MIMO信道的信号检测技术要点.pdf

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1、1 MIMO信道的信号检测技术 前言 近年来，由于移动通信的飞速发展， 在第三代蜂窝移动通信中已经部分地引人了 无线因特网和多媒体数据业务。随着无线通信技术的不断发展， 用户对数据传输速率 和多种无线业务的需求也在不断增加，除了传统的语音业务外， 人们期望能以较低的 价格和更高的数据速率获取Internet接入和多媒体服务。而在未来的移动通信系统中， 人们对传输速率提出了更高的要求（实现任何人在任何时间、 任何地点对任何人以任 何方式进行通信，简称5W） ，这就需要采用更先进的技术来实现更高的传输速率。 此外，以 GSM(Global System for Mobile Communicati

2、on) 为代表的第二代蜂窝移动通 信系统频谱利用率较低， 可利用的无线频谱资源又日趋紧张，无线通信系统在系统容 量、网络覆盖、 运营成本等方面出现了一些新的问题和矛盾。这时就需要开发具有极 高频谱利用率的无线通信技术。 MIMO(Multiple-Input and Multiple-Output) 技术是无线移动通信领域智能天线技 术的重大突破。相对传统的单天线系统,提供更高的系统容量与通信质量，已成为本 领域中的一个研究热点。而MIMO 无线通信系统中的信号检测是MIMO 系统研究中 不可回避的关键技术问题。在MIMO 系统中，采用了多个发送接收天线，随着发送 接收天线数目的增多， 干扰信

3、号的数目增多， 带来了更强的同频干扰， 使得信号检测 的精确性相对于单天线的信号检测更差。因此，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。 DCSK(Differential Chaos Shift Keying) ， 是一种能在单位符号内传送更多比特的混 沌通信调制解调技术， 其信息的传送速率很高。 混沌信号因其内在的随机性和不可逆 性，在现代通信中应用广泛。同时，混沌信号本身的带宽频谱和良好的互相关性、自 相关性，使混沌数字调制能够很好的克服多径衰落。在当今频带资源日益紧张的

4、情况 下，需充分发挥混沌信号的带宽特性。 因此本文研究基于DCSK 的 MIMO 信道的信号检测技术。 2 一、 MIMO技术简介 近年来，移动通信和因特网飞速发展， 在第三代蜂窝移动通信中已引人了无线因 特网和多媒体数据业务。 而在未来的移动通信系统中， 人们对传输速率提出了更高的 要求， 这就需要采用更先进的技术来实现更高的传输速率。然而频谱资源总是有限的， 要支持高速率就要开发具有极高频谱利用率的无线通信技术。MIMO 技术是无线移动 通信领域智能天线技术的重大突破。 该技术能在不增加带宽的情况下成倍地提高通信 系统的容量和频谱利用率，因此MIMO 技术被普遍认为是新一代移动通信系统必须

5、 采用的关键技术之一。 空时 处理 Tx Tx Tx 多径 信道 Rx Rx Rx 空时 处理 图 1.1 MIMO系统示意图 MIMO 系统是利用多天线来实现空域复用。根据收发两端天线数量， 相对于普通 的 SISO(Single-Input Single-Output)系统 ， MIMO还可以包括 SIMO(Single-Input Multiple-Output) 系统和 MISO(Multiple-Input Single-Output)系统。 MIMO 系统的框图 如图 1.1 所示。 通常，多径要引起衰落，因而被视为有害因素。然而研究结果表明，对于MIMO 系统来说，多径可以作为一

6、个有利因素来加以利用。MIMO 系统能够充分利用信号的 所有空时频域特性，其具有如下的优点 5 ： （1）利用或者减少多径衰落： MIMO 技术能够充分采用多径的各种发射/合成技 术，提高无线通信系统的性能； （2）消除共道干扰： MIMO 系统能够采用自适应波束形成技术或多用户检测技 术对共道干扰进行有效抑制或删除； （3）提高频谱利用率：由于阵列天线可以降低共道干扰和多径衰落的影响，因 而在一定的信噪比条件下可以降低误码率，或者在一定的误码率下可以降低检测所需 要的信噪比。MIMO 系统能够抑制或消除共道干扰以及码间干扰，同时利用分级技术 提高接收信号的信噪比。 3 二、混沌理论概述 混沌

7、是一种普遍的自然现象， 它是确定性系统中由于其随机性而产生的外在复 杂表现，是一种貌似随机的非随机运动。 混沌由于其独特的对初值敏感性、 类随机性、 不可预测性使其应用于保密通信中，能有效地提高通信系统的安全性。同时，混沌系 统的显著特征是， 其演化过程对初始条件极为敏感，两个几近相同的混沌动力系统的 初始状态不管有多么小的差别，在其演化过程中， 其状态很快就会相去甚远。 表面上 看来似乎无法应用， 没有人能准确地预测混沌系统长时间演化后的状态。但是深入研 究表明，表面看来以一种随机方式运动的混沌系统，实质上具有一种潜在的秩序， 因 而从本质上讲混沌系统具备丰富的特殊的动力学特性，正是这些特点

8、使其具有被开发 应用的基础。 因此，利用混沌进行保密通信就是利用混沌信号作为载波，将传输信号隐藏在混 沌载波之中， 或者通过符号动力学分析给不同波形赋以不同的信息序列，在接收端利 用混沌的属性或同步特性解调出所传输的信息。混沌保密通信系统所发送的是复杂的 混沌信号，因而具有很好的保密性。 自 1990 年以来，混沌通信和混沌同步技术已成为国际和国内通信技术的研究热 点。混沌同步控制理论的发展， 为混沌在通信领域的应用奠定了理论基础。迄今已经 提出的混沌同步通信主要分为：混沌掩盖、混沌参数调整、混沌键控和混沌扩频。分 类如图 2.1 所示： 混沌通信 CSK 参数调制 COOKFM-DCSKDC

9、SK 混沌扩频混沌键控混沌掩盖 混沌模拟通信混沌数字通信 图 2.1 混沌通信分类框图 4 三、混沌键控 1.混沌现象产生的条件 区间 I 上连续自映射xf，如果满足下面的条件，便可确定他有混沌现象存在： （1）f的周期点的周期无上界 （2）闭区间 I 上存在不可数子集S，满足： 1.对于任意的syx、，yx时 limsup0 nn n fxfy(2.1) 2.对于任意的syx、， liminf0 nn n fxfy (2.2) 3.对于任意的sx和 y的任意周期点 y，有 limsup0 nn n fxfy(2.3) 根据上述的定义， 对闭区间 I 上连续的函数xf，如果存在一个周期为3 的

10、周期 点时就一定存在任何正整数的周期点，即一定出现混沌现象。 2.混沌键控 混沌键控技术的实现主要是利用所发送的数字信号调制发送端混沌系统的参数， 使其在两个值中切换， 信息被编码在两个混沌吸引子中，接收端由两个相同类型的混 沌系统构成， 其参数分别固定为这两个值之一，在每个信息发送间隔内， 通过检测各 混沌系统的同步误差， 以判断出所发送信息。 在该技术中， 解调一般是通过对误差信 号的判断求值来实现的， 而要得到最优的判决门限比较困难，但通过研究发现混沌系 统在实现同步同相的同时还可以实现反相同步，以及实现奇异非混沌吸引子的同步， 这些成果对于混沌键控方式的实现是很有意义的。 3.差分混移

11、键控（DCSK ） DCSK 调制方式能使判决门限值固定为一个常数，与信噪比无关。 其实现方式是 在每个信息发送间隔增加参考消息，该参考消息取决于发送的数字信号，进而实现相 关解调。 5 DCSK 的调制方框图如图 3.1 所示，其工作原理为： 发端混振延时m K 1 2 bl Sk(t) ck n(t) 图 3.1DSCK 的调制方框图 由此可得 DCSK 的调制信号为： 2(1)1,., 2 ( ) 21,.,2 k k kkm ckm lmlm st b ckmlmml (2.7) DCSK 的解调方框图如图3.2 所示，可以得到积分器的输出为： 22 (2 1) 1(2 1) 1 2

12、13 2 2 (2 1) 1 ( ) mlml lk k mk k mk k mk k mkk m m lm l ml kkkk mk k m m l zr rsssnnsnn cc nnnn （2.8） X解码 2 m rk(t) l b 判决电路 门限 电平 Zl 延m时 2 (21) 1 ( ) ml k ml r 图 3.2DCSK 解调电路方框图 四、 MIMO概述 1.MIMO系统概述 MIMO 能够在空间中产生独立并行信道同时传输多路数据流，即传输速率很高。 这些增加的信道容量可以用来提高信息传输速率，也可以通过增加信息冗余来提高通 信系统的传输可靠性。 通常，多径要引起衰落，因

13、而被视为有害因素。然而研究结果表明，对于MIMO 系统来说，多径可以作为一个有利因素来加以利用。MIMO 系统在发射和接收端均采 用多天线（或阵列天线）和多通道，MIMO 的多入多出是针对多径无线信道来说的。 传输信息流 s(k)经过空时编码形成N 个信息子流 ci(k)，i=1 ，N。这 N 个子流由 N 6 个天线发射出去，经空间信道后由M 个接收天线接收。多天线接收机利用先进的空 时编码处理能够分开并解码这些数据子流，从而实现最佳的处理。这N 个子流同时 发送到信道， 各发射信号占用同一频带， 因而并未增加带宽。 若各发射和接收天线间 的通道响应独立， 则多入多出系统可以创造多个并行空间

14、信道。通过这些并行空间信 道独立地传输信息， 数据率必然可以提高。 因此，数据子流的独立性和数据在各个天 线间的分配方式是影响系统性能的关键因素。独立数据子流的数目， 由天线链路间的 衰落相关性决定，因此在MIMO 系统中，天线链路间的衰落相关性成为影响MIMO 系统的关键因素之一。 2.MIMO无线信道的特点 对 MIMO 信道进行建模离不开对无线信道特性的分析，只有在充分理解了无线 信道的各种特性之后，才能更进一步，找到用于描述MIMO 信道的合适的数学模型。 因此，为准确地描述MIMO 信道的统计特性，必须引入空间维度。在了解传统无线 信道的多径、时延扩展、多普勒扩展等统计变量的同时，还

15、必须了解其空间特性。 2.1、信号传播方式 在无线传播环境下进行通信，信号可能要经过许多的障碍物，如大楼、街道、树 木以及移动的汽车等。信号的传播途径大致可分为四种：直线传播、反射、折射、散 射。在实际环境中，信号利用障碍物的反射、散射或直线传播等，经多条路经到达接 收端，即多径传播，从而形成了多径信道。 2.2、信道衰落 无线信道的传播模型可分为大尺度传播模型和小尺度传播模型两种。大尺度模型 主要用于描述发射机与接收机之间长距离几百或几千米上的信号强度变化。但这两种 模型并不是相互独立的， 在同一个无线信道中， 即存在大尺度衰落，也存在小尺度衰 落。一般而言，大尺度表征了接收信号在一定时间内

16、的均值随传播距离的环境变化而 呈现的缓慢变化， 小尺度衰落表征接收信号短时间内的快速波动。因此实际的无线信 道衰落因子可表示为： ( )( )( )ttt(4.1) 式中， (t) 表示衰落因子； (t) 表示小尺度衰落； (t) 表示大尺度衰落。 7 2.3、信道扩展 (1) 多径（时延）扩展 多径时延扩展与相关带宽是用于描述本地信道时间扩散特性的两个参数，在无线 通信中，来自发射机的射频信号在传播过程中往往受到各种障碍物和其他移动物体的 影响，以致到达接收端的信号是来自不同传播路径的信号之和。相关带宽Bc是表征 多径信道特性的一个重要参数，它是指某一特定的频率范围， 在该频率范围内的任意

17、两个频率分量都具有很强的幅度相关性，即在相干带宽范围内， 多径信道具有恒定的 增益和线性相位。经历平坦衰落的条件可概括如下： s Bnr，因为一般来说，移动终端所支持的天线数目 总是比基站端要少。 接收矢量为：yHxn，即接收信号为信道衰落系数X 发射信号 +接收端噪声。 5.MIMO系统容量分析 本系统的系统容量是表征通信系统的最重要标志之一，表示了通信系统最大传输 率。对于发射天线数为N，接收天线数为 M 的多入多出 (MIMO) 系统，假定信道为独 立的瑞利衰落信道，并设N、M 很大，则信道容量C 近似为： 2 ,/ 2Cm i nMNB l o g(4.7) 其中 B 为信号带宽， 为

18、接收端平均信噪比， min(M,N) 为 M，N 的较小者。上式 表明，功率和带宽固定时， 多入多出系统的最大容量或容量上限随最小天线数的增加 而线性增加。 而在同样条件下， 在接收端或发射端采用多天线或天线阵列的普通智能 天线系统，其容量仅随天线数的对数增加而增加。 051015202530 0 10 20 30 40 50 60 70 80 MIMO Eb/N 0 dB C a p a c i t y b i t /s /H z n1=1 n2=2 n3=4 n4=8 图 4.2 MIMO信道容量仿真 10 五、 MIMO-DCSK系统设计 1.MIMO-DCSK混沌通信方案概述 MIMO

19、 和 DCSK 结合使用，即 MIMO-DCSK 系统： 数 据 处 理 数 据 处 理 DCSK 调制 DCSK 调制 DCSK 解调 DCSK 解调 输入信号输出信号 发送天线 接收天线 图 5.1 MIMO-DCSK系统框图 利用 MIMO 和 DCSK 结合， 可以大大提高无线通信系统的信道容量和传输速率， 有效抵抗信道衰落、 抑制干扰，被认为是构建宽带无线通信系统最关键的物理层传输 方案。从图 5.1中可以看出， MIMO-DCSK 系统中，每根发射天线的通路上都有一个 DCSK 调制器，每根接收天线上都有一个DCSK 解调器。 2.MIMO-DCSK系统设计 2.1、MIMO-DC

20、SK 系统设计概述 文中采用的混沌映射是改进型的Logistic 序列： 2 1 1 kk xx（5.1） 由于该映射产生简单，相关性好，因此文中仿真都采用这种改进型的Logistic 序列。 本文考虑具有 2 个发生和 2 个接收天线的天线系统。本文的阐述中讲到了MIMO 通 过时间上空时信号处理和空间上分集结合实现。 2.2、发送端设计 在空时编码中， 信源发送的二进制信息比特首先进行星座映射。假设采用 4 进制 调制星座，有 n=log2M=2。把从信源来的二进制信息比特每2 个比特分为一组（此例 中是 s1和 s2） ，对连续的两组比特进行星座映射，得到两个调制符号s1、s2。把这两

21、个符号送入编码器，并按照如下方式编码： 12 * 21 ss ss (5.2) 11 在第一个发送时刻，符号s1在天线 1 上发送出去，符号 s2在天线 2 上发送出去。 第二个时刻， 符号-s2*在天线 1 上发送出去， 符号 s1*在天线 2 上发送出去。 可以看出， 两幅发送天线上发送信号批次存在着一定的关系，因此这种空时码是基于发送分集 的。两幅发送天线上发送的信号满足正交特性。分别用 s1和 s2来表示天线 1 和天线 2 的发射序列： * 112 * 221 ( -s ) ( s ) Ss Ss (5.3) 图 5.2.(a)是 DCSK 调制技术结合 STBC 编码方法设计的发送

22、模块框图，表 4.1 给出了 在时间 2Tb=4Tc内的传输信号的结构。 2.3、信道设计 2 个发送天线 Txl、Tx2 分别经过衰落信道的增益h11、h12、h21、h22，并叠加上 高斯信道白噪声后，由两个接收天线Rxl、Rx2 接收，之后分别送往接收端进行相关 接收和判决。 2.4、接收端设计 图 5.2.(b)设计了接收模块框图，在接收端，经过信道之后，噪声与干扰信号一起 被接收。 接收信号首先由相关接收器进行相关接收，然后经过 STBC 解码器进行解码。 由于两个接收天线有着相似的形式，在表4.2 中只给出了天线 l 的接收序列表达式， 其中 h11、h21为信道增益。 由此我们结

23、合 STBC 设计了 MIMO-DCSK 混沌通信的系统框图，如图4.2 所示。 混沌产生 时延m 时延m 信息信号 -1 STBC 编码器 -1 s1,s2 时钟 Tb Tx1 Tx2 时钟 Tb (a)2天线 MIMO-DCSK的发射机 h11 h12 h21 Tx1 h22 Tx2 (b)2天线MIMO-DCSK的接收机 s1,s2 噪声 Rx2 Rx1 X 延时m Xrkrk+m X 延时m Xrkrk+m STBC解码 器 12 图 5.2 基于时空编码的2*2MIMO信道的 DCSK 系统框图 表 5.1 发送端的信息序列 时间 Tx1 端 1 S（t）Tx2 端 2 S（t） 0

24、, c mT k x k x c mT,2 c mT 1km sx 2km s x 2 c mT,3 c mT 2km x 2km x 3 c mT,4 c mT * 23km s x * 13km s x 表 5.2 接收端的信息序列 时间Rx1 端 0, c mT 1 1121kkk h xh xn c mT,2 c mT 1 11 121 2kmkmk h s xh s xn 2 c mT,3 c mT 2 112212kmkmk h xh xn 3 c mT,4 c mT *2 112321 13kmkmk h s xh s xn 5.最后的系统结构图 图 5.3 MIMO-DCSK最

25、终的系统框图 空 时 编 码 MIMO 选择性 信道 ； 空 时 译 码 DCSK 调 制 DCSK 调 制 DCSK 调 制 DCSK 调 制 DCSK 调 制 DCSK 调 制 发射天线 1 发射天线 2 发射天线 N接收天线 N 接收天线 2 接收天线 1 13 第二节MIMO-DCSK系统误码性能分析 为了简化数学分析，假设时间Tc=1，则在时间 0 ，mTc后相关器 1 的输出 y11 的表达式： 1111 121 21121 1 222 11 111211221 2 11 11 121 21121 11 () ()() kkkmkkk k kkkm kk kkkkm kk yh s

26、 xh s xnh xh xn h sh hssh sxn n h sh sx nhhx n （5.4） 第 l 个信息比特的能量 ( )( )2 1 m ll bk k Ex，则天线 1 在0 ,m时间接收到的等效基带模 型为： ( ) 1111 121 211 () l b YEh sh sN （5.5） 其中 N11是均值为零的高斯白噪声 11 121 2 11 11 1 1121 () mm kkkkmm kk kkm k h sh sx nn n Nx n h h （5.6） 相应的可以得出Y12、Y21、Y22的表达式，所以接收信号Y可以表示为： * 1 12 11 12 11 1

27、1 2 ( )12 * 122212222122 21 l b YYhhNNss E YYhhNNss （5.7） 上式也可以写成向量形式： 11112111 121222112 ( ) * 212111221 * 22221222 l b YhhN YhhsN E YhhsN YhhN （5.8） 本文主要研究 MIMO-DCSK 通信系统在 AWGN 信道下的误码率性能， 因此信道 增益假设为常数且为1(Hij=1)。 采用空时解码公式 (4.9)对接收到信号 Y 进行解码，从而得出传输的信息比特。 1*( )* 2 l b s H YEH HSH N s （5.9） 则待判决符号 s 1

28、、s 2可用下式表示： 2 ( )2* 1111122122 ( , ) 1 ( )* 111122122 4() l bij i j l b sEh shhhhN EsNNNN (5.10) 14 2 ( )2* 2221221112 ( , ) 1 ( )* 211122122 4() l bij i j l b sEh shhhhN EsNNNN （5.11） 由于待判决变量具有相同的统计特性，下而只计算判决变量s 2的均值和方差， 其中噪声部分 N 是独立的且均值为零。 11 4 lll b E sE s(5.12) 2 ()()2() 111 22 ( )( )( )* 111112

29、2122 2 * 11122122 * 11122122 () 44 lll l lll bb v sEsE s EEsEsENNNN ENNNN v Nv Nv Nv N (5.13) 上式第项与第二项是相等的，其中向量N 中的每个元素 Nij是互不相关的且与混 沌序列相互独立，高斯噪声的每个样本也是独立的， 将 Nij的表达式代入式 (4.13)可得： 2 ( ) 0012 11 2 2 2 12( ) 00 2 ( ) 0 0 (11)1 2224 1 1 2224 1 44 l b l b l b NNss v NVEvm ssNN Em N ENm （5.14） 2 ( ) 0012

30、 12 2 ( ) 0 0 (11)1 2224 1 44 l b l b NNss v NVEvm N ENm （5.15） 2 *() 0012 21 2 ( ) 00 (1 1)1 2224 1 244 l b l b NNss vNVEvm NN Em （5.16） 2 *() 0012 22 2 ( ) 00 (1 1)1 2224 1 244 l b l b NNss v NVEvm NN Em （5.17） 综上推导，可得到第l 个信息比特的方差为： 15 ()* 11 11 22 12 2 2 ( ) 0 0 3 4 l l b v sv Nv Nv NvN N ENm （5.

31、18） 假设每比特的能量是固定的，可以得出第l 个信息比特的误码率： 2( ) 1 1( ) ( ) 0 ( ) ( )0 1 811 3 224 2 l l l b ebl lb Es mNE PEerfcerfc EN v s （5.19） 文中采用高斯近似法 18 计算发送端的信息比特的能量Eb(l)， 由于混沌信号的非周 期特性，传输的信号比特的能量在混沌扩频后不断变化。因此，MIMO-DCSK 通信系 统的 BER 表达式为： 1 ( ) ( )( ) 0 ( ) 0 0 81 3 24 l ll b ebb l b mNE BERerfcPEdE EN （5.20） 其中 Pe(E

32、b (l) )是能量 Eb (l)的概率密度函数。 由于能量分布的概率密度函数的解析表达式很难获得，数值积分仍然是误码率计 算的一种有效方法。考虑到每比特的能最变化，数值积分表达式如下： 1 ( ) ( ) 0 ( ) 0 81 3 24 l l b eb l b mNE BERerfcP E EN （5.21） 其中 Pe(Eb(l)是每比特信息能量Eb(l)的概率。 结论 本文主要是研究基于DCSK 的 MIMO 通信信道。主要是，简介混沌通信技术及 MIMO 技术的发展、 DCSK 控调制解调的详细论述；随后详细介绍了MIMO 系统， 包括 MIMO 无线信道的特点、 MIMO 技术、M

33、IMO 系统模型、 MIMO 系统容量分析； 最后详细介绍 MIMO-DCSK 混沌通信方案。首先是给出MIMO-DCSK 系统框图，接 着是 MIMO-DCSK系统的详细设计，包括：文中采用是改进型的Logistic 序列、 MIMO-DCSK 系统发送端的设计、 信道的设计、 接收端的设计， 并给出基于时空编码 的 2*2MIMO 信道的 DCSK 系统框图以及该系统各时段的发送端的信息序列及接收端 的信息序列。最后主要是对MIMO-DCSK 系统误码性能进行分析。 本文在 MIMO-DCSK 通信系统的应用上探讨深度不够，缺少了与实际接轨的内容。 任何学科的研究都是以为实际生活服务作为目标，但本文整体理论性较强， 在实际应 用方而有待进一步加强。