MIMO大作業(yè)_通信工程學院

1、MIMO系統(tǒng)與OFDM傳輸技術大作業(yè)V-BLAST的ZF和MMSE檢測算法比較姓名： 學號： 學院： 通信工程學院 摘要1第一章 MIMO分析11.1 MIMO簡介11.2 MIMO系統(tǒng)的原理框圖11.3 MIMO技術的分類2第二章 BLAST32.1 BLAST簡介32.2 用于仿真的MIMO信號模型32.3分層空時結構42.4空時迭代接收機52.5 ZF接收機52.6 MMSE接收機6第三章 算法仿真83.1 部分算法仿真程序（具體見附件）83.2 仿真結果93.3 仿真結果分析9參考文獻10摘要摘要：MIMO 系統(tǒng)的基本思想是在發(fā)射端與接收端同時使用多跟天線傳輸數(shù)據(jù)，分層空時碼（BLAS

2、T）是貝爾實驗室提出的一種基于多發(fā)多收傳輸方式的空時碼系統(tǒng)。不斷增加的數(shù)據(jù)業(yè)務需求給無線通信提出了新的挑戰(zhàn)，這時MIMO成為公認的有效解決途徑。與傳統(tǒng)的通信系統(tǒng)一樣，MIMO也存在有效性與可靠性的矛盾，即分集增益與復用增益之間的沖突。前者主要是提高鏈路的可靠性，追求分集增益的最大化；而后者是追求數(shù)據(jù)量的最大化，目的在于提高系統(tǒng)容量。MIMO系統(tǒng)中最為典型的例子就是VBLAST結構，本文對VBLAST系統(tǒng)進行仿真，分別使用迫零法(ZF)和最小均方誤差法(MMSE)兩種檢測算法，并對兩者的性能進行比較。由于最小均方誤差接收機同迫零接收機相比，以最小均方誤差為準則，同時考慮了噪聲和干擾，平衡了干擾和

3、噪聲增強，使總的誤差最小，因此性能優(yōu)于迫零接收機。關鍵詞：MIMO，VBLAST，ZF算法，MMSE第一章 MIMO分析1.1 MIMO簡介MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)技術指在發(fā)射端和接收端分別使用多個發(fā)射天線和接收天線，使信號通過發(fā)射端與接收端的多個天線傳送和接收，從而改善通信質(zhì)量。它能充分利用空間資源，通過多個天線實現(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。MIMO系統(tǒng)是一項運用于802.11n的核心技術。802.11n是IEEE繼802.11bag后全新的無線局域網(wǎng)技術，速度可達600Mb

4、ps。同時，專有MIMO技術可改進已有802.11a/b/g網(wǎng)絡的性能。該技術最早是由Marconi于1908年提出的，它利用多天線來抑制信道衰落。根據(jù)收發(fā)兩端天線數(shù)量，相對于普通的SISO(Single-Input Single-Output)系統(tǒng)，MIMO還可以包括SIMO(Single-Input Multi-ple-Output)系統(tǒng)和MISO(Multiple-Input Single-Output)系統(tǒng)。1.2 MIMO系統(tǒng)的原理框圖圖1.1 MIMO系統(tǒng)的原理框圖圖1.1是MIMO系統(tǒng)的一個原理框圖。發(fā)射端通過空時映射將要發(fā)送的數(shù)據(jù)信號映射到多根天線上發(fā)送出去，接收端將各根天線接

5、收到的信號進行空時譯碼從而恢復出發(fā)射端發(fā)送的數(shù)據(jù)信號。根據(jù)空時映射方法的不同，MIMO技術大致可以分為兩類：空間分集和空間復用?？臻g分集是指利用多根發(fā)送天線將具有相同信息的信號通過不同的路徑發(fā)送出去，同時在接收機端獲得同一個數(shù)據(jù)符號的多個獨立衰落的信號，從而獲得分集提高的接收可靠性。1.3 MIMO技術的分類MIMO技術大致可以分為兩類：發(fā)射/接收分集和空間復用。傳統(tǒng)的多天線被用來增加分集度從而克服信道MIMO 衰落。具有相同信息的信號通過不同的路徑被發(fā)送出去，在接收機端可以獲得數(shù)據(jù)符號多個獨立衰落的復制品，從而獲得更高的接收可靠性。對于發(fā)射分集技術來說，同樣是利用多條路徑的增益來提高系統(tǒng)的可

6、靠性，分集技術主要用來對抗信道衰落。根據(jù)子數(shù)據(jù)流與天線之間的對應關系，空間多路復用系統(tǒng)大致分為三種模式：D-BLAST、V-BLAST以及T-BLAST。第二章 BLAST2.1 BLAST簡介分層空時(BLAST)結構是無編碼MIMO系統(tǒng)的一個應用實例，基于零位操作和干擾消除法，已經(jīng)提出了各種BLAST檢測方法，進而得到了各種MIMO迭代接收機，諸如：空時ZF接收機； MMSE 空時接收機；最大似然ML 接收機等。其中前兩個為線性接收機，而空時ZF 接收機的性能最差，該接收機是最簡單的一種空時信號處理接收機，可得到寬帶ZF檢測算法，由于ZF接收機忽略了噪聲的存在，因此在實際上放大了噪聲，在存

7、在大量噪聲和ISI干擾時，性能不如MMSE接收機；由于MMSE接收機同ZF接收機相比，以MMSE 為準則，同時考慮了噪聲和干擾，平衡了干擾和噪聲增強，使總的誤差最小，因此性能優(yōu)于ZF接收機；最大似然接收機(ML)性能最好，但復雜度最高，復雜度和發(fā)射天線數(shù)成e 指數(shù)增長的關系；球形譯碼是近似最佳的BLAST檢測方法，其復雜度為發(fā)送天線數(shù)的立方。在編碼MIMO系統(tǒng)中，當作為硬判決的上述各種方案與外信道譯碼相級連時，其性能上將遭到巨大的損失，因此有些文獻提出了軟判決的球形譯碼算法，但是其復雜度卻大大增加了。 本文就上述的前兩種接收機，即空時ZF接收機和MMSE空時接收機進行設計仿真，并比較兩者的性能

8、。2.2 用于仿真的MIMO信號模型發(fā)射端通過空時映射將要發(fā)送的數(shù)據(jù)信號映射到多根天線上發(fā)送出去，接收端將各根天線接收到的信號進行空時譯碼從而恢復出發(fā)射端發(fā)送的數(shù)據(jù)信號。根據(jù)空時映射方法的不同，MIMO技術大致可以分為兩類：空間分集和空間復用。空間分集是指利用多根發(fā)送天線將具有相同信息的信號通過不同的路徑發(fā)送出去，同時在接收機端獲得同一個數(shù)據(jù)符號的多個獨立衰落的信號，從而獲得分集提高的接收可靠性。假設一個點對點的MIMO系統(tǒng)，發(fā)送端和接收端均采用多天線，發(fā)送端天線數(shù)為Tn，接收端天線數(shù)為Rn，這樣便構成了一個TnRn的MIMO系統(tǒng)（在本論文的研究中，均假設傳輸信道是瑞利平坦衰落型的）。針對該系

9、統(tǒng)結構可寫出系統(tǒng)的輸入輸出關系式為：r=Hx+n （1）假設每個符號周期系統(tǒng)發(fā)送的信號為nT維列矢量，即上式中的x為x=x1 x2.xnTT，其中第i個分量xi表示從第i個天線發(fā)送的信號；上式中的r=r1 r2 .rnrT，其中第j個分量rj表示第j個天線接收的信號；H為信道響應矩陣，可以表示為： H=h1,1h1,nThnR,1hnR,nR （2） 該信道響應矩陣中的每個元素hji表示從第i個發(fā)送天線到第j個接收天線的信道響應系數(shù)，且每個hji為0均值，1為方差的復高斯隨機變量；上式中的n=n1 n2 .nnRT，是接收噪聲矢量，且滿足EnnH=N0InR1。2.3分層空時結構 Foschi

10、ni提出的分層空時結構(BLAST)能夠?qū)崿F(xiàn)MIMO系統(tǒng)的最大容量，后來G.Golden等人提出了VBLAST算法，實際上VBLAST是DBLAST的簡化版。分層空時結構最大的優(yōu)點在于：允許采用一維的處理方法對多維空間信號進行處理，因此極大的降低了譯碼復雜度。一般情況下，分層空時碼的結構機復雜度與數(shù)據(jù)速率成線性關系。分層空時碼描述了空時多維信號的發(fā)送結構，就是其中最為簡單的一種，即未經(jīng)信道編碼分層空時碼。本仿真系統(tǒng)中系統(tǒng)的結構如圖2.1所示：圖2.1 本仿真系統(tǒng)中系統(tǒng)的結構圖上圖中，首先對信源產(chǎn)生的信息比特序列進行BPSK調(diào)制，調(diào)制符號經(jīng)串并變換后將其從nT個天線上發(fā)送出去，本仿真中的信道模型

11、為平坦瑞麗衰落的；接收端，首先將接收到的信號送入空時接收機中，其檢測算法分為ZF和MMSE兩種，譯碼的結果再進行BPSK解調(diào)、并串變換，得到恢復出的數(shù)據(jù)，將其與原始發(fā)送數(shù)據(jù)進行比較，計算錯誤的比特數(shù)，進而得出誤比特率BER。2.4空時迭代接收機在準靜態(tài)衰落信道下，接收機t時刻收到的信號矢量可以用下式來表示： rt=Hxt+nt （3）其中，xt為t時刻的發(fā)送信號，是nT1維列向量；rt為t時刻的接收信號，是nR1維列向量；nt為t時刻疊加在接收信號上的高斯白噪聲，是nR1 維列向量，且其每個元素都是均值為零，方差為2的相互獨立的正態(tài)分布隨機變量；H即為信道響應矩陣。2.5 ZF接收機從上面的式

12、子可以看出，接收矢量是所有發(fā)送天線信號的疊加，也就是說，每個接收天線上收到的信號都是有用信號與干擾信號的混疊。因此，我們可以利用迫零算法進行天線間的干擾抵消，從而進行信號檢測。而迫零算法的思想是：首先檢測某一層的發(fā)送信號，然后從其他層中抵消掉這一層信號造成的干擾，逐次迭代，最后完成整個信號矢量的檢測。在ZF 算法中，進行干擾抵消的順序?qū)τ谙到y(tǒng)性能有重要影響，我們引入整數(shù)序列集k1 k2knr ：該集合表示自然序數(shù)1 2.nT的某種排列。ZF 算法的迭代過程如下3：初始化：i=1 G1=H+ (H+為H的偽逆）迭代過程： ki=argminjk1 k2.ki-1Gij2 （4） Wki=(Gi)

13、ki （5） yki=Wkiri （6） （7） （8） Gi+1=Hki+ （9） i=i+1詳細描述上述迭代過程：（4）式即求矩陣中范數(shù)最小的行數(shù)，將其賦給ki； （5）式將矩陣Gi的第ki賦給Wki，得到檢測系數(shù)向量； （6）式將第ki個天線上的有用檢測信號計算出來； （7）式根據(jù)星座圖對待檢測信號進行硬判決；（8）式更新接收向量ri；（9）式更新矩陣G，其中HKI+表示將矩陣H的第ki列置零后再求其偽逆。從上述迭代過程可以看出，對于每一個時間點t，都要進行nT次迭代；而且整個檢測過程中沒有考慮噪聲的因素2。 2.6 MMSE接收機基于最小均方誤差算法我們可以得到另一種常用的VBLAST

14、迭代接收機，該算法的目標函數(shù)是最小化發(fā)送信號矢量xt與接收信號矢量WHrt的線性組合之間的均方誤差，即：argminEWGij2 (10)該式中，W是的線性組合系數(shù)矩陣。由于上述目標函數(shù)是凸函數(shù)，因此，可以求其梯度得到最優(yōu)解，這樣得到的MMSE檢測系數(shù)矩陣為：WH=HHH+2InR-1HH (11)類似于上述ZF 接收機，我們下面給出MMSE檢測算法的流程：初始化：i=nT rnT=rt迭代過程： WH=HHH+2InR-1HH (12)yi=WiHri (13) (14) (15)H=Hdi-1h1,1h1,i-1hnR,1hnR,i-1 (16)i=i-1詳細描述上述迭代過程： （12）式

15、求得MMSE檢測系數(shù)矩陣，其中2表示噪聲的方差； （13）式計算出第個接收天線上的有用檢測信號； （14）式根據(jù)星座圖對待檢測信號進行硬判決； （15）式更新接收向量ri； （16）式更新矩陣H，即僅取原矩陣的前i-1列； （17）式僅在i2時進行。從上述的迭代過程看出，與ZF 算法一樣，MMSE算法在每一個時間點t也都需要進行nT次迭代；與ZF算法不同的是，MMSE算法考慮了噪聲的因素3。第三章 算法仿真3.1 部分算法仿真程序（具體見附件）仿真參數(shù)設置：tx為發(fā)射天線數(shù)目，rx為接收天線數(shù)目，通過把不同的值賦給tx，rx改變MIMO的發(fā)射與接收形式，本次仿真采用2X2的系統(tǒng)。數(shù)據(jù)幀長為10

16、000，調(diào)制形式為BPSK。 tx=2;rx=2;L=10000;Modulation=BPSK;% 信源AA=randint(tx*L,1);% 經(jīng)過BPSK調(diào)制的V-Blast發(fā)射矩陣XX=zeros(tx,L);for k=1:txX(k,:)=(-1).(A(k:tx:end)+1);End% 信道傳輸，快衰落高斯信道H H=sqrt(1/2)*(randn(rx,tx,L); % 均值為0方差為1的高斯白噪聲n n=sqrt(1/2)*(randn(rx,L); % 未疊加噪聲的接收信號R R=zeros(rx,L); for k=1:L R(:,k)=sqrt(1/tx)*H(:,

17、:,k)*X(:,k);end 3.2 仿真結果3.3 仿真結果分析從仿真結果可以看出MMSE算法具有比ZF算法的變化趨勢基本一致，這一點可以從兩者的加權矩陣可以看出，MMSE算法考慮了噪聲的影響，如果把方差取為零，那它的加權矩陣就和ZF算法一樣，故從這一點出發(fā)，ZF算法是MMSE算法在無噪聲的情況下的特殊情形。并且MMSE算法具有更快的誤碼率下降速度的特性，這是因為ZF算法在計算過程中對系統(tǒng)中的噪聲起了放大作用，而MMSE算法把噪聲考慮在其最小化的代價函數(shù)中，因此MMSE算法具有更好的抗噪聲性能。參考文獻1 高展宏. V-BLAST的實現(xiàn)及其檢測J. 中國科技論文在線.2 鄭淦. MIMO信

18、道中V-BALST系統(tǒng)研究D. 天津: 天津大學, 2004.3 紀晴. VBLAST系統(tǒng)檢測算法的研究J. 中國科技論文在線.1 tx=2;rx=2;L=10000;2 Modulation=BPSK;3 EbN0=0:5:20;4 B=30000;Ts=1/24300;5 SNR=EbN0-10*log10(Ts*B);% 建立EbN0與SNR之間的換算關系6 A=randint(tx*L,1); % 信源A7 X=zeros(tx,L); % 經(jīng)過BPSK調(diào)制的V-Blast發(fā)射矩陣X8 for k=1:tx9 X(k,:)=(-1).(A(k:tx:end)+1);10 end11 % 信道傳輸= 12 H=sqrt(1/2)*(randn(rx,tx,L);% 快衰落高斯信道H13 n=sqrt(1/2)*(randn(rx,L); % 均值為0方差為1的高斯白噪聲n14 R=zeros(rx,L); % 未疊加噪聲的接收信號R15 for k=1:L16 R(:,k)=sqrt(1/tx)*H(:,:,k)*