基于matlab的mimo系統(tǒng)預(yù)編碼性能仿真

1、-. z摘要在現(xiàn)今的移動(dòng)通信系統(tǒng)中，被極多的國(guó)際通信標(biāo)準(zhǔn)采納為根底性關(guān)鍵技術(shù)的一種方法是多輸入多輸出的技術(shù)Multiple-Input Multiple-Output，MIMO。無(wú)線傳輸?shù)募夹g(shù)是應(yīng)用多項(xiàng)發(fā)射以及屢次接收天線來(lái)進(jìn)展。應(yīng)用MIMO技術(shù)的情形下，就算是系統(tǒng)帶寬和傳輸功率沒(méi)有增加，仍然是能夠顯著的增長(zhǎng)無(wú)線信道容量，它的增長(zhǎng)往往是成倍得，譬如4G LTE技術(shù)。通過(guò)使用MIMO信道而增加的空間復(fù)用增益可以改善傳輸效率，其帶來(lái)的空間分集增益也可以增加傳輸?shù)目煽慷?。這兩種增益的提高分別可以通過(guò)改變收發(fā)天線數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。提高通信質(zhì)量是需要MIMO技術(shù)在接收端和發(fā)送端配置很多的天線，然后使信號(hào)經(jīng)過(guò)多個(gè)

2、接收和發(fā)送端。本篇主要探索的是空間復(fù)用MIMO系統(tǒng)的線性預(yù)編碼及信號(hào)檢測(cè)方法。在發(fā)射端通過(guò)對(duì)傳輸信號(hào)進(jìn)展預(yù)編碼操作，不僅可以有效抑制干擾，還可以簡(jiǎn)化接收機(jī)數(shù)據(jù)解調(diào)的計(jì)算復(fù)雜度。同時(shí)對(duì)線性信號(hào)檢測(cè)與預(yù)編碼技術(shù)方法進(jìn)展了分別的詳細(xì)說(shuō)明。想要驗(yàn)明一下MIMO系統(tǒng)預(yù)編碼的性能，借助MATLAB這個(gè)軟件進(jìn)展驗(yàn)證確定仿真。結(jié)果說(shuō)明，在其他的前提一樣的情形下，以最小均方誤差為基準(zhǔn)的MMSE算法比簡(jiǎn)單的線性檢測(cè)算法ZF算法，所得誤差更小，噪比的變大而減小導(dǎo)致系統(tǒng)傳輸?shù)每煽砍潭葧?huì)跟著變化。關(guān)鍵詞：MIMO 信號(hào)檢測(cè) 預(yù)編碼 MATLABABSTRACTIn mobile munication system, m

3、ulti input multi output technology (Multiple-Output Multiple-Input, MIMO) is a technology that uses multiple transmit and multiple receive antennas for wireless transmission. MIMO technology can not increase the system bandwidth and transmission power, and e*ponentially improve the capacity of wirel

4、ess channel, which has been adopted by many international munication standards as the basic key technologies, such as LTE 4G system. This technology can achieve the transmission efficiency and transmission reliability by changing the number of transmit and receive antennas, that is, the spatial mult

5、iple*ing gain and the spatial diversity gain of MIMO channel are used to improve the transmission efficiency.MIMO technology need to configure multiple antennas at the receiver and transmitter, and then make the signal through a number of receiving and sending end, in order to improve the quality of

6、 munication. This paper mainly studies the spatial multiple*ing MIMO system precoding and signal detection technology. At the transmitter, it can not only effectively suppress the interference, but also simplify the putation ple*ity of the receiver data demodulation. In this paper, the linear signal

7、 detection and pre coding technology are introduced and discussed in detail. In order to verify the performance of the MIMO system, the simulation was carried out with the aid of MATLAB puter software. The results show that, under the same conditions, the MMSE algorithm has better performance than t

8、he ZF algorithm, and the transmission reliability of the system is gradually reduced with the increase of the signal to noise ratio.Keywords: MIMO; signal detection; precoding; MATLAB目錄TOC o 1-3 h u HYPERLINK l _Toc450393138摘要 PAGEREF _Toc450393138 h - 1 -HYPERLINK l _Toc450393139ABSTRACT PAGEREF _T

9、oc450393139 h - 2 -HYPERLINK l _Toc450393140目錄 PAGEREF _Toc450393140 h - 3 -HYPERLINK l _Toc450393141第一章緒論 PAGEREF _Toc450393141 h - 3 -HYPERLINK l _Toc4503931421.1 研究背景 PAGEREF _Toc450393142 h - 3 -HYPERLINK l _Toc4503931431.2 研究現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc450393143 h - 4 -HYPERLINK l _Toc4503931441.3 研究?jī)?nèi)容 PAGE

10、REF _Toc450393144 h - 7 -HYPERLINK l _Toc450393145第二章 MIMO系統(tǒng)信號(hào)檢測(cè)算法 PAGEREF _Toc450393145 h - 8 -HYPERLINK l _Toc4503931462.1 MIMO系統(tǒng)簡(jiǎn)介 PAGEREF _Toc450393146 h - 8 -HYPERLINK l _Toc4503931472.2 無(wú)線信道及數(shù)學(xué)模型 PAGEREF _Toc450393147 h - 9 -HYPERLINK l _Toc4503931482. 3 MIMO信道容量 PAGEREF _Toc450393148 h - 11 -

11、HYPERLINK l _Toc4503931492.4 MIMO檢測(cè)算法 PAGEREF _Toc450393149 h - 13 -HYPERLINK l _Toc4503931502.5本章小節(jié) PAGEREF _Toc450393150 h - 16 -HYPERLINK l _Toc450393151第三章 MIMO預(yù)編碼技術(shù)研究 PAGEREF _Toc450393151 h - 16 -HYPERLINK l _Toc4503931523.1 系統(tǒng)模型 PAGEREF _Toc450393152 h - 16 -HYPERLINK l _Toc4503931533.2 ZF預(yù)編碼

12、 PAGEREF _Toc450393153 h - 17 -HYPERLINK l _Toc4503931543.3 MMSE預(yù)編碼 PAGEREF _Toc450393154 h - 18 -HYPERLINK l _Toc4503931553.4本章小節(jié) PAGEREF _Toc450393155 h - 19 -HYPERLINK l _Toc450393156第四章 MIMO預(yù)編碼算法仿真 PAGEREF _Toc450393156 h - 19 -HYPERLINK l _Toc4503931574.2MTALAB簡(jiǎn)介 PAGEREF _Toc450393157 h - 19 -H

13、YPERLINK l _Toc4503931584.2仿真結(jié)果分析 PAGEREF _Toc450393158 h - 20 -HYPERLINK l _Toc4503931594.3本章小結(jié) PAGEREF _Toc450393159 h - 24 -HYPERLINK l _Toc450393160第五章總結(jié) PAGEREF _Toc450393160 h - 25 -HYPERLINK l _Toc450393161參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc450393161 h - 26 -HYPERLINK l _Toc450393162致 PAGEREF _Toc450393162 h -

14、 28 -HYPERLINK l _Toc450393163附錄 PAGEREF _Toc450393163 h - 29 -第一章 緒論1.1 研究背景自二十世紀(jì)八十年，計(jì)算機(jī)技術(shù)和通訊技術(shù)在社會(huì)的各個(gè)方面都獲得了巨大的開(kāi)展。由這個(gè)現(xiàn)象可以看出社會(huì)已經(jīng)邁入了信息時(shí)代。無(wú)線通訊技術(shù)如今變成了最受歡送且最具有潛力得技藝。該技術(shù)如今遍布性很廣，幾乎每個(gè)地方都離不開(kāi)它，也是如今最熱門(mén)的技術(shù)。隨著無(wú)線通信技術(shù)愈來(lái)愈快的開(kāi)展，該技術(shù)也逐步趨于成熟，人們對(duì)于該技術(shù)的要求也高于以往。在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，MIMO被稱(chēng)為應(yīng)用非單一的發(fā)出和承受天線進(jìn)展的無(wú)線傳輸技術(shù)。我們知道MIMO通道信號(hào)的空間重復(fù)利用增益，使得

15、該系統(tǒng)增加信道容量，進(jìn)而改善空間分集增益能夠加強(qiáng)的信道傳送的堅(jiān)實(shí)水平。此技術(shù)可以通過(guò)改變收發(fā)天線數(shù)，來(lái)實(shí)現(xiàn)這種增益的提高。因而MIMO對(duì)于LTE系統(tǒng)中是一項(xiàng)很關(guān)鍵的技術(shù)。在無(wú)線通信中，更快的傳輸速率是如今需要解決的主要問(wèn)題，也就是需要減少頻譜帶寬和發(fā)射功率。而如今頻譜帶寬還有發(fā)射功率已經(jīng)接近了飽和，所以依靠消耗頻譜帶寬和發(fā)射功率來(lái)提高傳輸速率是不可行的。此時(shí)，一種新的無(wú)需消耗這兩種資源就能提高數(shù)據(jù)傳輸速率的技術(shù)方法進(jìn)入研究范圍，成為了如今世界通信領(lǐng)域中強(qiáng)聚焦的熱點(diǎn):MIMO無(wú)線通信技術(shù)。在新的無(wú)線移動(dòng)通訊系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)之初，系統(tǒng)性能的主要要求就是提升所有用戶(hù)的數(shù)據(jù)傳輸速率。在LTE系統(tǒng)中，LT

16、E Release8在20MHz帶寬內(nèi)的上行的目標(biāo)峰值到達(dá)了100Mit/s，其下行目標(biāo)峰值到達(dá)了50Mbit/s，而作為在4G系統(tǒng)中的LTE-Advanced，其對(duì)于數(shù)字的速度要求進(jìn)一步增加，它是想要將數(shù)據(jù)傳輸速率在速度較低的情況下峰值速率為1Gbit/s，在高速移動(dòng)情況下，為100Mbit/s。 MIMO空間重復(fù)利用技術(shù)從本質(zhì)上講，其實(shí)是把單一的速度高的數(shù)據(jù)流變換為假設(shè)干個(gè)速度較低的數(shù)據(jù)流，進(jìn)而使這些低速數(shù)據(jù)流通過(guò)獨(dú)立的編碼調(diào)制與發(fā)射，由于無(wú)線通信中得多徑傳播效應(yīng)達(dá)得存在，通過(guò)它可以使得加快數(shù)據(jù)傳遞速率和頻譜利用效率。以此為根底的理想狀況下，空間復(fù)用技術(shù)無(wú)需再附加另外的帶寬資源和天線發(fā)射功

17、率，就能夠到達(dá)用增加天線的數(shù)量來(lái)增加系統(tǒng)的容量以及速率的目的，而且這種增長(zhǎng)關(guān)系是*種線性關(guān)系。但是應(yīng)用MIMO 空間復(fù)用技術(shù)將傳輸速率提高的，同時(shí)帶來(lái)了數(shù)據(jù)流之間相互干擾的問(wèn)題，這就意味著在信號(hào)檢測(cè)中，空間復(fù)用場(chǎng)景的難度大于發(fā)射分集等其他場(chǎng)景。1.2 研究現(xiàn)狀移動(dòng)通信在1987年正式開(kāi)啟了商業(yè)用途的大門(mén)，經(jīng)過(guò)近三十年的開(kāi)展至今全球用戶(hù)已突破40億。但是受限于頻譜資源的并非是無(wú)窮無(wú)盡的，導(dǎo)致我們不能自由地使用帶寬?；谶@種情形，擁有高效的頻譜利用率的MIMO系統(tǒng)，迅速進(jìn)入了大家的視野，并產(chǎn)生了較大的影響。早些時(shí)期，Winters就與空間分集和系統(tǒng)容量產(chǎn)生很多興趣而且研究了它們得關(guān)系，在Winte

18、rs 后，Telater和Foschini對(duì)MIMO對(duì)信道的容納數(shù)量進(jìn)展探索，他們的探索結(jié)果都為MIMO無(wú)線通信中的信息論理局部打下了根基。在BLAST試驗(yàn)的結(jié)果中，證明了在發(fā)送端還有接收端是能夠同時(shí)讓多根天線進(jìn)展傳輸?shù)?，并且能讓信道容量增大，還是在不需其它頻譜帶寬的情況下。這些研究成果都激起了人們研究這項(xiàng)技術(shù)的興趣。如圖1.1的理念是單用戶(hù)MIMO系統(tǒng)模型，當(dāng)使用數(shù)量是的發(fā)射天線和數(shù)量是的接收天線，則該系統(tǒng)能夠產(chǎn)生種傳輸模式，MIMO系統(tǒng)的容量也就會(huì)得到極大的增加，根本上是成線性增加，與此同時(shí)系統(tǒng)帶寬的利用率也會(huì)上升，功率當(dāng)然也會(huì)有較大增加，從而產(chǎn)生對(duì)干擾信道。 圖1. 1單用戶(hù)MIMO系統(tǒng)

19、模型 隨著MIMO研究的深入 ，如圖1.2所示，人們發(fā)現(xiàn)了無(wú)線通信系統(tǒng)的上行鏈路也可采用多址接入(MAC)，在這樣的系統(tǒng)中，不管多少數(shù)目的多用戶(hù)通信系統(tǒng)都是一個(gè)典型的例子，把用戶(hù)作為發(fā)射機(jī)，把基站當(dāng)做接收機(jī)。基站會(huì)恢復(fù)每個(gè)用戶(hù)發(fā)射的信號(hào)，而且在時(shí)間和頻率一樣的情況下進(jìn)展傳輸，到達(dá)節(jié)省資源的目的。圖1. 2多址接入信道的MIMO系統(tǒng)模型圖1.3是播送信道(BC)在無(wú)線通信下行鏈路的運(yùn)用，特點(diǎn)是中心發(fā)出和分散式承受。多用戶(hù)的通信系統(tǒng)采用的就是這種系統(tǒng)，其發(fā)射端為*一基站，接收端是不同的用戶(hù)，這些用戶(hù)并非在同一地點(diǎn)而是分布于各個(gè)地方，但必須是天線可以覆蓋的地方。圖1.3播送信道的MIMO系統(tǒng)模型上述

20、的三種信道存在著各自不同的要求:單一用戶(hù)信道要求發(fā)射與接收機(jī)兩者間的完全協(xié)作;相比擬而言MAC信道與BC信道中分別要求各接收機(jī)之間或各發(fā)射機(jī)之間互相協(xié)作就可以了。 為了使通信質(zhì)量變高，通常會(huì)安裝多元陣列，采用各種方法使得系統(tǒng)克制或者降低無(wú)線信道對(duì)其的影響，主要獲得空間復(fù)用和空間分集這兩方面的性能增益。 為了改善通信鏈路的可靠性，通常都會(huì)使用空間分集的方法。目前應(yīng)用較多得增益方式是波束形成與空時(shí)編碼這兩種。分集增益可以用于量化分集的性能?？臻g分集增益為: (1-1)式中和分別為發(fā)射天線數(shù)和接收天線數(shù)?？臻g分集提高，不能在提高可靠性的同時(shí)增加頻譜的效率，所以就提出了一種新的MIMO技術(shù)空間復(fù)用。這

21、種情況下，所有的收發(fā)天線之間可以產(chǎn)生不同的且相互無(wú)關(guān)的路徑增益，這是多個(gè)并行的子信道可以連通的前提，再進(jìn)一步假設(shè)，如果這些子信道相互之間傳輸?shù)男畔⒘魇遣灰粯拥?，則就可以大大增加數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾?12 。最大復(fù)用增益如下: (1-2)其中和分別表示的是發(fā)出天線數(shù)量和承受天線數(shù)。由上述分析可以得知，分集增益在MIMO系統(tǒng)中與空間增益是不一樣的。所以在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際需求，求得兩者之間的最優(yōu)解決方法。1.3 研究?jī)?nèi)容 我們已經(jīng)知道，空間復(fù)用MIMO系統(tǒng)是能夠增加系統(tǒng)容量的。但是在如圖1.3的播送信道中，因?yàn)楦饔脩?hù)的基站覆蓋范圍是不一樣的，不協(xié)作接收基站信號(hào)，而且接收到的信號(hào)有干擾，也不可以

22、用檢測(cè)的方法來(lái)減少用戶(hù)之間的干擾。因此為了消除上述的不利影響，可以使用預(yù)編碼技術(shù)。 傳統(tǒng)的方法是在接收端添加用來(lái)均衡的均衡濾波器，目的是為了消除失真，減小信道產(chǎn)生的噪聲。因?yàn)樵诮邮斩说眯诺榔胶夂妥赃m應(yīng)平衡，使得接收濾波器的設(shè)計(jì)難度系數(shù)增大。在上行的鏈路根底上，基站是接收機(jī)處理得復(fù)雜度主要集中點(diǎn)。但是，在下行鏈路中移動(dòng)臺(tái)的接收端的處理會(huì)讓其更加的雜亂也會(huì)使本錢(qián)增高?，F(xiàn)在人們的生活節(jié)奏快于以前，所以如果使得移動(dòng)設(shè)備變得更加復(fù)雜是不可能被大家承受的，并且硬件水平也是有限制的，所以使用接收濾波器是不明智的?；谶@個(gè)要求，學(xué)者們認(rèn)為在發(fā)射端進(jìn)展改良而不改變接收端的復(fù)雜度是唯一選擇，由此而產(chǎn)生了一種新的技

23、術(shù)預(yù)編碼。由其產(chǎn)生的背景可知，簡(jiǎn)化接收端是這種新技術(shù)的最大優(yōu)勢(shì)。預(yù)編碼技術(shù)是這么一種技術(shù)，它可以在發(fā)射段進(jìn)展一系列的改變并在接收機(jī)段進(jìn)展檢測(cè)判決。 線性與非線性預(yù)編碼技術(shù)是MIMO預(yù)編碼技術(shù)的倆很重要的方法，其中的線性預(yù)編碼技術(shù)是本文得主要研究?jī)?nèi)容，在線性預(yù)編碼中有非常常見(jiàn)的不尋常值別離，它使信道進(jìn)展分解，使其成為平的的子信道，而且在發(fā)出端運(yùn)用注水技術(shù)使系統(tǒng)能夠到最大得容量。第二章 MIMO系統(tǒng)信號(hào)檢測(cè)算法2.1 MIMO系統(tǒng)簡(jiǎn)介 無(wú)線電波是無(wú)線通信的主要實(shí)現(xiàn)手段，所以通信的質(zhì)量與性能受到先到的影響。我們知道無(wú)線信道不是特定不變的，同時(shí)它具有不確定性，就是移動(dòng)臺(tái)進(jìn)展移動(dòng)時(shí)的速度也會(huì)影響信號(hào)質(zhì)量

24、，所以無(wú)線先到的分析具有很大的制約性。想要提高無(wú)線通信傳輸?shù)馁|(zhì)量就必須進(jìn)展仔細(xì)分析，現(xiàn)有的方法是進(jìn)展統(tǒng)計(jì)然后建模分析。MIMO就是說(shuō)的在發(fā)出端與承受端所用的發(fā)出與承受天線不是單一而是眾多。這樣做使信號(hào)從不止一個(gè)發(fā)射端天線發(fā)射出去，還能從接收端的多個(gè)天線接收到，通過(guò)這種方式使通信質(zhì)量得到大大提高。它通過(guò)有限的空間，但在大大提高空間利用率的情況下，使多個(gè)天線發(fā)出信號(hào)的同時(shí)又能使多個(gè)天線接收信號(hào)，這種技術(shù)不需要增加天線的發(fā)射功率，也不需要增加頻譜資源，但卻能夠使系統(tǒng)的信道容量得到大幅提升，說(shuō)明了無(wú)與倫比得優(yōu)越性，繼而成為新的移動(dòng)通迅的主要技藝。發(fā)射出的無(wú)線電，當(dāng)它碰到阻礙物時(shí)就會(huì)出現(xiàn)反射，原來(lái)得一份

25、信號(hào)就會(huì)變成多份。新形成的每一份信號(hào)都是獨(dú)立的空間流。與單輸入單輸出SISO系統(tǒng)相比，多輸入多輸出系統(tǒng)MIMO既可以讓不止一個(gè)天線發(fā)送空間流也可以讓不止一個(gè)天線接收空間流。與單輸入單輸出系統(tǒng)更加不同的是，它可以確定信號(hào)的發(fā)送方向以及所接收信號(hào)的來(lái)源方向。充分應(yīng)用MIMO 技術(shù)，有很多好處，它把空間變成一種資源用于自己提高性能，而且它使無(wú)線系統(tǒng)的覆蓋面積大大的增加了?？臻g相干:連接MIMO性能的重點(diǎn)是空間特性，不管是可靠性的分集指數(shù)和從有效性的并行子信道這兩者都與空間的個(gè)體性有著關(guān)密切得聯(lián)系，因?yàn)榭臻g的聯(lián)系，因而形成的低秩和低分集指數(shù)，這些都很大程度的障礙著MIMO的信道容量和誤碼機(jī)能?？臻g干擾

26、：最直接的影響了空時(shí)復(fù)用，在發(fā)射天線的性能可以恢復(fù)的情況下，發(fā)射天線系統(tǒng)中功率的信號(hào)空間分集。所以，保障系統(tǒng)性能的樞紐在于接收端的干擾消除算法。2.2 無(wú)線信道及數(shù)學(xué)模型我們知道傳遞信道具有相當(dāng)?shù)牟缓?jiǎn)單性，因此在無(wú)線通信中傳輸?shù)男盘?hào)穿越不同的介質(zhì)時(shí)會(huì)發(fā)生不止一次的反射、折射、散射和衍射，更深層次會(huì)出現(xiàn)陰影反響、多徑反響和多普勒反響，這些都會(huì)給信號(hào)伴隨許許多多各異的衰退落敗和延拓，使得信號(hào)不能正確的被接收。信號(hào)在空間轉(zhuǎn)移過(guò)程中能夠簡(jiǎn)單地歸結(jié)為兩類(lèi)不同的損害衰退落敗和延拓。 無(wú)線信號(hào)在轉(zhuǎn)移變化中會(huì)遭受各種無(wú)法防止損耗，這就是信道衰落。具體的變現(xiàn)是接收信號(hào)的電平會(huì)出現(xiàn)在均值周?chē)鸱兓默F(xiàn)象，并且可

27、以是在時(shí)間，空間或者頻率的不確定區(qū)域出現(xiàn)。而根據(jù)不同的特性信道衰落可以描述為兩種：快衰落和慢衰退落敗。所謂慢衰退落敗指的是信號(hào)電場(chǎng)強(qiáng)度在長(zhǎng)期內(nèi)的改變相當(dāng)緩慢通常與頻率的關(guān)系不大，陰暗的影子衰退落敗是一種很明顯的慢衰退落敗。由于電波的傳送過(guò)程中不會(huì)一帆風(fēng)順而會(huì)遇到各種不同的阻礙物，這就會(huì)產(chǎn)生電磁場(chǎng)陰影區(qū)。而移動(dòng)臺(tái)途經(jīng)這些陰暗的影子地帶會(huì)促使最中間的數(shù)值的增大或者減小。在收發(fā)距離一樣時(shí)，因?yàn)殛幇涤白臃错憰?huì)促使途中消耗浪費(fèi)服從隨機(jī)性對(duì)數(shù)的正態(tài)分布。我們知道在電波的傳輸過(guò)程中會(huì)經(jīng)過(guò)阻擋物體的反射，折射，還有吞噬的等，所以用來(lái)收集信號(hào)的天線收到的電波還包含有不同的反射波和散射波。除了前面所說(shuō)的，這里還由

28、于多普勒效應(yīng)導(dǎo)致的相位移動(dòng)和轉(zhuǎn)換臺(tái)可能運(yùn)行過(guò)快而產(chǎn)生的駐波現(xiàn)象，這一現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致信號(hào)的振蕩幅度與相位迅猛增大或者減小，這就是快衰退落敗?，F(xiàn)在的移動(dòng)通信中根本上都是利用這種衰落信道來(lái)進(jìn)展建模研究。在無(wú)線通信系統(tǒng)中，如果無(wú)法占統(tǒng)治領(lǐng)袖位置的信息符號(hào)，并且可以有多條路徑進(jìn)展選擇，則按照中心極限定理，捕獲信息符號(hào)如下:2-1其中，為零均值復(fù)高斯隨機(jī)變量，、近似為高立高斯隨機(jī)計(jì)算中，表示對(duì)、中的采樣，。即有和。引入，以表達(dá)刷退落敗的幅度(包圍環(huán)繞)，表達(dá)衰退落敗相位。用雅克比變換將轉(zhuǎn)換成，得到:2-2 由于這兩個(gè)隨機(jī)性變化量各自求邊沿概率密度有:2-3以上所說(shuō)的變化量各自服從的瑞利分布還有均勻分布。在此，

29、分別以基站和移動(dòng)臺(tái)作為發(fā)射端還有接收端來(lái)進(jìn)展分析。如圖2. 1所示，兩個(gè)線性天線陣列中假設(shè)的根本站點(diǎn)有根天線，移動(dòng)臺(tái)有根天線。為信道矩陣。從圖中我們可以看出噪聲會(huì)對(duì)每一個(gè)天線產(chǎn)生影響，假設(shè)噪聲矢量為并對(duì)接收信號(hào)進(jìn)展處理，恢復(fù)出原始數(shù)據(jù)。圖2.1 單用戶(hù)MIMO系統(tǒng)的信道模型 則接收到的信號(hào)：(2-3)其中，為發(fā)送數(shù)據(jù)的信息矢量；為噪聲向量：為接收數(shù)據(jù)的信息矢量。2. 3 MIMO信道容量 信道容量一般被認(rèn)為的是可以以不管多小的不對(duì)概率促使轉(zhuǎn)移的時(shí)機(jī)的傳輸速率。在這里我們著重討論平均分配發(fā)射功率情況下MIMO信道的容納體積，求解出的容納體積求解過(guò)程。我們先把這個(gè)模型看成復(fù)數(shù)基帶線性模型，它的派遣

30、端有根天線，獲取端有根天線，總的派送做成效率為，每根派送天線的做成效率為，獲取天線接吸收到的總做成效率是類(lèi)似于總的派送做成效率的，信道受到的干擾是加性高斯白噪聲，且每根接收天線上的噪聲功率為，則就可以得到每根接收天線上的信噪比SNR：(2-4)派送信息符號(hào)的帶寬假定是能夠非常窄的，信號(hào)的通道的概率反響也能夠看成是沒(méi)有起伏的，信號(hào)通道矩陣是的復(fù)矩陣，信號(hào)通道的幅度的大小假設(shè)不變，則信號(hào)通道容納量如下表示為：(2-5)式中是和中的最小數(shù)；是階的單位矩陣；det是矩陣行列式。矩陣Q定義為：我們已經(jīng)知道是在派送端己知信號(hào)通道位置信息的環(huán)境下，所以在這里采用注水定理。令第個(gè)子信道的功率為，容量為：2-6

31、其中，;是矩陣的非零特征值。 再來(lái)討論派送端未知信號(hào)通道狀態(tài)信息的過(guò)程，這種狀態(tài)下派送端會(huì)將派送功率均等分配給，并且派送的信息符號(hào)相互獨(dú)立，如下：(2-7)當(dāng)派送天線還是獲取天線是不是獨(dú)立的我們不考慮時(shí)，就會(huì)像Foschini一樣得出 MIMO系統(tǒng)的信息通道道容量為： (2-8) 上面的2個(gè)式子都代表MIMO系統(tǒng)的隨時(shí)間而改變的信號(hào)通道道容量，實(shí)際*號(hào)通道未知道是不確定的，因此計(jì)算出來(lái)的結(jié)論就是*一時(shí)刻的容量。然而均等信號(hào)通道容量要對(duì)每一種有的信道系數(shù)和信道容量積分運(yùn)算求值的方式來(lái)獲得，像這樣就不簡(jiǎn)單了。 2.4 MIMO檢測(cè)算法 首先設(shè)定MIMO檢驗(yàn)測(cè)量不考慮信號(hào)通性道編碼，派送端對(duì)信號(hào)通道

32、狀態(tài)消息一無(wú)所知，是獲取性端理想的信號(hào)通道狀態(tài)信息矩陣，派送數(shù)據(jù)信號(hào)的矢量經(jīng)過(guò)星座圖調(diào)制映射后是：每個(gè)數(shù)值符號(hào)是從星座中選出的，每個(gè)派送信息付好的方差為。 一般檢測(cè)模型如圖 2.2 所示:圖 2.2 一般信號(hào)檢測(cè)模型在用誤比特率性能來(lái)測(cè)量現(xiàn)有的各種非迭代檢測(cè)算法時(shí)，一般都會(huì)選用比擬似然比檢測(cè)算法，這一檢測(cè)算法是最好的。在較大似然檢查測(cè)量的時(shí)候，零均值加性高斯白噪聲矢量的復(fù)高斯采樣值的方差矩陣為，所以獲取信號(hào)矢量在發(fā)送信號(hào)矢量為，信號(hào)通道矩陣為的條件概率密度函數(shù)為：2-9 其中表示MIMO信道矩陣的維數(shù)。所以對(duì)派送信號(hào)的最大似然估計(jì)為： 2-10其中：2-13中能夠很明顯發(fā)現(xiàn)對(duì)派送信息符號(hào)矢量的

33、最大似然檢驗(yàn)預(yù)測(cè)，在現(xiàn)實(shí)生活之問(wèn)題中差不多于于對(duì)全部的點(diǎn)用來(lái)查找，使其滿(mǎn)足條件：最大似然檢驗(yàn)預(yù)測(cè)能讓模型的無(wú)碼性最好興農(nóng)網(wǎng)，它不好的地方在于查找地方與星座數(shù)目和派送的信息符號(hào)的比特?cái)?shù)成正比。這種方式太過(guò)于復(fù)雜，在實(shí)際系統(tǒng)中一般不被采用。線性檢測(cè)就是要線性變換接收到的信號(hào)，這樣就能對(duì)每一個(gè)信號(hào)進(jìn)展檢測(cè)，也就是說(shuō)，接收信號(hào)的線性組合就是檢測(cè)結(jié)果。最常見(jiàn)的檢驗(yàn)預(yù)測(cè)方法有ZF迫零檢驗(yàn)預(yù)測(cè)以及MMSE最小均方誤差檢測(cè)。線性檢測(cè)是一種簡(jiǎn)單而且比擬直接的檢測(cè)算法，檢測(cè)后的信號(hào)矢量：2-11接收信號(hào)矢量信道矩陣的逆矩陣，可以消除信號(hào)通道干擾，剛剛所說(shuō)的該方式就是線性迫零ZF算法。檢測(cè)矩陣為：2-12經(jīng)過(guò)星座圖

34、映射后檢測(cè)信號(hào)為：2-13以上檢驗(yàn)預(yù)測(cè)算法中，信號(hào)通道導(dǎo)致的噪聲變?yōu)?，可是存在，噪聲矢量乘以后，噪聲信號(hào)明顯擴(kuò)大。ZF 檢驗(yàn)預(yù)測(cè)的根本思路是，把來(lái)自各個(gè)派送天線的信息符號(hào)算作是想要獲取的信息符號(hào)， 而其他局部的成分認(rèn)為是噪聲， 因此ZF 檢驗(yàn)預(yù)測(cè)的準(zhǔn)則是將多代入產(chǎn)生的相互干擾完全抑制掉10。理論上ZF 檢測(cè)輸出的是接收信號(hào)的無(wú)偏估計(jì)，這就完全消除了多個(gè)數(shù)據(jù)流間的干擾，但是在進(jìn)展 ZF 檢測(cè)時(shí)往往沒(méi)有考慮的噪聲的影響， 噪聲功率也被放大了， 所以ZF 檢測(cè)在抗噪方面表現(xiàn)不好， 在噪聲影響比擬大的無(wú)線信道中，只用ZF 檢測(cè)就不行，還要結(jié)合其他的檢測(cè)方法才可以。因?yàn)橄胩幚淼暨@些問(wèn)題所以提出了另外一

35、種檢測(cè)算法：借鑒線性最小均方偏差MMSE的檢驗(yàn)預(yù)測(cè)算法。同時(shí)考慮減小信號(hào)通道的干擾信息和噪聲中延拓MMSE，選擇的檢驗(yàn)測(cè)矩陣有：2-14MMSE檢測(cè)后的接收信號(hào)矢量為：2-15通過(guò)星座點(diǎn)映射解調(diào)后估量信息符號(hào)為矢量為：2-16該檢測(cè)過(guò)程如圖2.4所示：圖2.4線性檢測(cè)構(gòu)造框圖在對(duì)MMSE檢測(cè)矩陣的估量中，使用正交性道理：(2-17)其中且，因此有：2-18得到MMSE檢測(cè)矩陣如下：(2-19)令，得到：(2-20)2.5本章小節(jié)這一小章首先進(jìn)展了無(wú)線信號(hào)通道數(shù)學(xué)模型的論述，分別表達(dá)了MIMO系統(tǒng)無(wú)線信號(hào)通道及其數(shù)學(xué)模型。然后對(duì)信號(hào)通道容納大小進(jìn)展了計(jì)算，最后討論三種檢驗(yàn)預(yù)測(cè)方法：第一種是最大似

36、然檢驗(yàn)預(yù)測(cè)方法，接著是迫零方法，再然后就是最小均方偏差檢驗(yàn)預(yù)測(cè)方法。第三章 MIMO預(yù)編碼技術(shù)研究3.1 系統(tǒng)模型較早的時(shí)候有專(zhuān)家就已經(jīng)開(kāi)展了對(duì)單用戶(hù)MIMO線性預(yù)編碼的鉆研，將MIMO信道解耦成為特征子信號(hào)通道，然后在子信號(hào)通道上非配發(fā)送的做功快慢還有能夠最強(qiáng)輸出的信號(hào)噪音比等是目前很不錯(cuò)好的預(yù)編碼器。圖3.1是單用戶(hù)MIMO系統(tǒng)線模型。圖 3. 1 單用戶(hù) MIMO系統(tǒng)本章對(duì)單用戶(hù)MIMO系統(tǒng)的預(yù)編碼研究計(jì)議的是ZF預(yù)編碼算法和MMSE預(yù)編碼算法，都是在發(fā)射端是想要的信道狀態(tài)信息時(shí)進(jìn)展的。 在過(guò)往有的通信中，只有經(jīng)過(guò)了信道估計(jì)才能在收入端直接獲取理想信道狀態(tài)，而當(dāng)信號(hào)通過(guò)了信道后就沒(méi)有方法

37、簡(jiǎn)單的獲得了，所以就僅能使用不則直接的方式?，F(xiàn)在的通信系統(tǒng)大都是雙全工系統(tǒng)，在發(fā)送端有兩種方法得到CSI,一種是利用信道的互易性，還有一種就是接收端的反響。所謂信道互易性就是：從發(fā)送的那頭到接收的那頭的信道和從接收的那頭到發(fā)出的所經(jīng)過(guò)的信道是一樣得或者大約差不多的。這篇文章大多篇幅是在講發(fā)出的那頭已經(jīng)知道理想的信號(hào)通道狀態(tài)的時(shí)候，這時(shí)發(fā)出端和接收端對(duì)數(shù)據(jù)流做線性預(yù)改變，這樣就可以減小誤碼率。 3.2 ZF預(yù)編碼下面3.2就是線性預(yù)編碼的一般構(gòu)造框圖。圖3.2線性預(yù)編碼構(gòu)造框圖這種算法預(yù)編碼信號(hào)矢量如下： 3-1且有 通過(guò)預(yù)設(shè)好的編碼矩陣收入端接收到的結(jié)果數(shù)字矢量y為：3-2式3-2中，供考察的

38、數(shù)字為是可變化因子，能夠確定發(fā)射的預(yù)編碼矢量的做功快慢不變。的取值為：(3-3)收入的信號(hào)在端用zoom factor比例變換的倒數(shù)作為補(bǔ)償。所以，在發(fā)出端是把信號(hào)通道的情況消息矩陣的逆當(dāng)做預(yù)編碼矩陣的，發(fā)出端的線性預(yù)編碼處理是經(jīng)由預(yù)編碼矩陣和發(fā)送信號(hào)兩個(gè)乘到一起得以成功的，在通過(guò)通過(guò)信道后可直接通過(guò)解調(diào)并不需要檢測(cè)。ZF預(yù)編碼算法比擬不錯(cuò)的方面是可以讓每個(gè)天線間沒(méi)有互相影響，不好的是噪聲影響增加了。所以在這里提出使得最微均方差異的MMSE預(yù)編碼算法，使系統(tǒng)的性質(zhì)功能更好。3.3 MMSE預(yù)編碼就與MMSE檢測(cè)算法差不多，預(yù)測(cè)好的編碼矩陣要得到有差異的平均方差數(shù)能夠很小的信號(hào)就要選擇的MMSE

39、法則。就像下面這樣：3-4發(fā)出端預(yù)編碼后的發(fā)出信號(hào)向量的發(fā)出的功能概率需要不變的值，功率值適宜的約束公式見(jiàn)：(3-5)在式3-4中，為可放大縮小的變量，它能夠保證發(fā)出的預(yù)編碼向量的功能概率為恒值。在式3-5中，顯出來(lái)的是發(fā)出來(lái)信號(hào)的數(shù)量，顯示的是發(fā)出信號(hào)的功能概率。兩式聯(lián)合的最優(yōu)解：3-63-7線性預(yù)編碼方法的好處是接入端無(wú)需對(duì)收到的數(shù)據(jù)進(jìn)展解調(diào)處置的，比照上面兩種公式，就能夠知道 MMSE預(yù)編碼這種技巧比擬好，接下來(lái)進(jìn)展進(jìn)一步仿真比擬驗(yàn)證。3.4本章小節(jié)本章一開(kāi)場(chǎng)進(jìn)展了MIMO系統(tǒng)預(yù)編碼數(shù)學(xué)模擬型號(hào)。著重介紹了線性預(yù)編碼技能中的迫零預(yù)編碼和根據(jù)最小均方誤差的預(yù)編碼算法，而且分別運(yùn)用了理論推論

40、。第四章 MIMO預(yù)編碼算法仿真4.2MTALAB簡(jiǎn)介MATLAB是美國(guó)MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化、算法的研究、數(shù)據(jù)處理、數(shù)值研究等，其中有 MATLAB和Simulink兩個(gè)局部。)它的特點(diǎn)就是下面幾點(diǎn)：不低效率的數(shù)字計(jì)算和符號(hào)運(yùn)算可以用于用戶(hù)從繁瑣的數(shù)學(xué)演算的自由。擁有完善的處理圖形功能，使計(jì)算結(jié)果和變成一目了然;簡(jiǎn)單易懂的圖形界面，讓初學(xué)者很容易了解掌握接近語(yǔ)言的數(shù)學(xué)表達(dá)式;功能繁多的應(yīng)用工具箱，使使用者們享受到簡(jiǎn)便舒適的應(yīng)用工具。MATLAB包括很多工具。里邊的工具都很實(shí)用且方便，像是函數(shù)和文件。并且有很多的這些工具都是使用的圖形用戶(hù)界面。比方說(shuō)文

41、件的瀏覽器、編輯器和調(diào)試器、歷史命令窗口、用于用戶(hù)瀏覽幫助、MATLAB桌面等。由于MATLAB的商業(yè)價(jià)值越來(lái)越高，MATLAB的制作也更加精巧，比方用戶(hù)界面?，F(xiàn)在MATLAB的人機(jī)比以往更強(qiáng)，而且操作變得傻瓜式。編程設(shè)備要求簡(jiǎn)單，而且提供了很完善的調(diào)試機(jī)制，程序在沒(méi)有編譯時(shí)就可以直接運(yùn)行得出結(jié)果，而還能快速得出錯(cuò)誤原因。MATLAB軟件擁有大批計(jì)算法。600多個(gè)工程的功能它都擁有，能實(shí)現(xiàn)不同的計(jì)算功能的需求。這一類(lèi)函數(shù)的算法在工程與科學(xué)研究方面的新突破，已經(jīng)通過(guò)容錯(cuò)優(yōu)化。一般來(lái)說(shuō)，MATLAB可以代替其他低級(jí)語(yǔ)言，比方C以及C+。在一樣計(jì)算要求一樣時(shí)，使用MATLAB可以使編程量會(huì)大大削減1

42、3。它有簡(jiǎn)單和復(fù)雜兩種函數(shù)集。復(fù)雜函數(shù)像是快速傅立葉變換這種。這樣的函數(shù)能處理：稀疏矩陣運(yùn)算、Fourier transform和數(shù)字的統(tǒng)一處理、微分方程及偏微分方程的組的求解、另外的初級(jí)數(shù)字演算和三角函數(shù)以及多維數(shù)組操作等麻煩。4.2仿真結(jié)果分析在仿真過(guò)程中首先產(chǎn)生信源比特序列，緊接著進(jìn)展像是BPSK和QPSK調(diào)制這一類(lèi)的數(shù)字調(diào)制。BPSK (Binary Phase Shift Keying)，可以將模擬信號(hào)變成數(shù)據(jù)值，信息鍵控移相的形式通過(guò)偏離相位的復(fù)數(shù)波浪組合來(lái)展示。BPSK因?yàn)椴捎昧嘶鶞?zhǔn)的正弦波以及相位反轉(zhuǎn)的波浪，這樣一邊就會(huì)是0，而另外一邊就會(huì)是 1，所以能夠一起傳送和承受2值(1

43、比特)信息。QPSK是使用次數(shù)最多的衛(wèi)星數(shù)據(jù)調(diào)制方法，擁有超高頻譜和使用率，干擾性很強(qiáng)，也很輕易得到。接著產(chǎn)生信道里面衰落系數(shù)為循環(huán)復(fù)高斯分布的MIMO無(wú)限衰落信道。對(duì)數(shù)字調(diào)制符號(hào)進(jìn)展預(yù)編碼傳輸，并經(jīng)過(guò)瑞利衰落信道，然后數(shù)據(jù)符號(hào)經(jīng)過(guò)接收端的檢驗(yàn)和解調(diào)，再得到誤碼率。誤碼率可以用來(lái)說(shuō)明一個(gè)時(shí)段內(nèi)數(shù)字傳送的準(zhǔn)確性。有誤碼的時(shí)候就有誤碼率，也可以說(shuō)誤碼率就是誤碼出現(xiàn)的頻繁度。信噪比一個(gè)其他的名字是訊噪比，是在電子設(shè)施或者電子整體中的信號(hào)與噪音的比例。在別的條件一樣時(shí)，提高接收天線的數(shù)量，單獨(dú)仿真ZF、MMSE預(yù)編碼計(jì)算程序，研究誤碼率與預(yù)編碼計(jì)算程序的關(guān)系。將ZF和MMSE算法在不同參數(shù)下進(jìn)展仿真比

44、擬，選擇接收天線數(shù)量和發(fā)送天線數(shù)量作為參數(shù)，通過(guò)改變參數(shù)值，來(lái)比擬一樣情況下ZF和MMSE兩種算法各自的性能優(yōu)劣。圖4.1是通過(guò)MATLAB軟件來(lái)對(duì)ZF線性預(yù)編碼算法進(jìn)展仿真得到的誤碼率圖，數(shù)字調(diào)制方式為QPSK，發(fā)出的天線為2，承受的天線是 2，這是在平坦瑞利信道中進(jìn)展得。圖4.2為MMSE預(yù)編碼算法下的誤碼率性能在這次仿真的結(jié)果中不難發(fā)現(xiàn)， ZF算法的曲線長(zhǎng)期穩(wěn)占上方，MMSE算法的曲線在下方，因此MMSE算法的誤碼率好一些，同時(shí)說(shuō)明了上面的結(jié)論。圖4.1 2*2 QPSK調(diào)制下ZF預(yù)編碼算法誤碼率性能圖4.2 2*2 QPSK調(diào)制下MMSE預(yù)編碼算法誤碼率性能圖4.3 3*2 QPSK調(diào)

45、制下ZF預(yù)編碼算法誤碼率性能圖4.4 3*2 BPSK調(diào)制下ZF預(yù)編碼算法誤碼率性能4.3本章小結(jié)這篇文章講了單個(gè)使用人員MIMO預(yù)編碼算法，講解了ZF線性預(yù)編碼的技術(shù)和MMSE線性預(yù)編碼的技術(shù)這兩種線性預(yù)編碼技術(shù)，得出了它們的特征，再通過(guò)研究得到MMSE預(yù)編碼比ZF預(yù)編碼好的結(jié)論，然后最后一節(jié)對(duì)兩種預(yù)編碼進(jìn)展了仿真驗(yàn)證。第五章 總結(jié)這篇文章討論了MIMO系統(tǒng)的預(yù)編碼技術(shù)，可以得到的結(jié)論入下:先說(shuō)明多輸入多輸出的無(wú)線通信系統(tǒng)，再講了 MIMO技術(shù)，最后描述當(dāng)前MIMO技術(shù)的狀態(tài)。 本文首先對(duì)MIMO無(wú)線信道作出介紹，展示出MIMO系統(tǒng)的模型。接下來(lái)說(shuō)明了MIMO信號(hào)通道容量并依據(jù)此數(shù)學(xué)模型介紹

46、了ZF算法和MMSE算法這兩種常用的線性均衡信號(hào)檢測(cè)演算方式。為了減輕承受端信號(hào)檢測(cè)復(fù)雜度，采用了發(fā)出端預(yù)編碼技術(shù)，同時(shí)可以抑制干預(yù)擾亂。介紹了再己知信號(hào)通道狀態(tài)信息得情況下的ZF線性預(yù)編碼和MMSE線性預(yù)編碼，最后經(jīng)過(guò)仿真對(duì)這兩個(gè)方法的誤碼率能力進(jìn)展了分析比擬。 從仿真中，可以得到，其他的條件一樣得時(shí)候，當(dāng)信號(hào)與噪音的比例變大的時(shí)候，ZF/MMSE算法仿真出來(lái)的誤碼率就不斷變??；別的條件一樣的時(shí)候，當(dāng)發(fā)射天線數(shù)量變多時(shí)，ZF/MMSE算法仿真出來(lái)的誤碼率就不斷變小，而且變小的幅度不斷變大。條件一樣的時(shí)候，MMSE比 ZF算好用。參考文獻(xiàn)1 黃韜，袁超偉，楊睿哲等.MIMO相關(guān)技術(shù)與應(yīng)用.:機(jī)

47、械工業(yè) 2007.2 傅海陽(yáng), 陳技江, 曹士坷,等. MIMO系統(tǒng)和無(wú)線信道容量研究J. 電子學(xué)報(bào), 2011, 39(10):2221-2229.3 佟學(xué)儉. OFDM移動(dòng)通信技術(shù)原理與應(yīng)用M. 人民郵電, 2003.4 趙亞男, 張祿林, 吳偉陵. MIMO技術(shù)的開(kāi)展與應(yīng)用J. 電訊技術(shù), 2005, 45(1):7-11.5 任立剛, 宋梅, 郗松楠,等. 移動(dòng)通信中的MIMO技術(shù)J. 無(wú)線電技術(shù)與信息, 2004(1):25-29.6 倪志, 李道本. 一種分布式多入多出(MIMO)信道的容量研究J. 電路與系統(tǒng)學(xué)報(bào), 2004, 9(2):22-26.7 *毅. MIMO信道預(yù)編碼

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