無線通信系統(tǒng)MIMO檢測技術研究.pdf

1、基于發(fā)送端和接收端多天線的多入多出（Multiple-InputMultiple-Output，MIMO）技術是下一代無線通信系統(tǒng)的關鍵技術之一，其最為顯著的優(yōu)勢在于能充分利用隨機衰落和空間多路徑傳播來提高傳輸速率以及傳輸的可靠性。本文將關注空間復用策略下的MIMO接收機的設計，并針對其中的信號檢測技術進行深入研究。
　　 由于無線通信信道的特殊性以及系統(tǒng)成本的限制，在進行基帶數字信號處理算法的設計與實現(xiàn)時通常會遭遇性能和復雜度

2、這一對矛盾沖突。而在空間復用MIMO檢測的場景中，一方面MIMO技術往往伴隨著較高的數據吞吐量，而空間復用也意味著數據流量的倍增。另一方面，數據業(yè)務通常要求非常小的鏈路錯誤概率，而空間復用引入的多流干擾（Multi-Stream Interference，MSI）會對系統(tǒng)性能產生嚴重影響。這都將導致系統(tǒng)對性能和復雜度的要求大幅提高，從而進一步激化兩者之間的矛盾。
　　 本文基于MIMO檢測中性能和復雜度的矛盾，結合具體的MIMO

3、檢測技術進行深入研究，致力于提供能有效緩解性能和復雜度矛盾沖突的技術方案。論文首先介紹MIMO系統(tǒng)的基本模型，隨后針對球譯碼（Sphere Decoding）檢測及其相關技術、搜索空間預定義檢測器（Search Space Predetermined Detector，SSPD）算法、并行計算對檢測算法的加速作用以及自動重傳機制（Automatic RetransmissionreQuest，ARQ）帶來的時間分集對復雜度壓力的緩解作用

4、等幾方面展開研究。本論文的創(chuàng)新工作如下：
　　 首先，針對現(xiàn)有研究并未涉及球譯碼性能與復雜度的量化關系的問題，提出以球半徑為過渡參數，對檢測性能與算法平均復雜度的定量關系進行了理論分析。所做工作分為三部分：第一，對球譯碼的性能進行理論分析，借助最優(yōu)性能漸進界，將由搜索空間削減引發(fā)的性能損失進行量化。由于性能損失與球半徑的設置之間存在定量關系，球半徑即可作為表征球譯碼性能的參數；第二，根據球譯碼復雜度的自身特點，推導了平均復雜度的

5、上界，從而獲得了直接反映平均復雜度的指標--球半徑；第三，利用與性能和平均復雜度都有關聯(lián)的球半徑作為紐帶，構建了連接兩者的橋梁。從而將性能與平均復雜度進行了定量的關聯(lián)，為設計兼顧性能與復雜度的檢測方案奠定理論基礎。通過在多種MIMO檢測方案中的仿真，對相關理論分析結果進行了數值驗證。
　　 其次，對于已有的球譯碼半徑設置方法難以在控制復雜度的同時保證性能的問題，提出了兩種半徑設置方法及其中一種方法的擴展應用。其一，提出性能損失可

6、控的半徑約束方法，在嚴格抑制復雜度的前提下使檢測性能損失可控。分析表明通過合理地設置球半徑，使得球譯碼的平均復雜度在整個信噪比（Signal-to-Noise Ratio，SNR）區(qū)間內得到有效抑制。其二，提出無分集度損失的半徑設置方法，在抑制復雜度的同時避免分集度的損失，此外給出其在具有廣度優(yōu)先搜索性質的檢測算法中的應用，分析表明球半徑作為一個輔助工具，能夠對該類檢測算法進行進一步的復雜度冗余削減，從而降低目標算法執(zhí)行時的功耗。仿真驗

7、證了上述兩種設置方法的有效性及擴展應用的可行性。
　　 再次，針對球譯碼等啟發(fā)式搜索方法復雜度不可控的問題以及現(xiàn)有檢測算法在控制復雜度時無法兼顧性能的問題，提出了SSPD算法，其顯著特征是在算法執(zhí)行搜索之前預先確定出搜索空間。該算法能根據信道的好壞自適應地調整搜索空間的大小，也能將硬件的最大處理能力作為復雜度上限來限定搜索空間不至于過大，從而達到保證檢測性能的同時合理控制復雜度的目的。此外，對非理想的信道和噪聲估計帶來的影響也進

8、行了必要的理論分析，以此評估算法的適用性。提出使SSPD具備軟輸出能力的擴展設計方案。研究表明此擴展能有效地提升檢測性能，而且僅引入非常小的額外計算復雜度。針對實際系統(tǒng)塊處理場景中處理時間受限的問題，提出了基于平均復雜度上限分配的SSPD算法；并進一步引入動態(tài)計算能力分配的思想提出基于動態(tài)分配復雜度上限的SSPD算法，使其能夠在塊處理時限內降低計算冗余度提升檢測性能。仿真驗證了上述算法的有效性。
　　 最后，針對實際系統(tǒng)硬件處理

9、能力面臨的數據吞吐壓力，提出了基于并行計算的算法加速方法以及基于ARQ機制緩解復雜度壓力的系統(tǒng)設計方法。一方面，在給出了復雜算法的通用并行設計流程之后，將其運用到MIMO檢測K最短路徑（KSP，K Shortest Pathes）算法中，最終得到了存儲開銷較低的并行設計。使得相應的MIMO檢測更便于付諸硬件實現(xiàn)。通過軟件和硬件的仿真表明了該方法在加速算法運行時的有效性。另一方面引入ARQ機制帶來的時間分集增益可以有效緩解MIMO檢測的復