基于MATLAB的MIMO系统预编码性能仿真

1、-摘要在现今的移动通信系统中，被极多的国际通信标准采纳为根底性关键技术的一种方法是多输入多输出的技术Multiple-Input Multiple-Output，MIMO。无线传输的技术是应用多项发射以及屡次接收天线来进展。应用MIMO技术的情形下，就算是系统带宽和传输功率没有增加，仍然是能够显著的增长无线信道容量，它的增长往往是成倍得，譬如4G LTE技术。通过使用MIMO信道而增加的空间复用增益可以改善传输效率，其带来的空间分集增益也可以增加传输的可靠度。这两种增益的提高分别可以通过改变收发天线数来实现。提高通信质量是需要MIMO技术在接收端和发送端配置很多的天线，然后使信号经过多个接收和发送端。本篇主要探索的是空间复用MIMO系统的线性预编码及信号检测方法。在发射端通过对传输信号进展预编码操作，不仅可以有效抑制干扰，还可以简化接收机数据解调的计算复杂度。同时对线性信号检测与预编码技术方法进展了分别的详细说明。想要验明一下MIMO系统预编码的性能，借助MATLAB这个软件进展验证确定仿真。结果说明，在其他的前提一样的情形下，以最小均方误差为基准的MMSE算法比简单的线性检测算法ZF

2、算法，所得误差更小，噪比的变大而减小导致系统传输得可靠程度会跟着变化。关键词：MIMO 信号检测 预编码 MATLABABSTRACTIn mobile munication system, multi 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 wireless channel, which has been adopted by many international munication standards as the basic key technol

3、ogies, 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 multiple*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 mu

4、nication. 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 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. T

5、he results show that, under the same conditions, the MMSE algorithm has better performance than the 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目录摘要- 1 -ABSTRACT- 2 -目录- 3 -第一章绪论- 3 -1.1 研究背景- 3 -1.2 研究现状- 4 -1.3 研究容- 7 -第二章 MIMO系统信号检测算法- 8 -2.1 MIMO系统简介- 8 -2.2 无线信道及数学模型- 9 -2. 3 MIMO信道容量- 11 -2.4 MIMO检测算法- 13 -2.5本章小节- 16 -第三章 MIMO预编码技术研究- 16 -3.1 系统模型- 16 -3.

6、2 ZF预编码- 17 -3.3 MMSE预编码- 18 -3.4本章小节- 19 -第四章 MIMO预编码算法仿真- 19 -4.2MTALAB简介- 19 -4.2仿真结果分析- 20 -4.3本章小结- 24 -第五章总结- 25 -参考文献- 26 -致- 28 -附录- 29 -第一章 绪论1.1 研究背景自二十世纪八十年，计算机技术和通讯技术在社会的各个方面都获得了巨大的开展。由这个现象可以看出社会已经迈入了信息时代。无线通讯技术如今变成了最受欢送且最具有潜力得技艺。该技术如今遍布性很广，几乎每个地方都离不开它，也是如今最热门的技术。随着无线通信技术愈来愈快的开展，该技术也逐步趋于成熟，人们对于该技术的要求也高于以往。在移动通信系统中，MIMO被称为应用非单一的发出和承受天线进展的无线传输技术。我们知道MIMO通道信号的空间重复利用增益，使得该系统增加信道容量，进而改善空间分集增益能够加强的信道传送的坚实水平。此技术可以通过改变收发天线数，来实现这种增益的提高。因而MIMO对于LTE系统中是一项很关键的技术。在无线通信中，更快的传输速率是如今需要解决的主要问题，也就是需要减

7、少频谱带宽和发射功率。而如今频谱带宽还有发射功率已经接近了饱和，所以依靠消耗频谱带宽和发射功率来提高传输速率是不可行的。此时，一种新的无需消耗这两种资源就能提高数据传输速率的技术方法进入研究围，成为了如今世界通信领域中强聚焦的热点:MIMO无线通信技术。在新的无线移动通讯系统的开发设计之初，系统性能的主要要求就是提升所有用户的数据传输速率。在LTE系统中，LTE Release8在20MHz带宽的上行的目标峰值到达了100Mit/s，其下行目标峰值到达了50Mbit/s，而作为在4G系统中的LTE-Advanced，其对于数字的速度要求进一步增加，它是想要将数据传输速率在速度较低的情况下峰值速率为1Gbit/s，在高速移动情况下，为100Mbit/s。 MIMO空间重复利用技术从本质上讲，其实是把单一的速度高的数据流变换为假设干个速度较低的数据流，进而使这些低速数据流通过独立的编码调制与发射，由于无线通信中得多径传播效应达得存在，通过它可以使得加快数据传递速率和频谱利用效率。以此为根底的理想状况下，空间复用技术无需再附加另外的带宽资源和天线发射功率，就能够到达用增加天线的数量来增加系统

8、的容量以及速率的目的，而且这种增长关系是*种线性关系。但是应用MIMO 空间复用技术将传输速率提高的，同时带来了数据流之间相互干扰的问题，这就意味着在信号检测中，空间复用场景的难度大于发射分集等其他场景。1.2 研究现状移动通信在1987年正式开启了商业用途的大门，经过近三十年的开展至今全球用户已突破40亿。但是受限于频谱资源的并非是无穷无尽的，导致我们不能自由地使用带宽。基于这种情形，拥有高效的频谱利用率的MIMO系统，迅速进入了大家的视野，并产生了较大的影响。早些时期，Winters就与空间分集和系统容量产生很多兴趣而且研究了它们得关系，在Winters 后，Telater和Foschini对MIMO对信道的容纳数量进展探索，他们的探索结果都为MIMO无线通信中的信息论理局部打下了根基。在BLAST试验的结果中，证明了在发送端还有接收端是能够同时让多根天线进展传输的，并且能让信道容量增大，还是在不需其它频谱带宽的情况下。这些研究成果都激起了人们研究这项技术的兴趣。如图1.1的理念是单用户MIMO系统模型，当使用数量是的发射天线和数量是的接收天线，则该系统能够产生种传输模式，MIMO

9、系统的容量也就会得到极大的增加，根本上是成线性增加，与此同时系统带宽的利用率也会上升，功率当然也会有较大增加，从而产生对干扰信道。 图1. 1单用户MIMO系统模型 随着MIMO研究的深入 ，如图1.2所示，人们发现了无线通信系统的上行链路也可采用多址接入(MAC)，在这样的系统中，不管多少数目的多用户通信系统都是一个典型的例子，把用户作为发射机，把基站当做接收机。基站会恢复每个用户发射的信号，而且在时间和频率一样的情况下进展传输，到达节省资源的目的。图1. 2多址接入信道的MIMO系统模型图1.3是播送信道(BC)在无线通信下行链路的运用，特点是中心发出和分散式承受。多用户的通信系统采用的就是这种系统，其发射端为*一基站，接收端是不同的用户，这些用户并非在同一地点而是分布于各个地方，但必须是天线可以覆盖的地方。图1.3播送信道的MIMO系统模型上述的三种信道存在着各自不同的要求:单一用户信道要求发射与接收机两者间的完全协作;相比拟而言MAC信道与BC信道中分别要求各接收机之间或各发射机之间互相协作就可以了。 为了使通信质量变高，通常会安装多元阵列，采用各种方法使得系统克制或者降低无线信道对其的影响，主要获得空间复用和空间分集这两方面的性能增益。 为了改善通信链路的可靠性，通常都会使用空间分集的方法。目前应用较多得增益方式是波束形成与空时编码这两种。分集增益可以用于量化分集的性能。空间分集增益为: (1-1)式中和分别为发射天线数和接收天线数。空间分集提高，不能在提高可靠性的同时增加频谱的效率，所以就提出了一种新的MIMO技术空间复用。这种情况下，所有的收发天线之间可以产生不同的且相互无关的路径增益，这是多个并行的子信道可以连通的前提，再进一步假设，如果这些子信道相互之间传输的信息流是不一样的，则就可以大大增加数据传输的速率 12 。最大复用增益如下: (1-2)其中和分别

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