MIMO系统与OFDM传输技术
——V-BLAST系统迫零算法和最小均方误差算法比较研究
学院：通信工程学院
专业：通信与信息系统
学号： 姓名：
2014年12月
一、摘要
随着人们对移动通信业务的追求不断提高，实现更高的频谱利用率已经成为无线通信中一个关键的问题。多输入多输出（MIMO）系统和单输入单输出（SISO）系统相比，能够显著提高频谱利用率和系统容量，因此被视为下一代无线通信系统中的关键技术之一。MIMO系统接收端的信号检测算法对于MIMO系统的性能起着十分重要的作用。如何设计复杂度低且检测性能良好的检测算法是MIMO技术的一个重要内容。V-BLAST系统是最典型的MIMO空间复用技术，具有简单而实用的结构和高的频谱效率，因而受到广泛关注。本文通过计算机的仿真方法，在同样的环境和条件下，本文对使用迫零算法的分层空时码的误码率进行了仿真，并和最小均方误差算法（Minimum Mean Square Error MMSE）进行比较。
二、引言
V-BLAST这种简化了的BLAST结构同样最先由贝尔实验室提出。它采用一种直接的天线与层的对应关系，即编码后的第k个子流直接送到第k根天线，不进行数据流与天线之间对应关系的周期改变。它的数据流在时间与空间上为连续的垂直列向量，称为V-BLAST(Vertical-BLAST)。由于V-BLAST中数据子流与天线之间只是简单的对应关系，因此在检测过程中，只要知道数据来自哪根天线即可以判断其是哪一层的数据，检测过程简单。
分层空时编码技术是提高无线信道传输速率和容量的一种非常有效的方法。在无需提高信号发射功率和额外增加带宽的情况下就可以大幅度的提高系统容量。但是，分层空时编码无法获得最大分集增益，所以接收端在恢复信号时选用的译码算法对系统性能至关重要。在平坦瑞利衰落环境下，研究了贝尔实验室分层空时的发射和接收结构中的垂直分层（Vertical Bell Laboratories layered Space-Time ,V-BLAST），接着对接收端的几种常用的译码算法进行介绍，介绍迫零(Zero forcing ,ZF)算法，最小均方误差算法。二者为线性接收机，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。
三、系统模型 3.1 MIMO信号模型
采用平坦衰落的MIMO信道模型，即假设点到点的MIMO系统，具有nT个发射天线和nR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：
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
x?[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：
?h1,1?H???h?nRh1,nT??? （2） hnR,nT??该信道响应矩阵中的每个元素hi,j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hi,j为均值为0，方差为1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。
3.2 V-BLAST系统模型
虚拟编码的变量(VE)是垂直BLAST(V-BLAST)的算法，垂直编码的模型如图 2所示。
图 2 垂直编码
为了简单，我们把我们的解释建立在图3上。如果发射机的数目为MT，接收机的数目为MR。QAM发射机1到MT个传输为字符率1/T的符号，同时同步字符时间。发射机的收集器组成一个QAM群的矢量。1到MR的接收机是常规单独的QAM接收机。这些接收也运行cochannel，每个接收信号从全部MT根传输天线发来。假设存在平坦衰落，那么矩阵信道转移函数为HMR?MT，其中hi,j是复杂转移函数指从发射机j到接收机i其中MT?MR。我们假设传输是以L脉冲的形式而且信道时间变量在L符号期是可以忽略的，包含一脉冲，信道将准确的将符号植入每个脉冲中。
让a??a1a2aM?表示传输符号向量，相应的接收到MR个向量i：
T r1?Ha?v （3）
其中v是由i.i.d组成的固定宽带噪声（WSS）。
第一步：使用空向量wk1，形成由r1到yk1成分的线性组合：
T yk1?wk r （4）11?k1： 第二步： 代入yk1以得到 a?k1?Q(yk1) （5） a其中Q()表示量化(代入) 适用于信息流。
图3 V-BLAST 系统
?k1?ak1从接收向量r1中抵消ak1，结果将改进接收向量r2： 第三步：假设a?k1(H)k1 (6) r2?r1?a其中(H)k1表示H中的第k1列，步骤1－3被运行生产k2接收向量r2,r3,kMT通过依次运行修正
,rMT的级数。
这个特定的侦测过程依靠选择计算的标准空向量wki，最一致的选择被作为MMSE和ZF的最小值。在这一段中被使用的侦测程序是最新和更简单的。第k1个迫零空向量被定义做为唯一的最小值向量。
?0 j?i (7) w(H)ki???1 j?iTki因此，第ki个ZF空向量对子空间是正交的通过ri的贡献, 由于那些符号仍然不能被估计和取消。它能容易地显示唯一的满足向量(6.6)只是Hk?j?1的第ki行, 其中符号Hk?j表示矩阵通过对准零行获得H中的k1,k2,...,kj+ 指示Moore-Penrose的反转。
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