《电子技术应用》

用于秩亏MIMO系统的球形译码器研究

2018年电子技术应用第8期
苏 艳,羊梅君
(华南理工大学广州学院 电子信息工程学院,广东 广州510800)
摘要: 球形译码(SD)拥有可变复杂度,传统的固定复杂度球形译码器(FSD)并不适用于秩亏(NT>NR)多输入多输出(MIMO)系统。为了克服这些难题,在新的预处理算法的基础上,提出用于秩亏MIMO系统的稳健固定复杂度球形译码器(RFSD-s)。在处理没有或有噪声信息时,建议分别使用迫零技术的RFSD(RFSD-ZF)和使用了最小均方误差技术的FSD(FSD-MMSE)。为了减少RFSD-ZF的计算复杂度,引进一个简化版的RFSD-ZF(SRFSD-ZF),在性能上与前者别无二致。仿真结果表明,该SRFSD-ZF除了比传统的FSD性能更好外,其对于MIMO天线的配置具有鲁棒性。
中图分类号: TN92
文献标识码: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.175067
中文引用格式: 苏艳,羊梅君. 用于秩亏MIMO系统的球形译码器研究[J].电子技术应用,2018,44(8):102-104.
英文引用格式: Su Yan,Yang Meijun. Research on sphere decoders for rank-deficient MIMO systems[J]. Application of Electronic Technique,2018,44(8):102-104.

Research on sphere decoders for rank-deficient MIMO systems

Su Yan,Yang Meijun
(College of Electronic and Information Engineering,Guangzhou College of South China University of Technology, Guangzhou 510800,China)
Abstract: Sphere decoder(SD) has variable complexity, and the traditional fixed-complexity sphere decoder(FSD) is not applicable for rank-deficient(NT>NR) multiple input multiple output(MIMO) systems. To overcome these difficulties, in this paper, robust fixed-complexity sphere decoders(RFSD-s) based on new preprocessing algorithms are proposed for rank-deficient MIMO systems. With respect to the cases without and with information on the level of noise, RFSD using zero-forcing technique(RFSD-ZF) and FSD using minimum mean square error technique(FSD-MMSE) are proposed respectively. To reduce the computational complexity of RFSD-ZF, a simplified RFSD-ZF(SRFSD-ZF) with little performance loss is also introduced. Simulation results show that, besides better performance than the traditional FSD, the proposed techniques are robust to the configuration of MIMO antennas.

0 引言

    多输入多输出(MIMO)是无线通信中最有前景的技术之一,但是MIMO系统中的检测实际上是很耗时的。最大似然(ML)搜索方法是十分耗时的,尤其是对于大天线阵而言[1]迫零(ZF)[2]最小均方误差(MMSE)检测器[3]相对不那么复杂,但性能较差。尽管球形译码器(SD)可简化ML检测,SD的平均复杂度仍然成指数级[4]。这种情况对于秩亏MIMO系统甚至更糟。固定复杂度球形译码器(FSD)[5]能够将可变SD复杂度修复成可接受的阶数,同时保持类似于ML的性能,因此备受关注。

    传统的FSD(FSD-ZF)遵循的是由预处理算法所决定的搜索顺序。它将搜索分为两个阶段:FE阶段位于前面p层,SE阶段位于剩下的NT-p层。它有以下两个缺陷:(1)如果NR<NT,FSD-ZF的误比特率(BER)性能将严重变差;(2)FE阶段中每层信号元素的选择有赖于选定信号本身的后处理效果。本文将会讨论适用于不同天线配置的FSD,并提出一新的RFSD算法(RFSD-s)。

1 MIMO通信系统模型

    本文考虑的MIMO系统模型是在接收端有NR根天线、发射端有NT根天线的V-BLAST系统[6]。x为发射端发射信号向量,向量中的符号分别独立取自M-QAM的星座点。接收端接收信号向量y由下式得出:

    tx4-gs1.gif

式中,w是复高斯白噪声向量,H表示频率平坦衰落信道。

2 稳健的固定复杂度球形译码器(RFSD-s)

2.1 没有噪声时的RFSD:RFSD-ZF

tx4-gs2-4.gif

    情况2:NT≤NR。在这种情况中,对FE阶段的深度p没有限制。因此,对任意整数p≥1,情况1中的算法同样可使用。只要p≥NT-NR,那么RFSD-ZF便对天线的配置具有鲁棒性。

2.2 简化的RFSD-ZF:SRFSD-ZF

tx4-gs5.gif    

2.3 带有噪声信息的稳健FSD:FSD-MMSE

    通过归一化MMSE可得传输信号x的估计值如下:

tx4-gs6-8.gif

式中,(Gi)j表示矩阵Gi的第j行。运行FSD-MMSE可以简单地认为是可进行平行处理的扩展版MMSE-OSIC。MMSE既适用于NT≤NR,也适用于NT>NR

3 仿真结果

    RFSD-s的BER性能和复杂度可以通过对不同星座大小和MIMO配置进行仿真。

3.1 NT=NR的独立MIMO信道

    图1表示的是模拟一6×6系统,分别使用了QPSK、16QAM和64QAM调制,都遵循扩展策略(1,1,1,1,1,M)得出不同Eb/N0下RFSD-s的BER性能。ML检测是通过Schnorr-Euchner球形译码(SESD)实现的。(1,1,1,1,1,M)表明RFSD-s和FSD-ZF在FE阶段(p=1)的M-QAM星座中拥有M种搜索路径。可以观察到RFSD-s和FSD-ZF都表现出几乎准ML性能,尤其是大星座下。RFSD-ZF和FSD-MMSE的BER性能都略优于FSD-ZF。

tx4-t1.gif

3.2 NT>NR的独立MIMO信道

    图2为模拟一4×5(NR×NT)系统,分别使用QPSK、16QAM和64QAM调制,RFSD-s与SESD[7]的BER性能比较。图2中的BER性能提升是很显著的。FSD-ZF和RFSD-s都遵循扩展策略(1,1,1,1,1,M)。在这种情况下,FSD-ZF的性能下降,RFSD-s仍然有准ML性能。

tx4-t2.gif

3.3 复杂度比较

    在独立信道中传输16QAM信号的4×5系统中,分别考虑实值加法/减法和实值乘法/除法。对于包含预处理的每个检测算法来说,用于检测复符号的平均浮点运算数量如图3所示。FSD-ZF和RFSD-s都遵循扩展策略(1,1,1,1,16)。从图中可以看到RFSD-s的复杂度远低于SESD。尽管RFSD-s的复杂度略高于FSD-ZF,但FSD-ZF的BER性能显著下降。SRFSD-ZF极大地减小了RFSD-ZF的复杂度,同时保留了较佳的BER性能。

tx4-t3.gif

4 结论

    本文提出了用于秩亏MIMO系统的RFSD-s算法。相比较于SD和传统的FSD,本文提出的RFSD-s具有两个优势:固定复杂度和稳健。在NT>NR和NT≤NR两种情况下,RFSD-s能够具有准ML性能,且复杂度更低、更固定。对于没有或有噪声信息的情况,分别提出RFSD-ZF和FSD-MMSE。针对不同情况进行了仿真(如不同调制方案和天线配置),验证了算法的有效性。

参考文献

[1] 魏利霞.MIMO系统的信号检测算法研究[D].南京:南京邮电大学,2015.

[2] 薛宸.多活跃天线空间调制技术的低复杂度检测算法[J].电子技术应用,2015,41(8):73-75.

[3] 郭鸣霄,徐鹏飞,王瑞山.MIMO系统的信号检测算法分析[J].电子科技,2016,29(3): 65-67.

[4] JALDEN J,OTTERSTEN B.On the complexity of sphere decoding in digital communications[J].IEEE Trans.Signal Process.,2005,53(4):1474-1484.

[5] BARBERO L G,THOMPSON J S.Fixing the complexity of the sphere decoder for MIMO detection[J].IEEE Transactions on Wireless Commun.,2008,7(6):2131-2142.

[6] 唐元元,张德民,刘哲哲,等.TD-LTE系统中软输出球形译码检测算法研究[J].电子技术应用,2012,38(11):55-58.

[7] CUI T,TELLAMBURA C.An efficient generalized sphere decoder for rank-deficient MIMO systems[J].IEEE Communications Letters,2005,9(5):423-425.



作者信息:

苏  艳,羊梅君

(华南理工大学广州学院 电子信息工程学院,广东 广州510800)

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