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MIMO(Multiple-Input Multiple-Output,多输入多输出)无线通信系统,相对传统的单天线系统,可以提供更高的系统容量与通信质量,近年来已成为无线通信领域中的一个研究热点.而MIMO无线通信系统中的信号检测(即"MIMO检测"),是MIMO系统研究中不可回避的关键技术问题.如何以尽可能低的复杂度,有效地抑制MIMO系统中的同信道干扰、恢复出发送信号、实现MIMO系统相对单天线系统的性能增益,是一项具有挑战性的研究任务.本文以国家863 FuTURE项目为背景,在总结和借鉴前人研究成果的基础上,重点从两类被认为在性能和复杂度之间具有良好折衷的热点MIMO检测算法--"未编码MIMO系统中的排序串行干扰消除(Ordered Successive Interference Cancellation,OSIC)检测算法"和"编码MIMO系统中的迭代(Turbo)检测算法"入手,对MIMO检测技术的四个方面进行了深入研究.
G-STBC MIlVIO系统中的符号OSIC检测技术:G-STBC传输方案是本文结合FuTI.JRE TDD总体组所提出的下行链路8发4收B3G/4G MIMO实验系统结构的特点,分析比较多种候选方案后选定的一种未编码下行链路MIMO传输方案.首先,针对具有任意多组的G<,2>/G<,3>/G<,4> G-STBC系统,建立了统一形式的G-STBC系统等效信号模型,作为检测算法研究的基础.然后,基于此模型,分别对两种经典的V-BLAST符号OSIC检测算法--ZF_SNR OSIC算法和MMSE_SINROSIC算法进行推广与改进,提出了G-STBC系统中基于迫零(Zero-Forcing,ZF)和最小均方误差(Minimum Mean Square Error,MMSE)准则的符号OSIC检测算法--"ZF符号排序串行干扰消除(ZF SOSIC)"检测算法,以及"MMSE符号排序串行干扰消除(MMSE SOSIC)"检测算法.进而,针对所提两种G-STBC符号OSIC算法中排序准则的计算问题,分别提出了一种计算策略,通过适当增加(存储)空间复杂度可完全避免算法中排序准则的计算.所提的G.STBC符号OSIC算法都可应用于具有任意多组的G-STBC系统,能有效地挖掘出G-STBC系统相对V-BLAST系统的分集增益;而且,由于采用了非线性的干扰消除(InterferenceCancellation,Ic)和符号检测的优化排序,能获得比传统的线性检测算法、以及未排序的串行干扰消除(Successive Interference Cancellation,SIC)检测算法更好的检测性能.
G-STBC MIMO系统中的组OSIC检测技术:G-STBC系统中存在潜在的、由于发端STBC编码引入的丰富代数属性,发现并在检测的过程中充分地利用这些属性,对于开发出针对性强的高效子最优检测算法至关重要.为此,首先标识了G<,2>/G<,3>/G<,4> STBC系统中一系列有用的代数属性.然后,基于这些属性,通过证明揭示了G<,2>/G<,3>/G<,4> G-STBC系统ZF接收机中存在的两个重要属性--"ZF输出不相关属性"和"ZF输出等检测后SNR属性".接着,利用这两个属性并结合 OSIC 的思想,提出了一种可应用于任意多组 G<,2>/G<,3>/G<,4> G-STBC 系统的、基于ZF准则的组OSIC检测算法--"ZF组排序串行干扰消除 (ZF GOSIC)"检测算法.该算法相比传统的线性ZF检测算法、以及未排序的zF组SIC检测算法检测性能更好,并能以较低的复杂度获得接近ZF SOSIC算法的检测性能.对应地,针对MMSE接收机的情形,证明了G<,2>/G<,3>/G<,4> G-STBC系统MMSE接收机中存在的两个重要属性--"MMSE输出不相关属性"和"MMSE输出等检测后SINR属性";并提出了一种基于MMSE准则的组OSIC检测算法--"MMSE组排序串行干扰消除(MMSE GOSIC)"检测算法.该算法相比传统的MMSE IC和ML(MaximumLikelihood,最大似然)检测算法、以及未排序的MMSE组SIC检测算法检测性能更好,并能以较低的复杂度获得接近MMSE SOSIC算法的检测性能.
V-BLAST MIMO系统中的比特OSIC检测技术:首先,研究了近年来提出的两种基于符号LLR进行排序的高性能OSIC检测算法--ZF LLR OSIC、MMSE_LLR OSIC;仿真分析表明,这些高性能符号OSIC算法在V-BLAST系统中收发天线数不是很多、系统采用较高阶调制方式的场合下,相比经典符号OSIC算法的性能改进并不理想.然后,针对基于符号LLR进行排序的高性能OSIC检测算法性能改进不理想的应用场合--采用高阶调制的 V-BLAST 系统,基于OSIC检测的基本思想、提出了一种新的高性能OSIC检测算法--"比特排序串行干扰消除(BOSIC)"检测算法.该算法的基本思想在于执行以"比特"为单位的OSIC;它巧妙地采用基于MMSE准则的零化、基于比特LLR的检测排序、以及基于"星座缩减"和"星座去偏"的比特IC,相比传统的符号OSIC算法可以更有效地克服误差传播的影响,从而能获得更好的检测性能.为了降低算法中基于比特LLR进行检测排序的复杂度,也给出了一种简化的基于比特LLR的排序方法.
编码G-STBC MIMO-OFDM系统中的迭代(Turbo)检测技术:针对频率选择性MIMO信道环境下高性能、高速率下行链路传输的问题,基于Turbo原则设计了一种编码G-STBC MIMO-OFDM系统迭代接收传输方案;该方案通过MIMO解调器和信道译码器间基于外信息交互的迭代处理进行检测,并最终由信道译码器输出信息比特的估计值.而且,针对迭代接收机中的MIMO解调模块,通过对传统适用于M-PSK调制的MIMO解调算法进行改进,提出了一种通用的基于软符号并行干扰消除 (Parallel Interference Cancellation,PIC) 和瞬时MMSE滤波的软入软出MIMO解调算法,该算法不仅适用于M-PSK调制,也可用于M-QAM调制.仿真结果表明,在准静态和快速时变 Jakes多径衰落MIMO信道环境下,所提迭代接收机相对传统的非迭代接收机都有非常显著的性能增益,并且,随着迭代次数的增加,可以获得逼近单组系统迭代检测的性能;仿真也验证了在相同数据传输速率的条件下,所提编码G-STBC MIMO-OFDM系统迭代接收传输方案,相对另一种可用于在频率选择性MIMO信道环境下进行高速率数据传输的迭代接收传输方案--编码V-BL_AST MIMO-OFDM迭代接收传输方案的性能优势.