如何使用最大似然檢測(cè)器方案優(yōu)化MIMO接收器性能

　　MIMO技術(shù)介紹

　　MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）技術(shù)指在發(fā)射端和接收端分別使用多個(gè)發(fā)射天線和接收天線，使信號(hào)通過(guò)發(fā)射端與接收端的多個(gè)天線傳送和接收，從而改善通信質(zhì)量。它能充分利用空間資源，通過(guò)多個(gè)天線實(shí)現(xiàn)多發(fā)多收，在不增加頻譜資源和天線發(fā)射功率的情況下，可以成倍的提高系統(tǒng)信道容量，顯示出明顯的優(yōu)勢(shì)、被視為下一代移動(dòng)通信的核心技術(shù)。

　　MIMO技術(shù)大致可以分為兩類：發(fā)射/接收分集和空間復(fù)用。傳統(tǒng)的多天線被用來(lái)增加分集度從而克服信道衰落。具有相同信息的信號(hào)通過(guò)不同的路徑被發(fā)送出去，在接收機(jī)端可以獲得數(shù)據(jù)符號(hào)多個(gè)獨(dú)立衰落的復(fù)制品，從而獲得更高的接收可靠性。舉例來(lái)說(shuō)，在慢瑞利衰落信道中，使用1根發(fā)射天線n根接收天線，發(fā)送信號(hào)通過(guò)n個(gè)不同的路徑。如果各個(gè)天線之間的衰落是獨(dú)立的，可以獲得最大的分集增益為n，平均誤差概率可以減小到 ，單天線衰落信道的平均誤差概率為 。對(duì)于發(fā)射分集技術(shù)來(lái)說(shuō)，同樣是利用多條路徑的增益來(lái)提高系統(tǒng)的可靠性。在一個(gè)具有m根發(fā)射天線n根接收天線的系統(tǒng)中，如果天線對(duì)之間的路徑增益是獨(dú)立均勻分布的瑞利衰落，可以獲得的最大分集增益為mn。智能天線技術(shù)也是通過(guò)不同的發(fā)射天線來(lái)發(fā)送相同的數(shù)據(jù)，形成指向某些用戶的賦形波束，從而有效的提高天線增益，降低用戶間的干擾。廣義上來(lái)說(shuō)，智能天線技術(shù)也可以算一種天線分集技術(shù)。

　　分集技術(shù)主要用來(lái)對(duì)抗信道衰落。相反，MIMO信道中的衰落特性可以提供額外的信息來(lái)增加通信中的自由度（degrees of freedom）。從本質(zhì)上來(lái)講，如果每對(duì)發(fā)送接收天線之間的衰落是獨(dú)立的，那么可以產(chǎn)生多個(gè)并行的子信道。如果在這些并行的子信道上傳輸不同的信息流，可以提供傳輸數(shù)據(jù)速率，這被稱為空間復(fù)用。需要特別指出的是在高SNR的情況下，傳輸速率是自由度受限的，此時(shí)對(duì)于m根發(fā)射天線n根接收天線，并且天線對(duì)之間是獨(dú)立均勻分布的瑞利衰落的。

　　根據(jù)子數(shù)據(jù)流與天線之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，空間多路復(fù)用系統(tǒng)大致分為三種模式：D-BLAST、V-BLAST以及T-BLAST。

　　最大似然檢測(cè)器方案優(yōu)化MIMO接收器性能

　　對(duì)于改進(jìn)數(shù)據(jù)速率和/或信噪比，多輸入和多輸出（MIMO）是領(lǐng)先的方法之一。通過(guò)使用多個(gè)接收和發(fā)送天線，MIMO可利用無(wú)線信道的多樣性。對(duì)于任何給定的信道帶寬，這可用于提高信道的頻譜效率并改進(jìn)數(shù)據(jù)速率。

　　MIMO的規(guī)格取決于發(fā)送和接收天線的數(shù)量。在一個(gè)4×4 MIMO配置中，使用了四個(gè)發(fā)送天線和四個(gè)接收天線。這在同樣信道帶寬上實(shí)現(xiàn)了（在合適的條件下）高達(dá)四倍的數(shù)據(jù)傳輸。

　　一方面，簡(jiǎn)單的MIMO接收器基于線性接收器算法，其易于實(shí)現(xiàn)但無(wú)法完全利用MIMO的好處。另一方面，使用迭代法，可以實(shí)現(xiàn)最佳的最大后驗(yàn)概率近似MIMO算法；然而，這會(huì)導(dǎo)致高延時(shí)的不足。一種更加實(shí)用的非線性MIMO接收器的實(shí)施途徑是最大似然（Maximum Likelihood， ML）或最大似然檢測(cè)器（Maximum Likelihood Detector， MLD）， 它在根本上是基于一個(gè)徹底的并列搜索。MLD在處理方面比傳統(tǒng)線性接收器要求更高，但對(duì)于相同的信道條件，可提供明顯更高的比特率。另外，對(duì)于具有天線相關(guān)性的信道，MLD更穩(wěn)健可靠。

　　使用高階MIMO規(guī)格（超過(guò)兩個(gè)接收和兩個(gè)發(fā)送天線）可以導(dǎo)致顯著的頻譜效率改進(jìn)——但這也有其成本代價(jià)：隨著MIMO規(guī)格的增加，MLD接收器的計(jì)算復(fù)雜性以指數(shù)方式增加。高階MIMO要求相當(dāng)大的處理能力——對(duì)于這一點(diǎn)，直接的MLD方法是不切實(shí)際的，必須使用次優(yōu)（suboptimal）MLD算法來(lái)實(shí)現(xiàn)用戶設(shè)備（User Equipment，UE）的實(shí)施。

　　次優(yōu)ML接收器

　　次優(yōu)ML接收器試圖以更有效的方法來(lái)掃描可能的傳送信號(hào)，從而減少整體復(fù)雜性并達(dá)到接近ML精度的結(jié)果。減少?gòu)?fù)雜性有助于根據(jù)大小和功率進(jìn)行更加實(shí)際的硬件實(shí)施。這還使硬件能夠保持由先進(jìn)通信標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的高吞吐量。

　　次優(yōu)ML方程式的解決可定義為一種樹(shù)形搜索，其中樹(shù)的每一個(gè)層級(jí)對(duì)應(yīng)于一個(gè)發(fā)送符號(hào)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)的分支突出數(shù)匹配QAM或發(fā)送符號(hào)的調(diào)制。一個(gè)4×4 MIMO配置可由一個(gè)四層樹(shù)表示。假如調(diào)制為BPSK，每個(gè)節(jié)點(diǎn)將包含兩個(gè)分支。

　　一旦定義了樹(shù)的符號(hào)，可以部署樹(shù)遍歷算法，借用其它領(lǐng)域比如計(jì)算機(jī)科學(xué)。 關(guān)于此點(diǎn)，次優(yōu)ML接收器可劃分為兩個(gè)主要類型：

　　1. 橫向優(yōu)先搜索

　　2. 深度優(yōu)先搜索

　　橫向優(yōu)先搜索

　　橫向優(yōu)先的一個(gè)例子就是K-best算法。該解碼器是一個(gè)固定復(fù)雜性解決方案，從樹(shù)根開(kāi)始并上行，直至它達(dá)到樹(shù)的最后一層。在樹(shù)的每層上，對(duì)所有選擇的分支進(jìn)行了評(píng)估并保留K留存節(jié)點(diǎn)，匹配最佳解決方案（代表了最接近接收信號(hào)的符號(hào)）——因此得名“K-best”。K剩余樹(shù)葉然后就用于生成LLR結(jié)果。

　　該解碼器的優(yōu)點(diǎn)是：

　　* 單向流有助于硬件的簡(jiǎn)易流水線實(shí)施。

　　* 計(jì)算每層所需要的處理能力是恒定的，且直接與實(shí)施中所選的留存節(jié)點(diǎn)（K）的數(shù)量相關(guān)。

　　* 數(shù)據(jù)吞吐量是恒定的，其反過(guò)來(lái)簡(jiǎn)化了在系統(tǒng)中計(jì)劃的數(shù)據(jù)流

　　該解碼器的缺點(diǎn)包括：

　　* 需要大面積實(shí)施以便評(píng)估和分類所有選擇的層級(jí)節(jié)點(diǎn)。

　　* 精度要求越高，所需要的K值越高。

　　* 在最佳SNR條件中，數(shù)據(jù)吞吐量不會(huì)增加。

　　* 不能保證達(dá)到ML解決方案，因?yàn)樽罴呀鉀Q方案可能存在于沒(méi)有選擇的節(jié)點(diǎn)中。

　　下述圖表顯示了一個(gè)采用QPSK調(diào)制的MIMO 4×4 （4-層）樹(shù)。在此例子中，K為四。樹(shù)的每層將分為十六個(gè)節(jié)點(diǎn)。最好的四個(gè)將會(huì)是用于下一層的留存節(jié)點(diǎn)。

　　深度優(yōu)先搜索

　　深度優(yōu)先的一個(gè)例子就是軟輸出球解碼（Soft-Output Sphere Decoder）算法。此解碼器是一種自適應(yīng)復(fù)雜性解決方案，從樹(shù)根開(kāi)始并首先直接上升到樹(shù)葉——因此得名“深度優(yōu)先”。該樹(shù)的優(yōu)先解決方案確定了初始搜索半徑或范圍。從那時(shí)起，解碼器在整個(gè)樹(shù)層中追溯并上升。對(duì)樹(shù)的每個(gè)超出搜索半徑的節(jié)點(diǎn)及其下面的所有節(jié)點(diǎn)進(jìn)行修整。每次找到一個(gè)更好的解決方案，相應(yīng)地減少半徑范圍。以此方法，掃描并修整了符號(hào)樹(shù)，直至有效選項(xiàng)數(shù)量減少。余下的符號(hào)代表了ML解決方案。

　　此解碼器的優(yōu)點(diǎn)是：

　　* 可保證獲得ML解決方案，有助于結(jié)果精確度。

　　* 在高SNR條件下， 解碼器運(yùn)行更快，增加了數(shù)據(jù)吞吐量并降低了功耗。

　　* 相比同等的橫向優(yōu)先解決方案，可在更小區(qū)域內(nèi)實(shí)施。

　　圖3顯示了具有自適應(yīng)復(fù)雜性軟輸出球解碼器與固定復(fù)雜性K-best解碼器間的循環(huán)計(jì)數(shù)比較。因?yàn)镾NR增加，球解碼器將減少它的循環(huán)計(jì)數(shù)，而固定復(fù)雜性將保持不變，無(wú)論信道條件如何。

　　該解碼器的缺點(diǎn)包括：

　　* 解碼器的非確定性表現(xiàn)使系統(tǒng)計(jì)劃復(fù)雜化。

　　* 僅在當(dāng)前分支完成后才知道下一個(gè)分支選擇。這使得硬件傳遞途徑的實(shí)施受到挑戰(zhàn)。

　　圖4顯示了一個(gè)采用QPSK調(diào)制的MIMO 4×4 （4層）樹(shù)例子。

　　1. 深度優(yōu)先以下列方式選擇到第一個(gè)樹(shù)葉的符號(hào)路徑：a. -3 （層1）；b. -3 （層2）；c. 1 （層 3）；d. 3 （層 4）

　　2. 更新了初始半徑

　　3. 追溯執(zhí)行到第二層的一個(gè)符號(hào)

　　4. 在搜索期間，修整了超出搜索半徑的分支（紅色所示），因此使搜索樹(shù)最小化。