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无线MIMO系统中迭代检测与信道估计技术研究

作　者: 王东明
导　师: 尤肖虎
学　校: 东南大学
专　业: 通信与信息系统
关键词: MIMO系统迭代检测 Turbo接收分块传输单载波分块传输正交频分复用多项式展开最优导频设计稀疏信道估计马尔可夫链蒙特卡罗方法多载波窄带干扰
分类号: TN919.72
类　型: 博士论文
年　份: 2005年
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内容摘要

无线多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output)技术可以显著提高系统容量，是下一代移动通信系统的关键传输技术。Turbo迭代接收机是逼近MIMO系统容量的有效途径，而迭代接收机对信道估计精度提出了很高的要求。因此，本文重点研究了无线MIMO系统的迭代检测与信道估计技术。首先研究基于线性检测的迭代软干扰抵消检测算法。证明了基于概率数据融合的检测算法和基于线性最小均方误差的迭代软干扰抵消算法是等价的，并提出了块迭代的软干扰抵消算法和基于瞬时信噪比排序的软干扰抵消算法。仿真结果表明，在低阶调制下，迭代软干扰抵消算法可以有效地逼近最优检测。提出基于循环前缀的MIMO分块传输系统的空频Turbo迭代接收机。接收机算法利用循环前缀分块传输系统的特点，对线性最小均方误差软输入软输出检测进行适当简化，可以在离散傅立叶变换域中实现，复杂度大大降低。由于我们从一般的分块传输去推导这类系统的迭代接收机，因此该算法适用于各种基于预编码的块传输系统。研究结果表明，空频Turbo接收机可以大大提高多输入多输出分块传输系统的性能，并且可以逼近信道容量。提出一种基于多项式展开的软输入软输出检测算法。该算法首先采用多项式展开对迫零检测进行逼近，然后利用反馈信号的先验信息进行软干扰抵消。对检测输出做高斯假设，可以得到发送信号的后验概率。由于该检测器仅存在矩阵向量相乘运算，复杂度大大降低。我们将该算法应用于无编码系统的迭代检测和编码系统的Turbo迭代接收机，并对其在尾随零分块传输系统和分层多码道码分多址系统中的性能进行评估。仿真结果表明，通常情况下仅需要1～3次展开，经过迭代检测，系统的误码率性能可以逼近基于线性最小均方误差的迭代接收机。因此，该算法较好地获得了复杂度和性能的折中。论文还研究了频率选择性衰落信道下MIMO系统的信道参数估计算法。我们先对最优导频设计进行研究，发现同一个恒模零相关序列经过适当的移位，可以得到MIMO单载波块传输系统的时域最优导频和MIMO正交频分复用系统的频域最优导频。接着本文研究了稀疏信道下MIMO正交频分复用系统的信道估计算法。提出了一种迭代的算法，它利用有限冲击响应信道的抽头之间的相关性从噪声中提取出信道信息并同时估计出多径时延。理论推导和仿真结果表明，信道越稀疏，所提算法的性能越好。最后，论文提出一种非理想信道下联合信道估计与符号检测的迭代接收机。针对存在多载波窄带干扰的MIMO正交频分复用系统，提出了基于马尔可夫链蒙特卡罗方法的迭代接收机。该方法不仅可以精确地估计出信道冲击响应，还可以估计出噪声方差以及冲击噪声发生的位置，这样接收机能够对窄带干扰区别对待，从而有效提高系统性能。该方法的另一个优点是，易于和软输

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-9
符号说明  9-11
英文缩略语表  11-23
第一章绪论  23-29
  1.1 论文的研究背景  23-24
  1.2 论文的研究内容  24-27
  1.3 数学表达中的符号约定  27-29
第二章无线信道模型和Turbo迭代接收原理  29-41
  2.1 引言  29
  2.2 单天线无线信道的数学模型  29-34
    2.2.1 无线信道的输入输出模型  29-31
      2.2.1.1 线性时变无线信道的连续域表示  30
      2.2.1.2 离散时间基带模型  30-31
      2.2.1.3 加性高斯白噪声  31
    2.2.2 无线信道的时频相干性  31-32
      2.2.2.1 相干时间  31-32
      2.2.2.2 相干带宽  32
    2.2.3 无线信道的统计模型  32-34
      2.2.3.1 Rayleigh和Rician衰落  32-33
      2.2.3.2 抽头增益的自相关函数  33-34
      2.2.3.3 WSSUS信道模型  34
  2.3 统计MIMO信道模型  34-35
  2.4 无线MIMO信道容量  35-37
    2.4.1 确定性MIMO信道容量  35-36
    2.4.2 遍历MIMO信道容量  36-37
    2.4.3 中断容量  37
  2.5 无线MIMO技术  37-38
    2.5.1 STBC  37-38
    2.5.2 STTC  38
    2.5.3 空时分层结构  38
  2.6 Turbo迭代接收原理  38-40
    2.6.1 一个简单的无线MIMO数字通信系统  39
    2.6.2 MIMO系统的Turbo迭代接收机  39-40
  2.7 本章小结  40-41
第三章 MIMO系统的检测方法  41-57
  3.1 引言  41
  3.2 最优检测技术  41-43
  3.3 线性检测器  43-44
    3.3.1 LMMSE检测器  43
    3.3.2 ZF检测器(解相关检测器)  43
    3.3.3 匹配滤波器  43-44
  3.4 串行干扰抵消检测算法  44
  3.5 迭代软干扰抵消检测器  44-51
    3.5.1 基于LMMSE的ISDIC算法  44-46
    3.5.2 软干扰抵消LMMSE滤波算法(X.Wang)  46-47
    3.5.3 软干扰抵消BLUE  47-48
    3.5.4 PDA-MUD  48-49
    3.5.5 算法的总结  49-50
    3.5.6 实数域的检测算法  50-51
  3.6 复杂度和性能分析  51-55
    3.6.1 复杂度比较  51
    3.6.2 仿真结果  51-55
  3.7 本章小结  55-57
第四章 MIMO分块传输系统的空频Turbo接收机  57-81
  4.1 引言  57-58
  4.2 分块传输的基本理论  58-60
  4.3 空间复用分块传输系统的空频Turbo接收机  60-67
    4.3.1 空间复用分块传输的数学模型  60-62
    4.3.2 基于LMMSE的SISO检测  62-63
    4.3.3 低复杂度的软解调  63-64
    4.3.4 空间复用分块传输系统的空频SISO检测  64-67
      4.3.4.1 SM-CP-SCBT系统的空频SISO检测  64-66
      4.3.4.2 SM-OFDM系统的空频SISO检测  66-67
  4.4 多用户STBC分块传输系统的空频Turbo接收机  67-71
    4.4.1 多用户STBC-BT的数学模型  67-69
    4.4.2 多用户STBC-BT的空频SISO检测  69-71
    4.4.3 复杂度分析和比较  71
  4.5 计算机仿真结果  71-79
    4.5.1 仿真参数  71-72
    4.5.2 信道容量  72
    4.5.3 特例:单天线系统  72-73
    4.5.4 空间复用分块传输系统的性能  73-77
    4.5.5 STBC-BT系统的性能  77-79
  4.6 本章小结  79-81
第五章低复杂度SISO检测器及其应用  81-99
  5.1 引言  81
  5.2 PELD  81-83
  5.3 基于PELD的SISO检测器  83-85
    5.3.1 特例:基于MF的SISO检测算法  84-85
  5.4 PELD-ISDIC在SM-ZP-SCBT中的应用  85-87
  5.5 PELD-ISDIC在多天线多码道CDMA中的应用  87-89
    5.5.1 系统模型  87-88
    5.5.2 检测技术  88-89
  5.6 仿真结果  89-97
    5.6.1 无编码ZP-SCBT的ISDIC算法性能分析  89-92
    5.6.2 ZP分块传输的Turbo接收性能分析  92-93
    5.6.3 多码CDMA的Turbo接收性能分析  93-97
  5.7 本章小结  97-99
第六章宽带MIMO分块传输系统中的信道估计算法研究  99-115
  6.1 引言  99-100
  6.2 空间复用分块传输系统信道估计的数学模型  100-104
    6.2.1 SM-CP-SCBT系统信道估计的数学模型  100-101
      6.2.1.1 导频结构  100
      6.2.1.2 SM-CP-SCBT系统中最小二乘信道估计  100-101
    6.2.2 SM-OFDM信道估计的数学模型  101-103
      6.2.2.1 导频结构  101-102
      6.2.2.2 SM-OFDM系统中最小二乘信道估计  102-103
    6.2.3 MSE性能分析  103-104
  6.3 MIMO分块传输系统的最优导频序列设计  104-107
    6.3.1 SM-CP-SCBT系统的最优导频序列  104
    6.3.2 SM-OFDM系统的最优导频序列  104-105
    6.3.3 正交序列  105-107
      6.3.3.1 ZCZ序列集合  105
      6.3.3.2 CAZAC序列  105-106
      6.3.3.3 CAZAC序列构造的ZCZ序列集合  106-107
      6.3.3.4 CAZAC序列在MIMO分块传输系统中的应用  107
  6.4 基于最优导频序列的信道估计方法  107-108
    6.4.1 SM-CP-SCBT系统  107-108
    6.4.2 SM-OFDM系统  108
  6.5 稀疏MIMO信道的参数化估计算法  108-114
    6.5.1 MIMO稀疏信道模型  108-109
    6.5.2 LS参数化信道估计  109-110
    6.5.3 MSE性能分析  110-111
    6.5.4 稀疏多径信道的时延和信道参数的估计  111-112
    6.5.5 仿真结果  112-114
  6.6 本章小结  114-115
第七章 MIMO-OFDM系统的半盲迭代接收机  115-127
  7.1 引言  115-116
  7.2 MCMC方法及其原理  116-117
    7.2.1 贝叶斯推理  116
    7.2.2 蒙特卡罗方法  116-117
    7.2.3 MCMC方法  117
  7.3 MIMO-OFDM系统中的MCMC算法  117-122
    7.3.1 MIMO-OFDM系统模型  117-118
    7.3.2 存在MTNBI的MIMO-OFDM系统的贝叶斯检测  118-122
      7.3.2.1 先验分布  118-119
      7.3.2.2 条件后验分布  119-121
      7.3.2.3 初值的选取  121-122
  7.4 仿真结果  122-126
    7.4.1 仿真参数  122-123
    7.4.2 收敛性  123
    7.4.3 估计器性能和误码率性能  123-126
  7.5 本章小结  126-127
第八章总结与展望  127-129
  8.1 全文总结及主要贡献  127-128
  8.2 进一步研究的方向  128-129
附录A 常用的矩阵求逆公式  129-131
  A.1 矩阵求逆引理及其推论  129-130
  A.2 子矩阵为对角阵的分块矩阵的求逆  130-131
附录B 公式(3-15)的证明  131-133
附录C 多用户STBC频点上检测的矩阵求逆  133-137
  C.1 类Alamouti矩阵的性质  133
  C.2 子块为类Alamouti阵的分块阵的求逆  133-137
附录D CAZAC序列作为SM-OFDM频域导频时最优性证明  137-139
附录E 条件后验分布的推导  139-143
参考文献  143-153
攻读博士学位期间的研究成果  153-155
致谢  155

无线MIMO系统中迭代检测与信道估计技术研究

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