MIMO通信系統中的信號檢測技術

王彥春

摘要：多輸入多輸出（MIMO）技術是近些年來通信系統領域中的重要突破，可極大的提升無線通信的傳輸可靠性與信道容量，是推動無線通信系統進步的關鍵技術，對其信號的檢測是MIMO技術中需深入研究的而重要課題。本文從MIMO技術的概述出發，分析MIMO通信系統中的信號檢測技術。

【關鍵詞】MIMO 通信系統 信號檢測技術

隨著目前科學技術的推動以及信息化時代的帶來，通信已經成為人們生活中必不可少的重要部分，并隨著社會與經濟水平的不斷提升，人們對通信的速率與質量有著更高的標準與要求。在此背景下，無線通信業務在不斷發展，MIMO技術應運而生，此項技術的出現，極大的提升了通信的系統容量與實際傳輸速率，能夠實現多路信號資源的并行性傳輸，并保證通信的可靠性，是第四代移動通信的關鍵核心技術。MIMO的信號檢測是其系統應用中最為重要的問題，是影響系統運行性能的重要因素，因此，對檢測技術進行深入研究是一項重要課題。

1 MIMO技術的概述

1.1 內涵

MIMO技術，是多輸入多輸出技術的簡稱，在信號發射與接收終端通過多根并行天線實現信號的有效傳輸。MIMO發射端是使用的并行性天線，能夠實現信號的同時性發射，將多個不相容數據流在最短的時間效率內容進行傳輸與接收，此項技術與傳統的單向輸入、輸出技術有著本質上的區別，其利用無線信道這一途徑，對空間資源進行最大限度的開發，并建立一種并行的多徑傳輸渠道，在系統寬帶與信號傳輸功率不變的情況下，實現信號資源容量與信號頻譜利用效率的成倍提升，是提升通信可靠性與穩定性的關鍵性技術，順應現階段人們對高速率、大容量、決定穩定的通信需要，并成為第四代通信發展的核心技術。

1.2 優勢

MIMO通信系統中，其發射端與接收端有著并行的信號傳輸天線，在系統運行狀態下，其發射終端所包含的每一根天線都會同時進行信號的發射，而接收終端則會收到疊加狀態的信號。在系統的發射終端，信息資源所傳輸的串行碼流會被轉化為一種多路并行狀態下的子碼流，并通過不同天線渠道，在同一個時刻與頻率中進行發射，接收端口則通過對疊加信號的分離，計算出原始的子碼流，這種信息傳輸形式，相當于對頻道資源的一種重復性使用，并對信息通過原有的頻帶進行高速率的傳輸，大大提升了系統鏈路可靠性與頻帶的高度利用率。

2 MIMO通信系統中的信號檢測技術

2.1 最大似然檢測算法

此項檢測算法是通過找尋最佳的x^，井使得（Y-HX^）2最小即可，這種檢測的算法能夠使得系統獲取最優的檢測效果，是現階段MIMO系統中信號檢測所使用的最優算法，但是其缺點在于比較復雜，且隨著信號的發射調制階數增多而難度增加。如果假定發射終端的天線數量為M，其調制的階數為N，此項檢測方法需要經歷重復性的數遍搜索，在天線的數量過多或者階數過高的時候，系統難以承受。為改善此類問題，可通過球形譯碼的算法進行檢測，能夠達到大大降低算法的復雜程度，其簡便的算法為：對M-l個信號進行檢測，然后對剩下的那一個信號通過迫零（ZF）的檢測方式進行。

2.2 迫零（ZF）檢測算法

MIMO系統在運行中，其接收終端會收到疊加形式的發射信息資源，因為各類信號之間的繁雜性干擾，使得迫零檢測方式運營而生，迫零的檢測算法將接收終端的信號雜亂干擾進行消除，其檢測矩陣為：

GZF=（H^HJ）^-1H通過信號資源之間的干擾性條件消除，實現多干流之間干擾的消除，對干擾降至零度。此項檢測方式比較簡單，但是因為存在較為嚴重的噪音有問題而使用受限。為改善上述問題，出現一種ML與迫零兩者相結合的檢測方式，即通過針對迫零的檢測，然后假設某一信號的分量為錯誤值，經過各個信號的篩選實現全部信道的檢測，最終得到理想的檢測效果。

2.3 V-BLAST檢測算法

垂直.貝爾分層空時碼理論提出后，其極大的提高了通信系統信道的容量，而V-BLAST檢測算法是作為上述理論的一種補充，其與CDMA系統中多用戶檢測功能相類似，可有效排除干擾，形成一種具有判決和均衡反饋效果的結構。V-BLAST檢測算法在應用中需要對信號進行依次檢測，這一過程分為4個步驟，即排序、檢測信號、調制信號、消除干擾。在這一算法中，如何控制信號的排列順序是非常重要的，相關研究人員就此問題進行了信號信噪的排序，可得出以下公式：

G_ZFY=G_ZFZF在這個公式中，若發射功率在天線間處于平均分配的情況，則每根天線之間的信號功率和噪聲是想通的，每層信號的信噪會隨著信號權向量范數的變化而變化。根據以往的經驗，信號檢測性能越強，那么其排列的順序就越合理。依據以上公式對信號進行檢測，可有效減少誤碼傳播的幾率。

2.4 QR分解檢測算法

QR分解檢測算法是MIMO通信系統中較為常用的一種檢測方法，其算法過程和其他算法不同的是，其能夠根據信道矩陣對QR進行分解，這可有效的減少誤差，同時也可以簡化計算過程。QR分解檢測法的公式為：

Q^HY=Q^H（HX+W） =RX+Q^HW

其中，H=QR，Q^HQ=I_M，R代表M×M的上三角矩陣。是Q^H酉陣，因為Q^HW與W之間存在聯系，因此沒有多噪聲進行放大處理。從這一公式中可以看出，這一算法本質上也屬于串行干擾消除法中的一種類型，其同樣存在無法傳播的問題，尤其是變量H的存在，極大的影響了計算結果的準確性。相關文獻表明，在QR的分解過程中，沒有考慮到噪聲對信號的影響，因此若根據噪聲進行適當的調整，也能夠提高公式的檢測準確性。

3 結束語

在目前的無線通信系統標準與技術制定中，MIMO技術已經得到了較為廣泛性的應用，相比于傳統的單向信息輸送系統來說，MIMO技術有著更高的容量潛力與頻譜傳輸效率。信號檢測作為MIMO系統中的最重要部分，要想進一步的推動MIMO系統的發展就必須通過檢測技術的不斷優化推動研究成果的進步。

參考文獻

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