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1、MIMO系统与OFDM传输技术作业V-BLAST系统检测算法研究学号：1301120325姓名：郝欣1.引言MIMO系统能够提高无线通信系统的频谱效率，尤其能提高散射环境下的信道容量，是一种提高无线通信业务中多媒体业务的有效技术。Foschini提出的空时发射方案是一种比较简单的MIMO结构贝尔实验室空时分层结构中的垂直结构（V-BLAST）由于它的编译码都较容易实现，因此受到广泛的重视。分层空时（BLAST）结构是无编码MIMO系统的一个应用实例，基于零位操作和干扰消除法己经提出了各种BLAST检测方法，进而得到了几种MIMO迭代接收机，：（1）ZF接收机；（2）MMSE接收机；（3）ML接
2、收机等。其中（1）（2）为线性接收机，而ZF接收机的性能最差，该接收机是最简单的一种空时信号处理接收机，可得到宽带ZF检测算法，由于ZF接收机忽略了噪声的存在，因此在实际上放大了噪声，在存在大量噪声和ISI干扰时，性能不如MMSE接收机；由于MMSE接收机同ZF接收机相比，以MMSE为准则，同时考虑了噪声和干扰，平衡了干扰和噪声增强，使总的误差最小，因此性能优于ZF接收机；最大似然接收机（ML）性能最好，但复杂度最高，复杂度和发射天线数成指数增长的关系。本文就上述的前两种接收机，即ZF接收机和MMSE接收机进行设计仿真，并比较两者的性能。2系统模型2.1 MIMO信号模型采用平坦衰落的MIMO
3、信道模型，即假设点到点的MIMO系统，具有个发射天线和个接收天线，系统的结构如图1所示：图1 MIMO系统结构图针对该系统结构可写出系统的输入输出关系式为： （1）假设每个符号周期系统发送的信号为维列矢量，即上式中的x为，其中第i个分量,表示从第i个天线发送的信号；上式中的，其中第j个分量表示第j个天线接收的信号；H为信道响应矩阵，可以表示为： （2）该信道响应矩阵中的每个元素表示从第i个发送天线到第j个接收天线的信道响应系数，且为均值为0，方差为1的复高斯随机变量；上式中的是接收噪声矢量，且满足。2.2 V-BLAST系统模型分层空时码描述了空时多维信号的发送结构，V-BLAST就是其中最为
4、简单的一种，即未经信道编码分层空时码。V-BLAST系统的结构如图2所示：图2 V-BLAST系统结构图上图中，首先对信源产生的信息比特序列进行QPSK调制，调制符号经串并变换后将其从个天线上发送出去，本仿真中的信道模型为平坦瑞利衰落信道；接收端，首先将接收到的信号送入空时接收机中，其检测算法分为ZF和MMSE两种，译码的结果再进行QPSK解调、并串变换，得到恢复出的数据，将其与原始发送数据进行比较，计算错误的比特数，进而得出误比特率BER。3空时迭代接收机在准静态衰落信道下，接收机t时刻收到的信号矢量可以用下式来表示： （3）其中，为t时刻的发送信号，是维列向量；为t时刻的接收信号，是维列向
5、量；为t时刻叠加在接收信号上的高斯白噪声，是维列向量，且其每个元素都是均值为零，方差为的相互独立的正态分布随机变量；H即为信道响应矩阵。3.1 ZF-VBLAST接收机从上面的式子可以看出，接收矢量是所有发送天线信号的叠加，也就是说，每个接收天线上收到的信号都是有用信号与干扰信号的混叠。因此，我们可以利用ZF算法进行天线间的干扰抵消，从而进行信号检测。而ZF算法的思想是：首先检测某一层的发送信号，然后从其他层中抵消掉这一层信号造成的干扰，逐次迭代，最后完成整个信号矢量的检测。 在ZF算法中，进行干扰抵消的顺序对于系统性能有重要影响，我们引入整数序列集合：，该集合表示自然序数的某种排列。ZF算法
6、的迭代过程如下：初始化： 迭代过程： （4） （5） （6） （7） （8） （9）从上述迭代过程可以看出，对于每一个时间点t，都要进行次迭代；而且，整个检测过程中没有考虑噪声的因素。3.2 MMSE-VBLAST接收机基于最小均方误差算法我们可以得到另一种常用的V-BLAST迭代接收机，该算法的目标函数是最小化发送信号矢量与接收信号矢量的线性组合之间的均方误差，即： （10）该式中，是的线性组合系数矩阵。由于上述目标函数是凸函数，因此，可以求其梯度得到最优解，这样得到的MMSE检测系数矩阵伪： （11）MMSE算法的迭代过程：初始化： 迭代过程： （12） （13） （14） （15） （1
7、6）从上述的迭代过程可以看出，与ZF算法一样，MMSE算法在每一个时间点t，也都需要进行次迭代；与ZF算法不同的是，MMSE算法考虑了噪声的因素，因此其性能也就优于ZF算法。4.仿真结果及分析本文仿真了瑞利慢衰落信道下，天线采用，采用了BPSK调制情况下，传输比特数为10000，相关系数分别为0和0.6时，V-BLAST系统分别采用ZF算法检测和MMSE算法检测的误码率性能随着信噪比变化的比较。图3 相关系数为0时采用ZF算法和MMSE算法检测的性能比较图4 相关系数为0.6时采用ZF算法和MMSE算法检测的性能比较 从上图可以看出，MMSE算法的性能明显优于ZF算法，该结果验证了本文前面对这两种算法的性能分析。
