MIMO 信道均衡(2)——V-BLAST和MLD算法

信道均衡的定義

信道均衡技術(Channel equalization)是指為瞭提高衰落信道中的通信系統的傳輸性能而采取的一種抗衰落措施。它主要是為瞭消除或者是減弱寬帶通信時的多徑時延帶來的碼間串擾ISI問題。

大體上分為兩大類:線性與非線性均衡。

前面闡述瞭

繼續講解非線性均衡。

(可參考書籍:MIMO-OFDM無線通信技術及MATLAB實現[1])

使用MIMO的好處

  • 使用多個發送天線可以在沒有消耗額外的帶寬的情況下增加數據率,進而提高瞭頻譜利用率。
  • 使用多個接收天線可以實現分集接收,提高功率效率。

MIMO系統示意圖

非線性檢測信道均衡方法這裡隻闡述兩種:

  • Vertical Bell Laboratories Layered Space-Time (V-BLAST)
  • Maximum Likelihood Detection (MLD)

前提條件

以下MIMO信道均衡算法都基於以下假設:

  1. 天線間隔至少半波長;
  2. Rayleigh Fading channel;
  3. 在接收端有完美的信道估計來進行信道均衡;

V-BLAST

  • 每一層采用線性檢測算法,比如ZF、MMSE等;
  • V-BLAST分集階數在 L-K+1L 之間;

V-BLAST算法示意圖

以2 X 2 MIMO為例:

y=h_1x_1+h_2x_2+n

h_1>h_2 ,先解碼 x_1 ,否則先解碼 x_2

tilde{x}_1=h_1^+y=x_1+h_1^+h_2x_2+h_1^+n

判決

hat{x}_1=D(tilde{x}_1)

y_1 = y-h_1hat{x}_1=h_2x_2+n

tilde{x}_2=h_2^+y_1=x_2+h_2^+n


最大似然檢測——MLD

  • 目標函數是最小化

mu=||mathbf{y-Hc}||^2

mathbf{c} 為所有可能的發送信號,以2X2 MIMO、QPSK調制為例, mathbf{c} 有16種可能的情況。 mathbf{H} 為信道矩陣; mathbf{y} 為隨機產生的二進制序列經過QPSK調制後經過信道後接收端接收到的信號。

在高SNR下,MLD的BER漸進邊界大致為

begin{align}P_eapprox beta(frac{1}{4gamma_0})^LC_{2L-1}^Lend{align}


仿真結果(以2X2 MIMO 和 2X3 MIMO為例,比較兩種非線性檢測算法的性能)

V-BLAST和MLD算法的BER性能仿真圖

結論:

  • 2 X 3 MIMO系統的BER性能優於 2 X 2 MIMO系統;
  • MLD算法誤碼性能優於V-BLAST,是因為MLD采用的是窮舉搜索法(最大似然),它犧牲瞭算法復雜度。一般來說誤碼性能和算法復雜度存在trade-off關系,一般在設計算法的時候需要折中考慮。

結合MIMO 信道均衡(1)——ZF和MMSE算法 四種算法BER性能仿真圖如下:

ZF、MMSE、V-BLAST和MLD算法的BER性能仿真圖

結論

  • MIMO 檢測器算法(ZF、MMSE、V-BLAST和MLD)復雜度對比

(ps: K為發射天線個數,L為接收天線個數,M為調制階數。)

算法 限制條件 復雜度
線性檢測 ZF K<L O(K^3)
線性檢測 MMSE K<L O(K^3)
非線性檢測 V-BLAST K<L O(K^4)
非線性檢測 MLD —— O(M^K)
  • 2 X 3 MIMO系統的BER性能優於 2 X 2 MIMO系統;
  • MLD性能最好,ZF、MMSE和V-BLAST性能差別不大;

下一期

考慮經過頻率選擇性衰落信道

擴展至MIMO-OFDM系統

信道估計LS算法

信道估計MMSE算法


參考

  1. ^MIMO-OFDM無線通信技術及MATLAB實現 https://book.douban.com/subject/24746474/
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