數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)中MIMO信號檢測技術(shù)的研究

魏龍飛，譙 梁

(1.中國電子科技集團(tuán)公司第二十研究所，陜西 西安 710068；2.中國航天科工集團(tuán)有限公司科研生產(chǎn)部，北京 100037)

0 引 言

數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)且环N按規(guī)定的消息格式和通信協(xié)議，在傳感器、指控系統(tǒng)與武器平臺之間實(shí)時(shí)傳輸和處理戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)信息的系統(tǒng)，通過數(shù)據(jù)鏈，可以將地理上分散的部隊(duì)、各類傳感器和武器系統(tǒng)建立起無縫鏈接，實(shí)現(xiàn)信息共享，提高指揮速度和協(xié)同作戰(zhàn)能力?，F(xiàn)代聯(lián)合作戰(zhàn)中，陸、海、空三軍的作戰(zhàn)部隊(duì)、艦船、飛機(jī)等作戰(zhàn)單元之間需要傳送海量的傳感器信息和交戰(zhàn)指令[1]。單天線系統(tǒng)中，提高通信速率的方法有2種，提高發(fā)射功率和增加系統(tǒng)帶寬。為了提高數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)作戰(zhàn)性能，提高傳輸速率和可靠性，引入了多輸入多輸出(MIMO)技術(shù)。

MIMO技術(shù)通過在接收端和發(fā)送端安裝多根天線，充分利用空間資源，實(shí)現(xiàn)空間分集，對抗信道衰落，提高傳輸可靠性。理論和試驗(yàn)證明MIMO技術(shù)在不增加系統(tǒng)帶寬和發(fā)送功率的情況下，提高了系統(tǒng)的頻譜利用率和信道容量[2]。

1 數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)MIMO系統(tǒng)

1.1 V-BLAST結(jié)構(gòu)

1.2 數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)MIMO信號模型

在數(shù)據(jù)鏈端機(jī)上安裝多個(gè)天線，2個(gè)數(shù)據(jù)鏈端機(jī)之間可組成一個(gè)MIMO系統(tǒng)，在這個(gè)系統(tǒng)中，發(fā)送端每根天線同時(shí)發(fā)射信號，接收端每根天線收到的都是這些信號的疊加。MIMO系統(tǒng)模型如圖1所示。

假設(shè)在某一時(shí)刻，發(fā)送端輸入的信號向量為s=[s1s2…sN]T，接收端的輸出信號為r=[r1r2…rM]T，接收端的加性噪聲向量為n=[n1n2…nM]T。假設(shè)發(fā)送端與接收端之間信道為平坦衰落，即一幀數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間內(nèi)信道矩陣H不變。則MIMO系統(tǒng)中接收數(shù)據(jù)與發(fā)送數(shù)據(jù)的關(guān)系為：

r=Hs+n

(1)

式中：H為N×M的信道傳輸矩陣，可表示為：

(2)

式中：hmn為第n個(gè)發(fā)射天線到第m個(gè)接收天線之間的信道傳輸系數(shù)。

數(shù)據(jù)鏈端機(jī)將高速數(shù)據(jù)流串并轉(zhuǎn)換為N層數(shù)據(jù)流，在同一個(gè)頻帶上通過N個(gè)天線同時(shí)發(fā)送，由于無線信道的多徑效應(yīng)，發(fā)送數(shù)據(jù)經(jīng)歷不同的衰落后到達(dá)接收機(jī)。接收機(jī)從這些不同的數(shù)據(jù)中恢復(fù)出源數(shù)據(jù)流，從而在不增加帶寬和發(fā)送功率的條件下，提高系統(tǒng)容量。

2 信號檢測算法

在數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)合適的信號檢測算法，利用空間分離增益，可以消除發(fā)送信號之間的干擾和噪聲，從接收端恢復(fù)出源數(shù)據(jù)，從而提高數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)傳輸速率，提升數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)容量。

近年來，江蘇寧靖鹽高速公路有限公司在開展基層思想政治工作過程中，結(jié)合行業(yè)“點(diǎn)多線長面廣、人員流動(dòng)分散、工作性質(zhì)差異”等特點(diǎn)，堅(jiān)持問題導(dǎo)向，堅(jiān)持頂層設(shè)計(jì)，抓住基層站區(qū)長這個(gè)關(guān)鍵，用“方向引導(dǎo)、方式主導(dǎo)、方法指導(dǎo)”來引導(dǎo)，用“職工測評、目標(biāo)考核、績效掛鉤”去推動(dòng)，積極探索基層單位思想政治工作新途徑，作了有益嘗試，取得了一定成效。

2.1 最小均方誤差(MMSE)檢測算法

(3)

假設(shè)每根發(fā)射天線發(fā)送信號功率為1，信道傳輸矩陣估計(jì)為H，對上式推導(dǎo)簡化可得[5-6]：

GMMSE=(HHH+σ2IM)-1HH

(4)

式中：IM為M×M的單位陣；σ2為接收端每根天線的噪聲功率。

發(fā)送信號的估計(jì)矢量為：

(HHH+σ2IM)-1HHHs+

(HHH+σ2IM)-1HHn

(5)

最小均方誤差檢測算法可以從接收信號中檢測出發(fā)送信號。

2.2 串行干擾抵消的檢測算法

MMSE檢測算法可以降低噪聲對信號檢測的影響，但是不能消除，如果在MMSE檢測算法基礎(chǔ)上增加判決反饋，充分利用接收信號中的有用信息，可以提高多天線數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的檢測性能。

串行干擾抵消的檢測算法是先利用MMSE檢測算法解調(diào)出一個(gè)天線上的數(shù)據(jù)，在接收信號中消除該信號對其他信號的干擾，逐步完成其他天線上數(shù)據(jù)的檢測，直到所有數(shù)據(jù)檢測完成。MMSE檢測算法加權(quán)矩陣GMMSE=(HHH+σ2IM)-1HH，GMMSE的每一行為恢復(fù)每個(gè)天線數(shù)據(jù)所需的權(quán)向量。

每層數(shù)據(jù)檢測都是基于之前判決時(shí)正確的基礎(chǔ)上。如果之前判決出現(xiàn)錯(cuò)誤，會(huì)影響之后數(shù)據(jù)判決的正確性；因此，需要選擇合適的檢測順序。由于信噪比大的數(shù)據(jù)檢測正確概率較大，將所有數(shù)據(jù)按照信噪比由高到低進(jìn)行排序。第k層接收信噪比為[6]：

(6)

范數(shù)最小的列對應(yīng)的數(shù)據(jù)信噪比最大。

算法迭代過程如下：

令i=1，Gi=GMMSE，ri=r。

(5) 更新加權(quán)矩陣Gi+1，Gi+1為Gi去掉第k行的矩陣。

(6)i=i+1，循環(huán)迭代，直至所有數(shù)據(jù)檢測結(jié)束。

3 檢測算法的仿真

本節(jié)分別對多天線數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)中串行干擾抵消的MIMO檢測算法進(jìn)行了仿真，考慮4×4的MIMO系統(tǒng)，即數(shù)據(jù)鏈端機(jī)發(fā)射端和接收端各有4根天線，調(diào)試方式為四相相移鍵控(QPSK)。信道采用瑞利平坦衰落信道，信道矩陣中各數(shù)值為零均值單位方差復(fù)高斯隨機(jī)變量，接收端每根天線上的噪聲為零均值獨(dú)立分布的隨機(jī)變量。

從圖2可以看出，串行干擾抵消的MIMO檢測算法隨著信噪比的提高，誤碼率越低。在信噪比較高時(shí)，串行干擾抵消的MIMO檢測算法比MMSE檢測算法性能提高了5 dB以上。因此，該信號檢測算法可以從多個(gè)子信道中抵消信號和噪聲的干擾，恢復(fù)出原數(shù)據(jù)。

圖2 串行干擾消除的信號檢測算法

但是該檢測算法需要對信道進(jìn)行估計(jì)，信號檢測的性能依賴于信道估計(jì)矩陣的準(zhǔn)確性；同時(shí)，串行干擾抵消的MIMO檢測算法較以前單天線信號檢測算法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，會(huì)帶來額外的處理開銷，處理時(shí)延增加。實(shí)際工程使用中，需要權(quán)衡誤碼性能、處理時(shí)延以及處理開銷等。

4 結(jié)束語

本文將MIMO技術(shù)引入至數(shù)據(jù)鏈端機(jī)設(shè)計(jì)中，給出了多天線數(shù)據(jù)鏈端機(jī)的系統(tǒng)模型。該系統(tǒng)模型使用了MIMO空間復(fù)用技術(shù)，將數(shù)據(jù)分層后，通過不同的天線發(fā)送出去，經(jīng)過獨(dú)立的子信道衰落后，經(jīng)理論分析，提升了數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的系統(tǒng)容量。然后給出了基于串行干擾抵消的MIMO檢測算法，該算法在MMSE檢測算法基礎(chǔ)上增加判決反饋，逐層檢測出發(fā)送的MIMO數(shù)據(jù)。仿真結(jié)果證明，基于串行干擾抵消的MIMO檢測算法，利用接收信號中的有用信息，能夠抵消不同子信道中的干擾和噪聲，檢測出發(fā)送數(shù)據(jù)，從而提高數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的信道容量，提升數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)作戰(zhàn)性能。