用于秩亏MIMO系统的球形译码器研究-AET-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。

关键词： 多输入多输出系统球形译码迫零最小均方误差误码率

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.

Key words : multiple input multiple output systems；SD；zero-forcing；minimum mean square error；bit error rate

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]和最小均方误差(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N_T-p层。它有以下两个缺陷：(1)如果N_R<N_T，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N_R根天线、发射端有N_T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：

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

情况2：N_T≤N_R。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≥N_T-N_R，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

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：

式中，(G_i)_j表示矩阵G_i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N_T≤N_R，也适用于N_T>N_R。

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 N_T=N_R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E_b/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。

3.2 N_T>N_R的独立MIMO信道

图2为模拟一4×5(N_R×N_T)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。

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。

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N_T>N_R和N_T≤N_R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

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[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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