1、本科毕业论文（20 届）MIMO 的线性检测技术所在学院 专业班级 通信工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 摘 要随着移动通信用户数量的不断增加，人们对通信的传输速率和性能提出了越来越高的要求。多输入多输出（MIMO）系统在不需要额外增加系统带宽和功率的前提下，可以显著的提高通信系统的传输速率和性能，因而满足当代无线移动通信的需要。在 MIMO 无线通信系统中，接收端检测技术则是其最为关键的基本处理技术之一，尤其是其中复杂度低而性能好的线性检测最受人们欢迎。本文主要分析了 MIMO 的线性和非线性检测技术，对 MIMO 系统基本检测算法进行了讨论，主要讨论了 VBLAST
2、系统中的几种检测方式：破零准则、最小均方误差准和最大似然比准则的检测算法，并通过 Matlab 仿真对上述算法的性能和复杂度进行了比较。论文首先阐述了 MIMO 系统现阶段的研究成果，并且介绍了 MIMO 系统中的三中编码方式：空时分组编码、空时格状编码和空时分层码。在第三章当中主要介绍了空时分层编码并对 V-BLAST 系统进行了阐述，主要针对检测复杂度和精准度对比了 V-BLAST 检测系统中迫零、最小均方和最大似然比准则的误码率随着信噪比的变化，以及针对其中一个检测方法在不同的调制方法下，不同的天线相关性下误码率随信噪比的变化。最后分析了根据不同因素得出的不同结果的原因。关键词：检测；M
3、IMO;V-BLAST；性能；误码率；2 2ASTACTWith the increasing number of mobile users, people of communication transmission rate and performance of higher and higher demands are proposed. Multiple input multiple output (MIMO) systems without requiring additional system under the premise of bandwidth and power, can
4、 significantly improve the transmission rate and the performance of communication system, and thus meet the needs of the modern wireless mobile communication. In MIMO wireless communication systems, the receiver detection technology is one of the basic processing technology of the most critical, esp
5、ecially with low complexity and good performance of the most popular linear detection. This paper mainly analyses the linear and nonlinear MIMO detection technology, discussed the basic detection algorithm for MIMO system, the paper discussed the several testing methods of the VBLAST system: break t
6、he rule of zero, the minimum mean square error and maximum likelihood ratio detection algorithm of the standard, and through Matlab simulation compares the performance and complexity of the algorithms. Paper first elaborated the research achievements of MIMO system at the present stage, and introduc
7、es the MIMO system in 3 encoding: space-time block coding and space-time trellis coding and space-time layered codes. In the third chapter mainly introduces the layered space-time coding and explains the V - BLAST system, mainly aimed at the detection complexity and precision compared the V - BLAST
8、test system of forced to zero, the minimum mean square and the maximum likelihood ratio criterion of bit error rate as the change of SNR, and one of the detection method under different modulation method, the error rate under different antenna correlation with the change of signal to noise ratio. Fi
9、nally analyzes the reasons for different results according to different factors. Keywords:detection；MIMO；V-BLAST；performance;BNR;3 3目 录MIMO 的线性检测技术 .6第一章绪论 .61.1 课题研究的背景及意义 .61.2 MIMO 系统两大技术特征：空间分集与空间复用 .71.3 MIMO 检测技术的研究现状 .81.4 本文论文安排 .9第二章 MIMO 系统基本理论 .102.1 无线衰落信道特性 .102.2 MIMO 系统 .102.3 空时编码技术
10、.112.3.1 空时分组编码 .112.3.2 空时格状编码 .132.3.3 分层空时编码技术 .142.4 本章小结 .15第三章 V-BLAST 系统和几种检测技术 .153.1 V-BLAST 系统 .153.2 最大似然检测算法 .163.3 MIMO 的线性检测技术 .173.3.1 迫零检测技术 .173.3.2 最小均方误差检测技术 .183.3.3 OSIC 信号检测 .193.4 本章小节 .19第四章 MIMO 信号检测技术及实验结果分析 .194.1 ZF-OSIC 和 MMSE-OSIC 算法原理及比 .194.1.1 ZF-OSIC.204.1.2 MMSE-OS
11、IC.204.1.3 ZF-OSIC 和 MMSE-OSIC 的误符号率比较 .214.1.4 MMSE-OSIC 和 ZF-OSIC 检测的差异分析 .224.2 基于不同调制方式的线性检测性能比较 .224.3 在天线相关性不同时 MIMO 检测性能比较 .234.4 ML 检测算法和 MMSE-OSIC 检测算法的仿真结果 .244.5 本章小结 .25结论 .264 4MIMO 的线性检测技术第一章绪论1.1 课题研究的背景及意义人类开始使用无线通信的历史可以追溯到很久以前，但一直到 19 世纪末期，人们都是采用比较简单的方式来进行信息间的传输。然而经过一个世纪人们不断地探索和开发，无
12、线通信突破了有线通信在物理上的限制，经历了从模拟通信到数字通信，从频分多址到码分多址的巨大变化。而现代移动通信技术于 1920 年开始发展。但直到 1970 年后移动通信技术才进入快速发展时期。1978 年底美国 BELL 实验室研制成功先进移动电话系统，建成了蜂窝状模拟移动通信，进而提高了通信系统的容量。从那时起诞生发展到至今，总共经历了四代。而在 2020 年以后第五代移动网络也将投入运营，现在我们回顾一下前四代通信系统。第一代通信系统出现于 20 世纪 80 年代早期，采用频分多址和模拟技术，其语音信号的调制方式为模拟调制。1985 年以后，数字移动通信系统进入鼎盛时期，但是由于其制式太
13、多、频谱利用率低、互不兼容、业务种类有限、通话质量低、保密安全性能差、 、不能提供数据业务与自动漫游、设备成本高、体积大等弊端，全球移动通信系统（GSM）应运而生。1990 年代，美国 Qualcomn 公司提出了窄带码分多址蜂窝移动通信技术，这是移动通信系统中具有重要意义的事件。第二代（2G ）移动通信被定义为只具有通话和一些如时间日期等传送的业务手机通信技术。它的调制对象还是语音信号，但其主特点是提供数字化的话音业务及低速数据业务。 。但随着人们对通信业务范围和业务速率要求的不断提高，已有的第二代移动通信网将很难满足新的业务需求，为了适应新的市场需求额， ，第三代（3G ）无线网络把蜂窝网
14、络和 PCM 业务综合在一个统一的网络。第四代移动通信系统在 3G 的基础上融合了 WLAN，这样能够快速传输数据、高质量、音频、视频和图像等。4G 与 3G 的差别不仅体现在丰富了第三代通信系统的业务上，而且 4G 在功能上、频带上都与第三代系统有着很大的差别。随着移动通信技术的广泛应用高速无线数据传输的需求日益增多，在多种新技术中，MIMO 系统被认为是最有前景的研究方向。MIMO 系统最早由 Marconi 于 1908 年提出的，指在发射端和接收端设置多个天线从而达到改变接受信号质量的目的。然而无线信道的一个典型特征就是多径传播，多径衰落会引起衰落现象。多径衰落对信息的传输造成了严重的
15、影响。5 5在衰落信道中，信号也会随之受到噪声的影响，当信号的功率明显的下降时，误比特率将会大幅度上升。可在无线信道中引起非加性的信号扰动，使信号大幅度被干扰，通常被视为有害因素。而 MIMO 系统在发送端和接收端均采用多天线矩阵，因此在 MIMO 系统中多径可被视为有利因素“变废为宝” ，大大减少了噪声的干扰。MIMO 复用系统通过多路传输，将信息分成多个子流经空时编码后输出，大大提高了系统的容量，传输速率成倍的提高，增加了频带利用率，使空间成为一种可以用于提高性能的资源，因此得到越来越多人的关注，成为了新一代移动通信最具有发展前景的研究方向。1.2 MIMO 系统两大技术特征：空间分集与空
16、间复用从 1995 年开始 Taylor 推出多天线高斯信道容量，1996 年 Foschini 提出贝尔分层时空码，1998 年 Tarokh 提出空时编码以来直至 2014 年底，IEEE 数据已经收录了 MIMO 领域中论文数千篇，各领域已争相研发 MIMO 系统。MIMO 系统技术特征可分为两类来分别提高信道容量和接收信息可靠性。第一类是分集最大化即空时编码。空时编码是 MIMO 技术中简单独特的传输分集技术。在此我们主要讨论接收和发送天线的分集。在接收天线分集中，假设传送信息来自同一个信息源，接收端接收同一个传送信号的多个复制信号。如果在两个天线对之间的信号传输路径的衰落是独立的，也
17、就是说，当其中一个路径处于衰落时，其他的路径不一定也会出现同样的深衰落。因此，在其中一个路径当中，某段信号功率的损失将由来其与其他路径的与之相同的信号弥补上。这就像一列士兵，在打仗中一个士兵倒下了，另一个早已经准备好接替他的位置。随着士兵的增多，队伍的稳固性也跟着增强。分集也是如此，随着分集系数的增多，信号对抗衰落的效果就越好。分集系数相当于被描述成独立路径的个数，如果接收天线数量趋近于无穷大时，分集系数也趋于无穷大。这就相当于信号没有了加性高斯白噪声（AGWN）的影响，因此可提高了接收信号的正确判决，大大提高整个 MIMO 系统的可靠性。第二类是空间复用增益，也是本文主要讨论的对象。空间复用
18、增益在相同带宽和没有附加功率的情况下提供了一个线性的传送接收天线对或者说为最小的分集系数来提高传输空间容量。空间复用增益主要是在发射端将发射数据经过串并变换分成 M 路数据，在每个码元周期内各数据分为多个独立的子流，每个子流经星座映射后从相应天线发射出去，在接收端通过迫零检测或者最小均方误差检测还原出接收的信息，这样可以提高频谱利用率，提高空间传送的容量。空间复用增益也可以说为分层时空码，即 V-BLAST、D-BLAST 、T-BLAST。在这里我们以两发两收的 MIMO 系统为例进行说明。首先可以将一个比特流分成两个半比特流经调制后同时从两个天线传输出去。接收端通过检测算法后6 6将这两个
19、独立的子流还原并结合在一起来还原初始的天线发送的信息。这个概念又叫 MIMO-MU。在这个例子当中，两个用户端同时发送各自的信息到拥有两天线的基站。基站将两信号进行隔离然后然后通过空间滤波器传送这两个信号，这样每个用户端就可以准确的对其相对应的信号进行译码。这样信道容量就随着传输端的天线和用户端的数量增加而成比例的增加。如果我们单方面的追求分集增益或者空间复用，MIMO 系统的优势都不能很好的被发挥出来。因为分集增益和空间复用是相矛盾的两个方面。如果达到这两个因素中其中一个最好的状态都以牺牲另一方为代价。因此，在 MIMO 系统当中，根据不同的目标要求，提出基于分集增益与分集复用的更好地这种的
20、传输方案和检测算法，充分利用这两个特征的优势提出一种折中的检测研究算发。1.3 MIMO 检测技术的研究现状MIMO 检测就是对通过系统矩阵后的接收端的信息进行检测，相对于对传统的单发单收系统（SISO）的检测不同，MIMO 检测需要对多个独立发送天线发送的相同频率的信息进行分离检测，因而相比较传统检测方法，其检测的复杂度会变得更高。因此，相对于传统的 SISO 系统为了可以更好的突出多发多收系统的优势，如何设计 MIMO 的检测方法成为了 MIMO 系统中的核心问题。检测算法的复杂度和精准度一直是两个相斥的方面，通常复杂度低的检测算法检测结果精准度相对较低，而准确度高的算法确在硬件平台很难实
21、现，所以，现在研究致力于在复杂度和准确度之间找到折中的最优的检测方法。现在针对的 V-BLAST 系统检测方法主要是在准静态平稳衰落环境下的。主要分为线性检测和非线性检测。在线性检测中，迫零检测（ZF）算法拥有较低的复杂度，但是只有在信噪比比较高的情况下其检测性能才比较准确，而且迫零算法在抑制干扰的同时也会对信息造成影响并对噪声有一定的放大，对系统的性能造成影响，基于此给出的改进方法为最小均方误差即 MMSE，有效的抑制了噪声放大的问题，并且通过判决反馈减去其他天线噪声的干扰，进行干扰抵消算法。干扰抵消算法是对线性算法的改进算法，在线性检测的算法基础上进行迭代，一般在接收端中采用串行干扰消除技
22、术，通常先将发送符号按照接收的信噪比进行排序，然后对信噪比最高的符号进行估计，最后从总的接收信号中消除该符号的影响，然后检测下一个。按照接收天线每层检测时候用到的算法可以分为基于迫零准则的排序串行干扰消除（Zero Forcing-Ordered Successive Interference Cancellation ,ZF-OSIC）算法和基于最小均方误差准则(Minimum Mean Squared Error-Ordered Successive Interference Cancellation ,MMSE-OSIC)算法。这个迭代检测也是本文7 7在对线性检测进行仿真时候主要使用的
23、方法。ZF-OSIC，就是最初始的 V-BLAST 算法，这个算法和 ZF 算法比较在性能方面有了一定的提升，但是对比 ML 还是有很大一部分差距。而在算法复杂度和性能方面，MMSE-OSIC 在复杂度没有很明显提高的情况下性能也有了一定的改善。在非线性检测中最大似然检测方法（ML） ，通过在码字空间进行遍历式的搜索方式获得检测信号。在相同的信噪比情况下，最大似然检测方法相对 ZF 和MMSE 可以获得更低的误比特率。但是其复杂度和发收天线数目的最小值和调制阶数的成正比，随之增加而增加，因而比较难实现。MIMO 系统的检测算法仍然是未来研究的重点，怎样在降低算法复杂度的同时又实现高性能的检测是
24、我们致力于达到的目标。为了将 VBLAST 技术从室内扩展到室外，所以应多加考虑 MIMO 在无线信道中的传播环境多方面影响因素。1.4 本文论文安排结合 MIMO 的研究背景和现状，本文主要研究 MIMO 系统的检测技术。论文主要包括以下几个方面：论文在第一章介绍了无线移动通信的发展背景，然后阐述了 MIMO 检测技术的研究前景，介绍了 MIMO 的两大技术特征：空间复用和分集增益。并着重介绍了其中的 VBLAST 系统的线性检测算法和非线性检测算法。第二章先简要介绍一下无线电衰落信道，并讲述 MIMO 系统如何克服衰落信道中的多径传播对其造成的干扰。然后分类介绍了 MIMO 系统中三个主要
25、的编码方式即：空时分组编码（Space-Time Block Coding） 、空时格状编码（Space-Time Trellis Codes）和分层时空码（Layered Space-Time Codes） 。介绍了其系统模型和编码原理。第三章针对分层时空码中的 V-BLAST 系统进行了深入研究，讲述了其系统模型。叙述了 V-BLAST 系统中的几种线性检测技术即：迫零检测和最小均方误差检测的原理和线性检测技术的迭代算法即 OSIC 算法的原理。非线性检测技术中最大似然检测技术的基本原理。第四章对上述所述的检测技术进行了 Matlab 仿真，对比了 ZF-OSIC 和MMSE-OSIC 的
26、检测性能，并且分析了在基于不同调制方式和天线相关性不同的情况下线性检测性能的变化。最后又对比了线性检测和非线性检测性能差异。最后对实验的结果进行了分析。8 8第二章 MIMO 系统基本理论2.1 无线衰落信道特性无线衰落信道主要分为大尺度衰落和小尺度衰落。大尺度衰落通常发生在移动设备通过比较长的传输距离时。信号中的路径损耗和体积较大的障碍物的阴影会引起大尺度衰落。而其中的阴影衰落是慢衰落过程，收发机之间的中等路径损耗的波动特性通常由阴影衰落描述。小尺度衰落，就是在较短周期内的衰落，为移动台在移动距离比较小时，接收信号的快速波动。当多个路径的信号，经过变相后，到达接收天线时会引起干涉，就是同相位
27、相长干涉，反相位相消干涉。不仅如此，每一路的信号都有可能发生变化。而在本章干扰 MIMO 传输信息的主要是小尺度衰落中的多径传播。2.2 MIMO 系统在原来的天线系统当中，只有基站拥有多路天线，因为在基站中提供多余的费用和空间比在使用终端提供更加方便。从移动端到基站的上行链路可被视为单收多发系统，即 SIMO。从基站传输信息到移动端的下行链路称为 MISO,即多收单发系统， 。天线分集和波束成型技术能被应用于单发多收系统（SIMO）和多发单收系统（MISO）系统 。而现在由于更加先进的硬件技术和在高速数据率无线通信中使用设备的尺寸大小更方便携带，例如平板电脑等，因此MIMO 系统在收发两端都
28、可采用多路天线来传输信号。发送端将发送的信息经过编码、调制后，然后分成多个平行的比特流，经过星映射后到 个传输天线，N接收端的 个天线对信息进行接收然后并对接收到的信息进行复原。如图 2.1M所示： 图 2.1MIMO系统原理模型图空时处理xmx2x1检测处 理r2r3rnr1多径信道9 9在此图中，发送矩阵是 的列矩阵 ， 为每一列的元素，各信息从对1*MSi应天线 发射出去。在本次毕业设计中，采用的是高斯信道，这样 矩阵中每列i S天线都被认为是独立同分布的高斯变量。 为信道矩阵，是一个 的复合HNM*矩阵， 表示由第 个发送天线到第 个接收天线的衰减系数。那么 MIMO 系hji, ji
29、统中输入信号和输出信号的表达式为：（2.1）vvxrhj其中 是 M 个发射天线发送信号的列向量， 代表 个加性高,.21Tmxv1*N斯白噪声， 是 N 维接收列向量。nr和传统的分集技术不同，他更好的利用了多路径在不占用多余无线电频谱或者不增加发送功率的基础上提高了无线系统的容量。2.3 空时编码技术采用空时编码技术可是 MIMO 系统的容量在一定程度上大大提高，该技术，在空间上采用多发多收天线系统来获取空间分集增益，在时间上，通过同一天线在不同周期内发射不同的信号而建立起来的空域和时域的相关性，从而使接收端可以采取分级处理。这样在不浪费多余功率和不使用多余带宽的同时，可以减小误码率，提高传送效率。在这里我们主要采取三种编码方式即 STBC 编码，STTC 编码和 LST 编码。2.3.1 空时分组编码STBC 编码是 MIMO 系统中简单但是却不乏独特的分集技术。在这里主要讨论 Alamouti 空时编码。如图 2.2 所示:图 2.2 Alamouti 空时编码信息首先选择 M 进制的调制方案，然后编码器将两块调制符号 s1 和 s2 在对应译码器进行译码然后将调制后的符号送到传送天线中 S：S= (2.2)s21*
