《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于QRD-M的多天線分組并行檢測(cè)算法
來(lái)源：電子技術(shù)應(yīng)用2013年第6期
蔣攀攀1， 竇冬冬2， 朱世磊1， 王大鳴1
1. 信息工程大學(xué) 信息系統(tǒng)工程學(xué)院，河南 鄭州450002； 2. 蚌埠汽車士官學(xué)校，安徽 蚌埠233000
摘要： 提出了一種適用于MIMO通信系統(tǒng)的基于QRD-M的多天線分組并行檢測(cè)算法。該算法避免了傳統(tǒng)分層檢測(cè)算法中信道矩陣求逆的過(guò)程，同時(shí)克服了傳統(tǒng)QRD-M算法隨著收發(fā)天線數(shù)增多而難以實(shí)現(xiàn)性能與復(fù)雜度折衷的問(wèn)題。該算法通過(guò)對(duì)發(fā)送天線的分組，組內(nèi)并行采用改進(jìn)的QRD-M檢測(cè)算法，靈活選取每層被保留的分支，避免過(guò)高復(fù)雜度的同時(shí)提高了系統(tǒng)性能。仿真結(jié)果表明，與傳統(tǒng)QRD-M算法相比，該改進(jìn)算法能夠更靈活地實(shí)現(xiàn)性能需要和復(fù)雜度的折衷，在相近的復(fù)雜度下可以獲得更好的誤碼性能。
中圖分類號(hào)： TN925
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
文章編號(hào)： 0258-7998(2013)06-0092-04
QRD-M based multi-antenna grouping parallel algorithm for signal detection
Jiang Panpan1, Dou Dongdong2, Zhu Shilei1, Wang Daming1
1. Institute of Information System Engineering, Information Engineering University, Zhengzhou 450002, China； 2. Bengbu Automobile Academy School，Bengbu 233000，China
Abstract： A QRD-M based multi-antenna grouping parallel algorithm for signal detection is proposed for MIMO communication systems in this paper. This method avoids solving the pseudo inverse of the channel matrix and overcomes the problem that the traditional QRD-M algorithm cannot achieve the tradeoff between system performance and complexity as increased number of transceiver antennas. Through grouping the transmit antennas and adopting the improved QRD-M algorithm in every group parallel which can flexibly select the reserved branches of each layer, the proposed algorithm can improve system performance and also avoid too high complexity. Simulation results manifest that the proposed algorithm can provide a more flexible tradeoff between system performance and the complexity and obtain better BER performance at similar complexity compared with the traditional algorithm.
Key words : MIMO； multi-antenna grouping； QRD-M detection

    隨著人們對(duì)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)多媒體等寬帶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的大量需求，需要一種能夠在有限的頻譜資源上實(shí)現(xiàn)更高傳輸速率和更大帶寬的通信系統(tǒng)。多輸入多輸出MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)系統(tǒng)由于能有效地提高無(wú)線通信系統(tǒng)的頻譜利用率，因此成為下一代移動(dòng)通信的核心技術(shù)之一。長(zhǎng)期演進(jìn)項(xiàng)目LTE(Long Term Evolution)[1]是3G通信技術(shù)的演進(jìn)技術(shù)，LTE-A[2]引入了8發(fā)8收的天線配置，多天線技術(shù)在帶來(lái)空域處理的一些優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，還將會(huì)在接收端帶來(lái)空間干擾，信號(hào)處理也變得更為復(fù)雜。研究適合多天線配置的高效的MIMO檢測(cè)算法顯得尤為重要。

    最大似然檢測(cè)MLD(Maximum Likelihood Detection)[3]能夠達(dá)到最優(yōu)檢測(cè)效果，但其復(fù)雜度隨發(fā)送天線數(shù)和調(diào)制階數(shù)呈指數(shù)增長(zhǎng)，很難在實(shí)際中廣泛應(yīng)用。球形譯碼SD(Sphere Decoder)檢測(cè)算法[4-5]是一種深度優(yōu)先遍歷算法，它在降低平均計(jì)算復(fù)雜度的同時(shí)能夠達(dá)到最優(yōu)檢測(cè)性能，但其復(fù)雜度會(huì)隨著不同的信道條件而變得不穩(wěn)定。參考文獻(xiàn)[6]介紹了一種基于信道矩陣QR分解[7]的M分支樹搜索算法(QRD-M),該算法是一種廣度優(yōu)先遍歷算法，其不需要對(duì)整個(gè)信號(hào)空間進(jìn)行搜索，但可以在每一層選取適當(dāng)?shù)淖畲笏阉鞣种?shù)M，在保證合理復(fù)雜度的同時(shí)達(dá)到逼近ML檢測(cè)性能的效果。
    因此，本文提出一種基于QRD-M的多天線分組并行檢測(cè)算法，該算法首先根據(jù)列范數(shù)大小對(duì)信道矩陣進(jìn)行排序，據(jù)此將多根(比如8根)發(fā)送天線分成兩組(每組4根發(fā)送天線),然后分別在每組組內(nèi)并行采用靈活配置的QRD-M檢測(cè)算法，在降低了多天線信號(hào)檢測(cè)過(guò)高復(fù)雜度的同時(shí)，獲得了較好的系統(tǒng)性能。

    (2)基于前i層把保留的符號(hào)估計(jì)值再利用式(5)對(duì)i+1層的當(dāng)前分支度量值進(jìn)行計(jì)算,并得到i+1層的累積分支度量，進(jìn)而與步驟(1)中類似，保留M個(gè)信號(hào)估計(jì)值。
   

 

 

    對(duì)于8×8天線配置的MIMO系統(tǒng)，采用BPSK和QPSK兩種調(diào)制方式時(shí)，在不同的M和Sm條件下，計(jì)算出搜索的總分支數(shù)如表1和表2所示。

3.2 性能仿真與分析
    為了進(jìn)一步驗(yàn)證算法的有效性，現(xiàn)對(duì)所提出的算法進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真，并與傳統(tǒng)算法進(jìn)行對(duì)比。仿真假設(shè)無(wú)信道編碼且為理想的信道估計(jì)，設(shè)置仿真條件為：采用V-BLAST傳輸機(jī)制，BPSK和QPSK兩種調(diào)制方式；發(fā)射天線數(shù)NT=8，接收天線數(shù)NR=8；每對(duì)收發(fā)天線間假設(shè)為平坦瑞利衰落信道。
    圖5和圖6分別為BPSK(取M=2)和QPSK(取M=4)兩種調(diào)制方式下，傳統(tǒng)QRD-M檢測(cè)算法與本文算法(Sm=1,Sm=2,Sm=3,Sm=4)的檢測(cè)性能比較?？梢钥闯?，當(dāng)Sm=1時(shí)，本文算法與傳統(tǒng)算法性能相當(dāng)，這是因?yàn)楸疚乃惴ㄔ赟m=1時(shí)，信號(hào)樹每層仍只保留M=2(BPSK)和M=4(QPSK)個(gè)分支，其需要計(jì)算的總分支數(shù)與傳統(tǒng)算法相同，因此性能無(wú)明顯改善；當(dāng)Sm=2時(shí)，本文算法在達(dá)到誤碼率為10-4時(shí)，BPSK調(diào)制方式下與傳統(tǒng)算法相比有大約3 dB的增益，QPSK方式下大約有2 dB的增益，然而根據(jù)表1，BPSK方式下其所需計(jì)算的總分支數(shù)僅僅比傳統(tǒng)方案多4個(gè)，QPSK方式下比傳統(tǒng)方案多24個(gè)；當(dāng)Sm=3時(shí)，本文算法的檢測(cè)性能較傳統(tǒng)算法有了更大的改進(jìn)，BPSK方式下其所需計(jì)算的分支數(shù)比傳統(tǒng)方案多16個(gè)，QPSK方式下比傳統(tǒng)方案多136個(gè)；當(dāng)Sm=4時(shí)，本文算法的檢測(cè)性能基本達(dá)到飽和效果，較Sm=3時(shí)有略微的改進(jìn)。

    因此根據(jù)性能需要以及復(fù)雜度的折衷，可靈活配置Sm的大小。例如，采用BPSK調(diào)制方式時(shí)，宜采用Sm=2和Sm=3兩種檢測(cè)方案；采用QPSK調(diào)制方式時(shí)，則采用Sm=2的檢測(cè)方案更為適宜。
    本文針對(duì)未來(lái)移動(dòng)通信系統(tǒng)中多天線處理復(fù)雜度過(guò)高的問(wèn)題，提出了一種基于QRD-M的多天線分組并行檢測(cè)算法。該方法首先將發(fā)送天線按照列范數(shù)大小分成兩組，組內(nèi)并行采用改進(jìn)的QRD-M算法，靈活配置第一級(jí)ML檢測(cè)的序列長(zhǎng)度來(lái)實(shí)現(xiàn)性能需要和復(fù)雜度的折衷。本文分析比較了所提算法與傳統(tǒng)算法的復(fù)雜度，通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真證明了在相近的復(fù)雜度下本文算法能夠獲得更好的檢測(cè)性能。
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