數據鏈系統中MIMO信號檢測技術的研究

魏龍飛，譙 梁

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

0 引 言

數據鏈是一種按規定的消息格式和通信協議，在傳感器、指控系統與武器平臺之間實時傳輸和處理戰術數據信息的系統，通過數據鏈，可以將地理上分散的部隊、各類傳感器和武器系統建立起無縫鏈接，實現信息共享，提高指揮速度和協同作戰能力。現代聯合作戰中，陸、海、空三軍的作戰部隊、艦船、飛機等作戰單元之間需要傳送海量的傳感器信息和交戰指令[1]。單天線系統中，提高通信速率的方法有2種，提高發射功率和增加系統帶寬。為了提高數據鏈系統作戰性能，提高傳輸速率和可靠性，引入了多輸入多輸出(MIMO)技術。

MIMO技術通過在接收端和發送端安裝多根天線，充分利用空間資源，實現空間分集，對抗信道衰落，提高傳輸可靠性。理論和試驗證明MIMO技術在不增加系統帶寬和發送功率的情況下，提高了系統的頻譜利用率和信道容量[2]。

1 數據鏈系統MIMO系統

1.1 V-BLAST結構

1.2 數據鏈系統MIMO信號模型

在數據鏈端機上安裝多個天線，2個數據鏈端機之間可組成一個MIMO系統，在這個系統中，發送端每根天線同時發射信號，接收端每根天線收到的都是這些信號的疊加。MIMO系統模型如圖1所示。

假設在某一時刻，發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。假設發送端與接收端之間信道為平坦衰落，即一幀數據傳輸時間內信道矩陣H不變。則MIMO系統中接收數據與發送數據的關系為：

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個發射天線到第m個接收天線之間的信道傳輸系數。

數據鏈端機將高速數據流串并轉換為N層數據流，在同一個頻帶上通過N個天線同時發送，由于無線信道的多徑效應，發送數據經歷不同的衰落后到達接收機。接收機從這些不同的數據中恢復出源數據流，從而在不增加帶寬和發送功率的條件下，提高系統容量。

2 信號檢測算法

在數據鏈系統中，設計合適的信號檢測算法，利用空間分離增益，可以消除發送信號之間的干擾和噪聲，從接收端恢復出源數據，從而提高數據鏈系統傳輸速率，提升數據鏈系統容量。

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2.1 最小均方誤差(MMSE)檢測算法

(3)

假設每根發射天線發送信號功率為1，信道傳輸矩陣估計為H，對上式推導簡化可得[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。

發送信號的估計矢量為：

(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，可以提高多天線數據鏈系統的檢測性能。

串行干擾抵消的檢測算法是先利用MMSE檢測算法解調出一個天線上的數據，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據的檢測，直到所有數據檢測完成。MMSE檢測算法加權矩陣GMMSE=(HHH+σ2IM)-1HH，GMMSE的每一行為恢復每個天線數據所需的權向量。

每層數據檢測都是基于之前判決時正確的基礎上。如果之前判決出現錯誤，會影響之后數據判決的正確性；因此，需要選擇合適的檢測順序。由于信噪比大的數據檢測正確概率較大，將所有數據按照信噪比由高到低進行排序。第k層接收信噪比為[6]：

(6)

范數最小的列對應的數據信噪比最大。

算法迭代過程如下：

令i=1，Gi=GMMSE，ri=r。

(5) 更新加權矩陣Gi+1，Gi+1為Gi去掉第k行的矩陣。

(6)i=i+1，循環迭代，直至所有數據檢測結束。

3 檢測算法的仿真

本節分別對多天線數據鏈系統中串行干擾抵消的MIMO檢測算法進行了仿真，考慮4×4的MIMO系統，即數據鏈端機發射端和接收端各有4根天線，調試方式為四相相移鍵控(QPSK)。信道采用瑞利平坦衰落信道，信道矩陣中各數值為零均值單位方差復高斯隨機變量，接收端每根天線上的噪聲為零均值獨立分布的隨機變量。

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，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子信道中抵消信號和噪聲的干擾，恢復出原數據。

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行估計，信號檢測的性能依賴于信道估計矩陣的準確性；同時，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現復雜，會帶來額外的處理開銷，處理時延增加。實際工程使用中，需要權衡誤碼性能、處理時延以及處理開銷等。

4 結束語

本文將MIMO技術引入至數據鏈端機設計中，給出了多天線數據鏈端機的系統模型。該系統模型使用了MIMO空間復用技術，將數據分層后，通過不同的天線發送出去，經過獨立的子信道衰落后，經理論分析，提升了數據鏈系統的系統容量。然后給出了基于串行干擾抵消的MIMO檢測算法，該算法在MMSE檢測算法基礎上增加判決反饋，逐層檢測出發送的MIMO數據。仿真結果證明，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，檢測出發送數據，從而提高數據鏈系統的信道容量，提升數據鏈系統作戰性能。