《電子技術(shù)應(yīng)用》
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用于秩虧MIMO系統(tǒng)的球形譯碼器研究
2018年電子技術(shù)應(yīng)用第8期
蘇 艷，羊梅君
華南理工大學(xué)廣州學(xué)院 電子信息工程學(xué)院，廣東 廣州510800
摘要： 球形譯碼（SD）擁有可變復(fù)雜度，傳統(tǒng)的固定復(fù)雜度球形譯碼器（FSD）并不適用于秩虧（NT>NR）多輸入多輸出（MIMO）系統(tǒng)。為了克服這些難題，在新的預(yù)處理算法的基礎(chǔ)上，提出用于秩虧MIMO系統(tǒng)的穩(wěn)健固定復(fù)雜度球形譯碼器（RFSD-s）。在處理沒有或有噪聲信息時(shí)，建議分別使用迫零技術(shù)的RFSD（RFSD-ZF）和使用了最小均方誤差技術(shù)的FSD（FSD-MMSE）。為了減少RFSD-ZF的計(jì)算復(fù)雜度，引進(jìn)一個(gè)簡化版的RFSD-ZF（SRFSD-ZF），在性能上與前者別無二致。仿真結(jié)果表明，該SRFSD-ZF除了比傳統(tǒng)的FSD性能更好外，其對于MIMO天線的配置具有魯棒性。
中圖分類號： TN92
文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.175067
中文引用格式： 蘇艷，羊梅君. 用于秩虧MIMO系統(tǒng)的球形譯碼器研究[J].電子技術(shù)應(yīng)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.
Key words : multiple input multiple output systems；SD；zero-forcing；minimum mean square error；bit error rate

0 引言

    多輸入多輸出(MIMO)是無線通信中最有前景的技術(shù)之一，但是MIMO系統(tǒng)中的檢測實(shí)際上是很耗時(shí)的。最大似然(ML)搜索方法是十分耗時(shí)的，尤其是對于大天線陣而言[1]。迫零(ZF)[2]和最小均方誤差(MMSE)檢測器[3]相對不那么復(fù)雜，但性能較差。盡管球形譯碼器(SD)可簡化ML檢測，SD的平均復(fù)雜度仍然成指數(shù)級[4]。這種情況對于秩虧MIMO系統(tǒng)甚至更糟。固定復(fù)雜度球形譯碼器(FSD)[5]能夠?qū)⒖勺僑D復(fù)雜度修復(fù)成可接受的階數(shù)，同時(shí)保持類似于ML的性能，因此備受關(guān)注。

    傳統(tǒng)的FSD（FSD-ZF）遵循的是由預(yù)處理算法所決定的搜索順序。它將搜索分為兩個(gè)階段：FE階段位于前面p層，SE階段位于剩下的NT-p層。它有以下兩個(gè)缺陷：(1)如果NR<NT，F(xiàn)SD-ZF的誤比特率（BER）性能將嚴(yán)重變差；(2)FE階段中每層信號元素的選擇有賴于選定信號本身的后處理效果。本文將會討論適用于不同天線配置的FSD，并提出一新的RFSD算法(RFSD-s)。

1 MIMO通信系統(tǒng)模型

    本文考慮的MIMO系統(tǒng)模型是在接收端有NR根天線、發(fā)射端有NT根天線的V-BLAST系統(tǒng)[6]。x為發(fā)射端發(fā)射信號向量，向量中的符號分別獨(dú)立取自M-QAM的星座點(diǎn)。接收端接收信號向量y由下式得出：

    tx4-gs1.gif

式中，w是復(fù)高斯白噪聲向量，H表示頻率平坦衰落信道。

2 穩(wěn)健的固定復(fù)雜度球形譯碼器（RFSD-s）

2.1 沒有噪聲時(shí)的RFSD：RFSD-ZF

tx4-gs2-4.gif

    情況2：NT≤NR。在這種情況中，對FE階段的深度p沒有限制。因此，對任意整數(shù)p≥1，情況1中的算法同樣可使用。只要p≥NT-NR，那么RFSD-ZF便對天線的配置具有魯棒性。

2.2 簡化的RFSD-ZF:SRFSD-ZF

tx4-gs5.gif    

2.3 帶有噪聲信息的穩(wěn)健FSD：FSD-MMSE

    通過歸一化MMSE可得傳輸信號x的估計(jì)值如下：

tx4-gs6-8.gif

式中，(Gi)j表示矩陣Gi的第j行。運(yùn)行FSD-MMSE可以簡單地認(rèn)為是可進(jìn)行平行處理的擴(kuò)展版MMSE-OSIC。MMSE既適用于NT≤NR，也適用于NT>NR。

3 仿真結(jié)果

    RFSD-s的BER性能和復(fù)雜度可以通過對不同星座大小和MIMO配置進(jìn)行仿真。

3.1 NT=NR的獨(dú)立MIMO信道

    圖1表示的是模擬一6×6系統(tǒng)，分別使用了QPSK、16QAM和64QAM調(diào)制，都遵循擴(kuò)展策略(1，1，1，1，1，M)得出不同Eb/N0下RFSD-s的BER性能。ML檢測是通過Schnorr-Euchner球形譯碼(SESD)實(shí)現(xiàn)的。(1，1，1，1，1，M)表明RFSD-s和FSD-ZF在FE階段(p=1)的M-QAM星座中擁有M種搜索路徑?？梢杂^察到RFSD-s和FSD-ZF都表現(xiàn)出幾乎準(zhǔn)ML性能，尤其是大星座下。RFSD-ZF和FSD-MMSE的BER性能都略優(yōu)于FSD-ZF。

tx4-t1.gif

3.2 NT>NR的獨(dú)立MIMO信道

    圖2為模擬一4×5(NR×NT)系統(tǒng)，分別使用QPSK、16QAM和64QAM調(diào)制，RFSD-s與SESD[7]的BER性能比較。圖2中的BER性能提升是很顯著的。FSD-ZF和RFSD-s都遵循擴(kuò)展策略(1，1，1，1，1，M)。在這種情況下，F(xiàn)SD-ZF的性能下降，RFSD-s仍然有準(zhǔn)ML性能。

tx4-t2.gif

3.3 復(fù)雜度比較

    在獨(dú)立信道中傳輸16QAM信號的4×5系統(tǒng)中，分別考慮實(shí)值加法/減法和實(shí)值乘法/除法。對于包含預(yù)處理的每個(gè)檢測算法來說，用于檢測復(fù)符號的平均浮點(diǎn)運(yùn)算數(shù)量如圖3所示。FSD-ZF和RFSD-s都遵循擴(kuò)展策略(1，1，1，1，16)。從圖中可以看到RFSD-s的復(fù)雜度遠(yuǎn)低于SESD。盡管RFSD-s的復(fù)雜度略高于FSD-ZF，但FSD-ZF的BER性能顯著下降。SRFSD-ZF極大地減小了RFSD-ZF的復(fù)雜度，同時(shí)保留了較佳的BER性能。

tx4-t3.gif

4 結(jié)論

    本文提出了用于秩虧MIMO系統(tǒng)的RFSD-s算法。相比較于SD和傳統(tǒng)的FSD，本文提出的RFSD-s具有兩個(gè)優(yōu)勢：固定復(fù)雜度和穩(wěn)健。在NT>NR和NT≤NR兩種情況下，RFSD-s能夠具有準(zhǔn)ML性能，且復(fù)雜度更低、更固定。對于沒有或有噪聲信息的情況，分別提出RFSD-ZF和FSD-MMSE。針對不同情況進(jìn)行了仿真（如不同調(diào)制方案和天線配置），驗(yàn)證了算法的有效性。

參考文獻(xiàn)

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[6] 唐元元，張德民，劉哲哲，等.TD-LTE系統(tǒng)中軟輸出球形譯碼檢測算法研究[J].電子技術(shù)應(yīng)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:

蘇  艷，羊梅君

（華南理工大學(xué)廣州學(xué)院 電子信息工程學(xué)院，廣東 廣州510800）

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