MIMO系统检测算法仿真设计

MIMO系统检测算法仿真

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目录

摘要----------------------------------------- 3

一、MIMO系统简介------------------------------------- 4

二、MIMO系统容量分析--------------------------------- 5

三、MIMO多用户系统检测技术--------------------------- 8

3.1多用户检测技术原理---------------------------- 8

3.2 V-BLAST的迫零检测---------------------------- 9

3.3 ZF-SIC算法----------------------------------- 9

3.4 MMSE算法------------------------------------ 10

3.5 MMSE-SIC算法-------------------------------- 11

3.6 最大似然(ML)检测算法------------------------ 11

四、仿真结果---------------------------------------- 12

五、分析与总结-------------------------------------- 13

六、参考文献---------------------------------------- 15

七、附录-------------------------------------------- 16

摘要

关于如何在有限的频谱资源上实现高速率和大容量是未来移动通信系统的关键因素之一。MIMO技术利用多个天线实现多发多收,充分开发空间资源,可以成倍地提高信道容量,同时也可以提高信道的可靠性,降低误码率。多用户检测技术与MIMO结合可以进一步提高传输效率,提高系统性能。

报告首先介绍了MIMO系统以及多用户检测理论,然后着重解释了BLAST系统中一类垂直分层空时码的检测算法,依据信号模型,分析推导了基于迫零准则和最小均方误差准则的估计算法,并在此基础上采用了以上算法与判决反馈及最佳排序思想结合的方法,使系统的误码率性能得到了提高。此外，还进行了最大似然算法的仿真。最后通过仿真实验比较了各种算法的性能和特点,结果表明分层空时码用于无线通信具有极大优势。

一、MIMO系统简介

多输入多输出(MIIMO,Multiple-Input Multiple-Output)技术最早由Marconi于1908年提出的,是利用多天线来抵御信道衰落。可以简单定义为:在一个任意的无线系统中,链路的发端和收端都使用多天线,也包括单入多出系统和多入单出系统。MIMO的核心思想是:将发送端的信号分开而将接收端天线的信号合并,使每个MIMO用户的传输质量——比特误码率(BER)或数据速率得到改进,提高网络服务质量。MIMO技术可以把多径效应作为有利因素来加以利用,在不增加带宽的情况下成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率。在理想情况下,MIMO系统的信道容量随发送天线个数和接收天线个数的最小值线性增加,从而提供目前其他技术无法达到的容量潜力。多天线发送和接收技术是空间分集与时间分集技术的结合,有很好的抗干扰能力,如果能进一步将多天线发送和接收技术与信道编码技术结合,就可以更大程度地提高系统性能。

MIMO技术领域另一个研究热点就是空时编码。常见的空时码有分层空时码、空时网格码、空时分组码。空时码的主要思想是利用空间和时间上的编码实现一定的空间分集和时间分集,从而降低信道误码率。MIMO无线通信技术采用空时处理技术进行信号处理,在多径环境下,无线MIMO系统可以极大地提高频谱利用率,增加系统的数据传输速率。

MIMO技术利用多个天线实现多发多收,充分开发空间资源,可以

成倍地提高信道容量,同时也可以提高信道的可靠性,降低误码率。多用户检测技术与MIMO结合可以进一步提高传输效率。但是在MIMO系统多用户检测的研究上,尽管全空间最大似然(ML)检测能获取最优的检测性能,但由于其算法复杂度太高,一直无法实际应用,于是研究复杂度较低,性能接近ML的多用户检测算法具有重要意义,MMSE算法,ZF算法,以及对两者进行改进的MMSE-SIC算法和ZF-SIC算法。二、MIMO系统容量分析

假定一个点对点MIMO系统有M r个发射天线、M R个接收天线。集中于用离散时间描述的复基带线性系统模型,系统框图如图2-1所示。用M r×1列矩阵s表示每个符号周期内的发射信号,其中第i个元素s i表示第i根天线发射的信号。

图2-1 MIMO系统框图

对于高斯信道,按照信息论可知,发射信号的最佳分布也应该是

高斯分布的。

因此,s 的元素是零均值独立同分布的高斯变量。发射信号的协方差矩阵为:

ss R {}H E SS = (2-1)

{}E •代表均值；S 表示矩阵的复共扼转置矩阵。不管发射天线数是多少,总的发射功率限制为P 。如果信道在发射端未知,则假定从各个天线发射的信号都有相等的功率/T P M 。这样,发射信号的协方差矩

阵为:

r

ss M T P R I M = (2-2) 由于发射信号的带宽足够窄,因此可以认为它的频率响应是平坦的。换句话说,假定信道是无记忆的。

用R T M M ⨯的复矩阵H 描述信道。ji h 表示矩阵H 的第ji 个元素,

代表从第i 根发射天线到第j 根接收天线之间的信道衰落系数。为了规范,假定R M 根接收天线中每一根天线的接收功率都等于总的发射

功率。这种假定,实际上忽略了信号传播过程中的信号衰减和放大,包括阴影、天线增益。于是得到了具有确定参数的信道矩阵H 中的各元素的规范限定,如下式所示:

21,1,2,...,r M ji T R i h

M j M ===∑ (2-3)

当信道矩阵元素为随机变量时,规范就是对上述表达式取期望值。 假定己知接收端信道矩阵,但发射端不确定,那么可以通过向接收端发射训练序列来估计信道矩阵,然后再通过可靠的反馈信道将估计的