān)系式為[1]： ()其中，符號“*”表示卷積運算，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，對應(yīng)于時域，信道是無記憶的理想信道，也即除t=0時不為0外其余各處皆為0，簡記為?；诖?，上式的卷積可以簡化為乘積：y(t) ()h(t)或H(f)x(t)n(t)圖 21 單天線SISO系統(tǒng)等效模型 無線信道基本特征一切無線通信都是基于電磁波在空間的傳播來實現(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)多條路徑到達接收端，使得接收信號與發(fā)送信號相比產(chǎn)生了一些變化。無線信道對信號傳輸?shù)挠绊懼饕袀鬏斔p、多徑傳播引起的頻率選擇性衰落、時變性引起的時間選擇性衰落以及角度擴展引起的空間選擇性衰落。無線信道的主要特征是信道強度關(guān)于時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，但重點在后者。大尺度衰落與諸如基站規(guī)劃之類的問題關(guān)系更為密切[11]，小尺度衰落則與本文的焦點——MIMO系統(tǒng)的接收機設(shè)計關(guān)系更為密切。 大尺度衰落造成大尺度衰落的原因有多種，概括起來主要有兩種[1,11,12]：1） 路徑損耗當(dāng)發(fā)射機與接收機之間的距離在較大尺度上變化（數(shù)百米或數(shù)千米）時，接收信號的平均功率值與信號傳播距離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受到地形起伏、高大建筑物的阻擋，在這些障礙物后面會產(chǎn)生電磁場的陰影，造成場強中值的變化，從而引起信號衰減，稱作陰影衰落[11,12]。陰影衰落是以較大的空間尺度來衡量的，其統(tǒng)計特性通常符合對數(shù)正態(tài)分布。路徑損耗與陰影衰落合并在一起反映了無線信道在大尺度上對傳輸信號的影響。總的來說，大尺度衰落是由距離而變化的信號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)移動臺運動的距離與小區(qū)[13]尺寸相當(dāng)時，就會出現(xiàn)通常與頻率無關(guān)的大尺度衰落。 小尺度衰落在無線通信中，由于電波經(jīng)過多條路徑的距離不同，因而各條路徑中的發(fā)射波到達接收機的時間、相位都不相同。不同相位的多個信號在接收端疊加，如果同相疊加則會使信號幅度增強，而反相疊加則會削弱信號幅度。當(dāng)發(fā)射機和接收機之間的距離在較小的尺度上（數(shù)個波長）變化時，接收信號的功率會發(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。下面將詳細介紹。1） 多普勒擴展與相干時間由于發(fā)射機和接收機的相對運動或者信道中其他物體的運動，將引起無線信道的時變性。信道的時變性導(dǎo)致時間選擇性衰落，表現(xiàn)在信號的頻譜被展寬。描述無線信道時變性的兩個重要參數(shù)是多普勒擴展（Doppler Spread）和相干時間（Coherence Time）。當(dāng)無線電發(fā)射機與接收機作相對運動時，接收信號的頻率將會發(fā)生偏移。當(dāng)兩者做相向運動時，接收信號的頻率將高于發(fā)射頻率，當(dāng)兩者作反向運動時，接收信號的頻率將低于發(fā)射頻率，這種現(xiàn)象稱為多普勒效應(yīng)。對于電磁波而言，因為多普勒效應(yīng)造成的頻率偏移取決于兩者相對運動的速度，可將這種頻率偏移記為[1,10,11]： ()其中，為接收端檢測到的發(fā)射機頻率的變化量，稱為多普勒頻率偏移；是發(fā)射機的載頻；為載波波長；是發(fā)射機與接收機之間的相對速度；是移動方向與電波入射方向的夾角；為光速。多普勒頻移的正負由決定，最大值稱為最大多普勒頻移，常用來描述無線信道的時變性所引起的接收信號的頻譜展寬的程度，可稱之為多普勒擴展。當(dāng)發(fā)射機在無線信道上發(fā)送一個頻率為的單頻正弦波時，由于多普勒效應(yīng)，接收信號的頻譜被展寬，將包含頻率至的頻譜稱為多普勒頻譜。與多普勒擴展相對應(yīng)的一個時間參量是相干時間，它在時域描述信道的頻率色散的時變特性。相干時間與多普勒擴展成反比，它是信道沖激響應(yīng)維持不變的時間間隔的統(tǒng)計平均。換句話說，相干時間就是指一段時間間隔，在此間隔內(nèi)，接收信號的幅值具有很強的相關(guān)性，即在相干時間內(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，這是一個不太精確的關(guān)系式，因為最大多普勒頻移可能屬于信號很弱的以至于無法區(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，重要的是要認識到?jīng)Q定時間相干的主要影響因素是多普勒擴展，它們之間的關(guān)系式互逆的，多普勒擴展越大，相干時間越小。進一步，相關(guān)時間由時間相關(guān)函數(shù)[11]決定，則其近似為： ()式()給出了瑞利衰落[12]信號可能急劇起伏的時間間隔，式()的定義通常過于嚴(yán)格，一種普遍的方法是將相干時間定義為式(