5G MIMO无线通信系统技术检测研究*

汪 黎

（湖南省邮电规划设计院有限公司，湖南 长沙 410126）

0 引 言

MIMO技术具有诸多优势，如扩展系统容量、提升传输效率等。5G网络时代中如何提升MIMO技术优势意义重大。当前，MIMO无线通信系统所运用的最大似然检测算法、邻域搜索检测算法等过于复杂，无法满足大规模MIMO系统性能要求。本文分析如何优化改进MIMO系统传统算法，提出了改进式邻域搜索检测算法和ZF-SIC/MMSE-SIC算法。

1 大规模MIMO系统

MIMO系统的发射天线与MIMO系统的接收天线不同，无线通道获取信息的方式可以增加天线数量或者提高天线自由度[1]，因此提高了可靠性的频谱利用和能源效率。接收器拥有大量的天线元件（通常有几十个甚至数百个），同时设备有多个接收器。除了传统的接收系统外，大规模MIMO系统还可以大大提高卫星通信的效率。此外，在大型MIMO系统中，噪声和快速清扫的影响以及简单的线性前缀和检测方法，可以减少对区域的干扰[2]。MIMO大型ESC系统的交通控制算法MAC层，可通过合理使用多个用户和引入多个输出入口简化这一程序。在多用户MIMO系统中，基地站向单用户发送信号的过程中，会保持时间与频率资源的一致性，所以可以使大容量5G成为候选MIMO网络[3]。

2 MIMO系统模型

MIMO系统工作原理如图1所示。

图1 MIMO系统工作原理

由图1可知，数据信息流在发送端利用空时编码进行处理，由多根天线发出，处理后的数据信息流会在接收端利用空时译码转换成为原始信息[4]。MIMO系统中，设定天线配置为T×R，即发射天线数为T、接收天线数为R，符号公式为：

式中，xi（i=1,2,…,T）代表第 i根发射天线发送的符号。

信号通过T根发射天线向外输送信号，并通过无线通道被接收端R根接收天线接收，接收端接收符号可表示为：

式中，xj（j=1,2,…,R）代表第 j根接收天线接收的符号。

由此，构建MIMO系统数学模型为：

式中，n=[n1,n2,…,xR]T代表加性复高斯白噪声向量。其中，nj（j=1,2,…,R）代表接收端j根天线噪声，nj服从 CN（0,σ2）[5]。

3 MIMO系统常见检测算法

3.1 ML检测算法

ML检测算法为理论上的最优检测算法。ML检测算法针对全部方案及全部可能解进行对比提取，最终输出所有解中的最优解，所有理论上算法最优。但是，ML算法在求解过程中，工作量与发射天线数、调制阶数成指数关系，现实中难以应用实现[6]。

3.2 MF检测算法

MF检测算法为一种简化线性检测算法，算法原理是接收符号向量×H的共轭装置=检测符号[7]。因为检测多天线系统天线数据的过程中，MF算法会视非目标天线数据为噪声，从而降低算法复杂度，易于实现。然而，伴随系统天线数目的加大，天线间干扰影响日益加剧，造成检测性能大幅度下降[8]。

3.3 ZF检测算法

ZF检测算法通过接收信号与信道矩阵计算得到迫零向量。假设x为估计值，ZF需满足f（x）=||y-最小[9]。

若使f（x）达到最小值，则x需满足：

ZF检测算法不仅会消除信号干扰，还会导致噪声加大，因此算法虽然复杂度低，但不具备良好的检测性能[10]。

4 SCMA技术

4.1 SCMA技术定义

移动通信发展过程中，从1G系统开始应用正交多址接入方式，如图2所示。

图2 多址技术演变革新过程

随着网络发展，4G网络已无法满足业务需求，所以5G网络应运而生。5G网络时代下，关键技术演变成非正交多址接入方式[11]。SCMA技术的基本原理：信息比特在发送端映射为星座符号，之后通过系数扩频获取到频域多维码字在同一资源块上完成不同码字的非正交叠加。因为不同用户码字会表现出稀疏特性，接收端处可采取多用户联合检测算法。该种算法运行复杂度较低，可以实现用户比特信息的重构[12]。

4.2 SCMA技术特征

所有用户数据在SCMA系统中按照非正交方式叠加，技术特征表现如下。第一，扩频分集增益。编码环节中，SCMA技术采取扩频方式，不同码字会对应多种不同频率资源，所以在传输时可有效分集频率。该特征能避免信道衰落造成的传输效率下降问题[13]。第二，高维调制增益。旋转原有M-PSK或M-QAM达到一定角度，转换为高维而加大欧氏距离，从而加大用户解调性。第三，高频谱效率。传统正交多址技术会将频率、码字等通过正交划分，以区别接入用户，其数目由正交资源数。SCMA技术可实现多用户复用，提高系统的接入用户数目，因此具有高频谱效率。第四，便于接收机实现。SCMA码本设计非常独特，接收端可利用联合检测算法处理稀疏的码字。接收机设计便捷，且方便实现[14]。

4.3 SCMA系统检测算法

因为接入用户数比可用资源数大，用户数据只能通过非正交方式进行混叠，因此实现过程中如何正确解离用户信息非常重要。因为SCMA技术出现时间尚短，所以当前成熟的检测算法仅有两种。第一种为ML检测算法，上文已有介绍，不再赘述；第二种为MPA检测算法，即消息传递检测算法，是当前应用较为普遍的一种算法。MPA算法以因子图模型为基础，用户节点同资源节点间进行消息的周期性传递，通过多用户联合迭代，消息传递概率必然会达到收敛状态，最终输出最大概率符号。MPA算法通过不同用户码本稀疏性降低运算复杂度，且可有效避免出现“短四环”问题，因此具备良好的检测性能[15]。

5 MIMO-SCMA系统检测算法研究

5.1 改进式领域搜索检测算法

SCMA编码器会将比特信息转化为复数码字，数学中可将该物理过程转变为线性变换矩阵，即可把SCMA模型转变为MIMO模型。详细推导过程如下。

而线性变换矩阵可表示为：

式中，y∈CRK×1代表接收符号向量，∈CRK×TJ代表信道矩阵，S∈CTJ×1代表发送符号向量。值得注意的是，MIMO系统中接收天线数量会小于发射天线数量。

在MIMO-SCMA系统中，定义初始解邻域空间为邻居集合向量中仅存在一个和初始解不同的符号，如图3所示。

图3 MIMO-SCMA系统邻域集合定义

领域搜索算法操作程序如下：

（1）利用ZF-MPA、NMSE-MPA算法计算得到初始解。

（2）等效转换MIMO-SCMA模型为MIMO模型。

（3）执行领域搜索算法。定义初始解为当前解，确定邻域空间集合，通过ML算法找到领域空间集合最优解。若最优解付出代价小于当前解付出代价，进入下一次循环；相反，则终止循环，或超出循环上限值的情况下，也会终止循环并输出当前解。

可将并行搜索方式引入MIMO-SCMA系统，改进邻域搜索算法，操作程序如下：

（1）利用ZF-MPA、NMSE-MPA算法计算得到初始解。

（2）等效转换MIMO-SCMA模型为MIMO模型。

（3）执行邻域搜索M算法。定义初始解，确定邻域空间集合，通过ML算法找到领域空间集合中前m个最优解，并对应设置成m个初始解，定义为当前解。对m个初始解展开邻域搜索，对m个当前解得到n个最优邻域解，之后在m×n邻域解中找到m个最优解作为当前最优解进入下一次循环，依次进行迭代重复操作。相邻迭代中，若前次迭代代价集合值小于当前迭代集合值，则终止系统循环，并输出前次迭代解集合。同样，当循环次数大于循环上限值时，系统循环终止，并输出当前迭代解集合。最后，从输出迭代解集合中找到最小ML代价的解，并确定最终最优解，舍弃其他m-1个解。

因为邻域搜索所使用的搜索方式为并行式，尽管不会使算法最终解为局部最优解，但是会大大增加计算量与存储空间。针对此问题，引入门价值的方式降低复杂度。改进算法操作流程如下：

（1）利用ZF-MPA、NMSE-MPA算法计算得到初始解。

（2）计算初始解ML代价，如果该值处于设定门限条件范围内，那么代表初始解可靠，直接输出初始解作为最终最优解；如果该值并不在门限条件范围内，需要执行下一步。

（3）执行邻域搜索M算法。定义初始解，确定邻域空间集合，通过ML算法找到领域空间集合中前m个最优解，并对应设置成m个初始解，定义为当前解。对m个初始解展开邻域搜索，对m个当前解得到n个最优邻域解，之后在m×n邻域解中找到m个最优解作为当前最优解进入到下一次循环，依次进行迭代重复操作。相邻迭代中，若前次迭代代价集合值小于当前迭代集合值，则终止系统循环，并输出前次迭代解集合。同样，当循环次数大于循环上限值时，系统循环终止，并输出当前迭代解集合。最后，从输出迭代解集合中找到最小ML代价的解确定为最终最优解，舍弃其他m-1个解。

5.2 MRC-SO-SIC算法

MRC-SO-SIC算法有效结合了MRC算法和V-BLAST算法，既可实现对连续干扰的有效消除，又可有效降低计算复杂度，适合应用于MIMO-SCMA模型。在此仅考虑理想信道状态下，设天线数量为M根，单天线用户数量为K，则接收信号可表示为：

则线性信号检测器中估计信号可表示为：

式中，W代表线性检测器矩阵，Q代表量化器。按照欧式距离把量化器星座点映射至与其距离最小的信号点上，则M个SINR值可表示为：

则有MRC线性信号检测矩阵为WMRC=G，ZF线性信号检测矩阵为WZF=G（GHG）-1。

MRC-SO-SIC算法仅需要进行一次排序，同时在每层应用MRC算法做信号检测。在此可以按照线性信号检测器矩阵列向量进行排序，则有因为MRC不会涉及到矩阵逆运算，所以相比于NMSE-SIC算法或ZF-SIC算法，MRC-SO-SIC算法运算复杂度明显降低。操作流程如图4所示。

图4 MRC-SO-SIC算法流程

6 结 语

从移动通信发展趋势来看，5G技术是未来网络系统发展的方向，其研究重点必然是移动互联网的发展趋势和人们的高速通信，但在推广技术和使用网络系统方面还存在许多问题。因此，必须要优化改进5G MIMO无线通信系统算法，保证系统的工作效率。