数据链系统中MIMO信号检测技术的研究

魏龙飞，谯 梁

(1.中国电子科技集团公司第二十研究所，陕西 西安 710068；2.中国航天科工集团有限公司科研生产部，北京 100037)

0 引 言

数据链是一种按规定的消息格式和通信协议，在传感器、指控系统与武器平台之间实时传输和处理战术数据信息的系统，通过数据链，可以将地理上分散的部队、各类传感器和武器系统建立起无缝链接，实现信息共享，提高指挥速度和协同作战能力。现代联合作战中，陆、海、空三军的作战部队、舰船、飞机等作战单元之间需要传送海量的传感器信息和交战指令[1]。单天线系统中，提高通信速率的方法有2种，提高发射功率和增加系统带宽。为了提高数据链系统作战性能，提高传输速率和可靠性，引入了多输入多输出(MIMO)技术。

MIMO技术通过在接收端和发送端安装多根天线，充分利用空间资源，实现空间分集，对抗信道衰落，提高传输可靠性。理论和试验证明MIMO技术在不增加系统带宽和发送功率的情况下，提高了系统的频谱利用率和信道容量[2]。

1 数据链系统MIMO系统

1.1 V-BLAST结构

1.2 数据链系统MIMO信号模型

在数据链端机上安装多个天线，2个数据链端机之间可组成一个MIMO系统，在这个系统中，发送端每根天线同时发射信号，接收端每根天线收到的都是这些信号的叠加。MIMO系统模型如图1所示。

假设在某一时刻，发送端输入的信号向量为s=[s1s2…sN]T，接收端的输出信号为r=[r1r2…rM]T，接收端的加性噪声向量为n=[n1n2…nM]T。假设发送端与接收端之间信道为平坦衰落，即一帧数据传输时间内信道矩阵H不变。则MIMO系统中接收数据与发送数据的关系为：

r=Hs+n

(1)

式中：H为N×M的信道传输矩阵，可表示为：

(2)

式中：hmn为第n个发射天线到第m个接收天线之间的信道传输系数。

数据链端机将高速数据流串并转换为N层数据流，在同一个频带上通过N个天线同时发送，由于无线信道的多径效应，发送数据经历不同的衰落后到达接收机。接收机从这些不同的数据中恢复出源数据流，从而在不增加带宽和发送功率的条件下，提高系统容量。

2 信号检测算法

在数据链系统中，设计合适的信号检测算法，利用空间分离增益，可以消除发送信号之间的干扰和噪声，从接收端恢复出源数据，从而提高数据链系统传输速率，提升数据链系统容量。

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2.1 最小均方误差(MMSE)检测算法

(3)

假设每根发射天线发送信号功率为1，信道传输矩阵估计为H，对上式推导简化可得[5-6]：

GMMSE=(HHH+σ2IM)-1HH

(4)

式中：IM为M×M的单位阵；σ2为接收端每根天线的噪声功率。

发送信号的估计矢量为：

(HHH+σ2IM)-1HHHs+

(HHH+σ2IM)-1HHn

(5)

最小均方误差检测算法可以从接收信号中检测出发送信号。

2.2 串行干扰抵消的检测算法

MMSE检测算法可以降低噪声对信号检测的影响，但是不能消除，如果在MMSE检测算法基础上增加判决反馈，充分利用接收信号中的有用信息，可以提高多天线数据链系统的检测性能。

串行干扰抵消的检测算法是先利用MMSE检测算法解调出一个天线上的数据，在接收信号中消除该信号对其他信号的干扰，逐步完成其他天线上数据的检测，直到所有数据检测完成。MMSE检测算法加权矩阵GMMSE=(HHH+σ2IM)-1HH，GMMSE的每一行为恢复每个天线数据所需的权向量。

每层数据检测都是基于之前判决时正确的基础上。如果之前判决出现错误，会影响之后数据判决的正确性；因此，需要选择合适的检测顺序。由于信噪比大的数据检测正确概率较大，将所有数据按照信噪比由高到低进行排序。第k层接收信噪比为[6]：

(6)

范数最小的列对应的数据信噪比最大。

算法迭代过程如下：

令i=1，Gi=GMMSE，ri=r。

(5) 更新加权矩阵Gi+1，Gi+1为Gi去掉第k行的矩阵。

(6)i=i+1，循环迭代，直至所有数据检测结束。

3 检测算法的仿真

本节分别对多天线数据链系统中串行干扰抵消的MIMO检测算法进行了仿真，考虑4×4的MIMO系统，即数据链端机发射端和接收端各有4根天线，调试方式为四相相移键控(QPSK)。信道采用瑞利平坦衰落信道，信道矩阵中各数值为零均值单位方差复高斯随机变量，接收端每根天线上的噪声为零均值独立分布的随机变量。

从图2可以看出，串行干扰抵消的MIMO检测算法随着信噪比的提高，误码率越低。在信噪比较高时，串行干扰抵消的MIMO检测算法比MMSE检测算法性能提高了5 dB以上。因此，该信号检测算法可以从多个子信道中抵消信号和噪声的干扰，恢复出原数据。

图2 串行干扰消除的信号检测算法

但是该检测算法需要对信道进行估计，信号检测的性能依赖于信道估计矩阵的准确性；同时，串行干扰抵消的MIMO检测算法较以前单天线信号检测算法实现复杂，会带来额外的处理开销，处理时延增加。实际工程使用中，需要权衡误码性能、处理时延以及处理开销等。

4 结束语

本文将MIMO技术引入至数据链端机设计中，给出了多天线数据链端机的系统模型。该系统模型使用了MIMO空间复用技术，将数据分层后，通过不同的天线发送出去，经过独立的子信道衰落后，经理论分析，提升了数据链系统的系统容量。然后给出了基于串行干扰抵消的MIMO检测算法，该算法在MMSE检测算法基础上增加判决反馈，逐层检测出发送的MIMO数据。仿真结果证明，基于串行干扰抵消的MIMO检测算法，利用接收信号中的有用信息，能够抵消不同子信道中的干扰和噪声，检测出发送数据，从而提高数据链系统的信道容量，提升数据链系统作战性能。