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MIMO系统与OFDM传输技术大作业V-BLAST的ZF和MMSE检测算法比较姓名：学号：学院：通信工程学院摘要.......................................................................................................................................1第一章MIMO分析..................................................................................................................11.1MIMO简介......................................................................................................................11.2MIMO系统的原理框图..................................................................................................11.3MIMO技术的分类..........................................................................................................2第二章BLAST...........................................................................................................................32.1BLAST简介......................................................................................................................32.2用于仿真的MIMO信号模型........................................................................................32.3分层空时结构.................................................................................................................42.4空时迭代接收机.............................................................................................................52.5ZF接收机........................................................................................................................52.6MMSE接收机.................................................................................................................6第三章算法仿真.....................................................................................................................83.1部分算法仿真程序（具体见附件）............................................................................83.2仿真结果........................................................................................................................93.3仿真结果分析................................................................................................................9参考文献.................................................................................................................................10VBLAST的ZF算法与MMSE算法检测性能的比较摘要摘要：MIMO系统的基本思想是在发射端与接收端同时使用多跟天线传输数据，分层空时码（BLAST）是贝尔实验室提出的一种基于多发多收传输方式的空时码系统。不断增加的数据业务需求给无线通信提出了新的挑战，这时MIMO成为公认的有效解决途径。与传统的通信系统一样，MIMO也存在有效性与可靠性的矛盾，即分集增益与复用增益之间的冲突。前者主要是提高链路的可靠性，追求分集增益的最大化；而后者是追求数据量的最大化，目的在于提高系统容量。MIMO系统中最为典型的例子就是VBLAST结构，本文对VBLAST系统进行仿真，分别使用迫零法(ZF)和最小均方误差法(MMSE)两种检测算法，并对两者的性能进行比较。由于最小均方误差接收机同迫零接收机相比，以最小均方误差为准则，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，因此性能优于迫零接收机。关键词：MIMO，VBLAST，ZF算法，MMSEVBLAST的ZF算法与MMSE算法检测性能的比较1第一章MIMO分析1.1MIMO简介MIMO(Multiple-InputMultiple-Output)技术指在发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线，使信号通过发射端与接收端的多个天线传送和接收，从而改善通信质量。它能充分利用空间资源，通过多个天线实现多发多收，在不增加频谱资源和天线发射功率的情况下，可以成倍的提高系统信道容量，显示出明显的优势。MIMO系统是一项运用于802.11n的核心技术。802.11n是IEEE继802.11b\a\g后全新的无线局域网技术，速度可达600Mbps。同时，专有MIMO技术可改进已有802.11a/b/g网络的性能。该技术最早是由Marconi于1908年提出的，它利用多天线来抑制信道衰落。根据收发两端天线数量，相对于普通的SISO(Single-InputSingle-Output)系统，MIMO还可以包括SIMO(Single-InputMulti-ple-Output)系统和MISO(Multiple-InputSingle-Output)系统。1.2MIMO系统的原理框图图1.1MIMO系统的原理框图图1.1是MIMO系统的一个原理框图。发射端通过空时映射将要发送的数据信号映射到多根天线上发送出去，接收端将各根天线接收到的信号进行空时译码从而恢复出发射端发送的数据信号。根据空时映射方法的不同，MIMO技术大致可以分为两类：空间分集和空间复用。空间分集是指利用多根发送天线将具有相同信息的信号通过不同的路径发送出去，同时在接收机端获得同一个数据符号的多个独立衰落的信号，从而获得分集提高的接收可靠性。VBLAST的ZF算法与MMSE算法检测性能的比较21.3MIMO技术的分类MIMO技术大致可以分为两类：发射/接收分集和空间复用。传统的多天线被用来增加分集度从而克服信道MIMO衰落。具有相同信息的信号通过不同的路径被发送出去，在接收机端可以获得数据符号多个独立衰落的复制品，从而获得更高的接收可靠性。对于发射分集技术来说，同样是利用多条路径的增益来提高系统的可靠性，分集技术主要用来对抗信道衰落。根据子数据流与天线之间的对应关系，空间多路复用系统大致分为三种模式：D-BLAST、V-BLAST以及T-BLAST。VBLAST的ZF算法与MMSE算法检测性能的比较3第二章BLAST2.1BLAST简介分层空时(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，已经提出了各种BLAST检测方法，进而得到了各种MIMO迭代接收机，诸如：空时ZF接收机；MMSE空时接收机；最大似然ML接收机等。其中前两个为线性接收机，而空时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e指数增长的关系；球形译码是近似最佳的BLAST检测方法，其复杂度为发送天线数的立方。在编码MIMO系统中，当作为硬判决的上述各种方案与外信道译码相级连时，其性能上将遭到巨大的损失，因此有些文献提出了软判决的球形译码算法，但是其复杂度却大大增加了。本文就上述的前两种接收机，即空时ZF接收机和MMSE空时接收机进行设计仿真，并比较两者的性能。2.2用于仿真的MIMO信号模型发射端通过空时映射将要发送的数据信号映射到多根天线上发送出去，接收端将各根天线接收到的信号进行空时译码从而恢复出发射端发送的数据信号。根据空时映射方法的不同，MIMO技术大致可以分为两类：空间分集和空间复用。空间分集是指利用多根发送天线将具有相同信息的信号通过不同的路径发送出去，同时在接收机端获得同一个数据符号的多个独立衰落的信号，从而获得分集提高的接收可靠性。假设一个点对点的MIMO系统，发送端和接收端均采用多天线，发送端天线数为𝑇𝑛，接收端天线数为𝑅𝑛，这样便构成了一个𝑇𝑛×𝑅𝑛的MIMO系统（在本论文的研究中，均假设传输信道是瑞利平坦衰落型的）。针对该系统结构可写出系统的输入输出关系式为：r=Hx+n（1）假设每个符号周期系统发送的信号为𝑛𝑇维列矢量，即上式中的x为VBLAST的ZF算法与MMSE算法检测性能的比较4x=[𝑥1𝑥2…..𝑥𝑛𝑇]𝑇，其中第i个分量𝑥𝑖表示从第i个天线发送的信号；上式中的r=[𝑟1𝑟2….𝑟𝑛𝑟]𝑇，其中第j个分量𝑟𝑗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：𝐻=[ℎ1,1⋯ℎ1,𝑛𝑇⋮⋱⋮ℎ𝑛𝑅,1⋯ℎ𝑛𝑅,𝑛𝑅]（2）该信道响应矩阵中的每个元素ℎ𝑗𝑖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，且每个ℎ𝑗𝑖为0均值，1为方差的复高斯随机变量；上式中的n=[𝑛1𝑛2…..𝑛𝑛𝑅]𝑇，是接收噪声矢量，且满足E(n𝑛𝐻)=𝑁0𝐼𝑛𝑅[1]。2.3分层空时结构Foschini提出的分层空时结构(BLAST)能够实现MIMO系统的最大容量，后来G.Golden等人提出了VBLAST算法，实际上VBLAST是DBLAST的简化版。分层空时结构最大的优点在于：允许采用一维的处理方法对多维空间信号进行处理，因此极大的降低了译码复杂度。一般情况下，分层空时码的结构机复杂度与数据速率成线性关系。分层空时码描述了空时多维信号的发送结构，就是其中最为简单的一种，即未经信道编码分层空时码。本仿真系统中系统的结构如图2.1所示：BPSK调制S/PZF