MIMO―OFDM系統(tǒng)信號檢測中幾種非線性算法的比較

l 引 言
寬帶無線通信中，抗多徑衰落和提高帶寬效率是兩個最大挑戰(zhàn)。MIMO技術在不增加帶寬和發(fā)射功率的情況下成倍地提高通信系統(tǒng)容量和頻譜利用率，成為B3G的核心技術。OFDM將頻率選擇性多徑衰落信道轉化為頻域內(nèi)的平坦信道，減小了多徑衰落的影響。將OFDM和MIMO結合，既能實現(xiàn)很高的頻譜利用率，又能抵抗多徑衰落信道的影響。MIMO一0FDM系統(tǒng)信號檢測算法通常分為三類：線性檢測算法、非線性檢測算法和最優(yōu)檢測算法。線性算法主要包括迫零(ZF)、最小均方誤差(MMSE)法，其復雜度最低，但性能最差；最優(yōu)檢測算法主要包括最大似然(ML)、球面解碼(SD)、格約減(LR)算法，其效果最佳，但復雜度最高，不利于實時處理，所以最具現(xiàn)實意義的是非線性算法，其主要包括串行干擾消除(SIC)、并行干擾消除(PIC)、排序的SIC(BLAST)和基于QR分解的算法，它們通過簡化計算，實現(xiàn)次優(yōu)檢測效果，在性能和復雜度之間獲得較好權衡。
本文在不同情況下對SIC、PIC、基于QR分解的檢測算法進行性能比較，且為更直觀反映其性能，給出了ML算法的性能曲線，最后，結合分集增益與復用增益綜合分析了系統(tǒng)性能。仿真表明：因排序提高了增益，使得排序后的SIC算法較不排序時性能有所提高，而受誤碼擴散影響，SIC、PIC、QR算法性能較差，且MIMO一OFDM系統(tǒng)的分集增益與復用增益是相互矛盾的，即兩者不能同時獲得最大，這導致了系統(tǒng)數(shù)據(jù)吞吐量與誤碼率間的矛盾，故在設計系統(tǒng)時要周全考慮兩個因素，在兩者間進行權衡。

2 系統(tǒng)模型
本文仿真基于MIMO一OFDM系統(tǒng)，圖1給出了該系統(tǒng)的仿真鏈路流程。

信道為頻率平坦衰落信道，且在每幀數(shù)據(jù)傳輸時特性不變，系統(tǒng)有NT根發(fā)射天線和NR根接收天線。發(fā)射信號通過平坦瑞利衰落信道后，系統(tǒng)輸入輸出關系為：

其中s=[s1，s2，…，sNT]T是NT×1維發(fā)射信號矢量，r=[r1，r2，…，rNg]T是NR×1維接收信號矢量，信道矩陣為：

式中hj，i表示從第i根發(fā)射天線到第j根接收天線的信道傳輸特性，w=[w1，w2，…，wNR]T是噪聲矢量，滿足E(wwH)=δ2INR，E是求均值，INR表示單位陣，Es是平均發(fā)射符號能量。檢測算法，就是要從接收信號中估計原始發(fā)送信號。

3 幾種非線性MIMO―OFDM檢測算法和MI-算法
3．1 串行干擾消除(SIC)
串行干擾消除采用串行方式消除干擾，即在估計出干擾信號波形時，一次一個地將其從接收信號中去除。方法是先選擇一種線性檢測算法(ZF或MMSE)對某接收符號進行檢測，而后消除該符號在接收信號中的干擾，再逐次進行線性檢測、干擾抵消，直到估計出全部發(fā)送符號。SIC算法存在誤碼擴散。針對這一缺點，可在原算法中加入排序，即在每次線性檢測前都對剩余的未檢測符號進行選擇，尋找信噪比最大者優(yōu)先檢測，這就是BLAST算法。
3．2 并行干擾消除(PIC)
并行干擾消除采用并行方式消除符號間干擾，即在所有信號被解調(diào)之后，同時將干擾從接收信號中去除。方法是利用之前的檢測結果構造所有發(fā)送符號的干擾信號估計，從接收信號中減去干擾信號的估計，然后送入下一級檢測，再進行判決，直到檢測出所有發(fā)送符號。
3．3 QR分解(QRD)
基于QR分解的檢測方法與SIC算法在本質上是一致的，但其對信道矩陣分解形成的上三角陣使該算法更為直觀。方法是變換信道矩陣H，將其分解成一個正規(guī)正交陣Q和一個上三角陣R，從而避免對H的求逆運算。
3．4 最大似然算法(ML)
最大似然算法是MIMO一OFDM系統(tǒng)中的最優(yōu)檢測方法?；驹硎牵簩⒔邮招盘枌λ锌赡艿陌l(fā)送符號域進行全局搜索，找到與接收信號距離最小(即最大似然)的發(fā)送符號作為原始發(fā)送符號。估值公式為：

其中：||?||表示歐式規(guī)范，Ω為所有發(fā)送符號的星座集(如QPSK，16一QAM等)。

4 性能仿真