基于ZF-V-BLAST算法的收发天线数量对系统的影响

曩Ｆ－Ｖ－ＢＬＡＳＴ　收发天线数　统　向　基田　Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ＡｎａｌｙｓｉＳ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＺＦ—Ｖ—ＢＬＡＳＴ　Ａ１ｇｏｔｉ　ｔｈｍ　Ａｂｏｕｔ　ｔｈｅ　Ａｎｔｅｎｎａｓ　Ｎｕｍｂｅｒｓ　ｃ『）　朱彦军１　ｌ杨嘉林’　卓东风　王岩’　法　Ｚｈｕ　Ｙａｎｊｕｎ　Ｙａｎｇ　Ｊｉａｌ　ｉｎ　Ｚｈｕｏ　Ｄｏｎｇｆｅｎｇ　Ｗａｎｇ　Ｙａｎ　的　收　（１．昆明理工大学信息工程与自动化学院，昆明６５００５１；２．太原科技大学电子信息工程学院，太原０３００２４）　发　（１．Ｆａｃｕｌｔｙ　ｏｆ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ＥｎｇｉｎｅｅｒＪｎｇ　ａｎｄ　Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｋｕｎｍｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃ　Ｊｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＫｕｎｍＪｎｇ　天　６５００５１；２．Ｔａｉｙｕａｎ　ＵｎｉｖｅｒｓＪｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｔａｉｙｕａｎ　０３００２４）　线　数　量　摘要：随着人们对无线通信系统高品质服务需求的增长，通信系统的研究者们提出了许多空时信号处理技术和算法来　对　实现系统容量的增长。实践表明分层空时码在无线通信中的应用具有极大的优势。本文研究多入多出（ＭＩＭＯ，Ｍｕ１ｔ１Ｄ１ｅ—Ｉｎｐｕｔ—　系　Ｍｕｌｔｉｐｌｅ—Ｏｕｔｐｕｔ）系统中不同个数的接收天线和不同个数的发射天线在准静态瑞利环境中满足互不相关条件下的抗衰落和抗　统　的　噪声的性能。仿真主要是对ＺＦ—Ｖ—ＢＬＡＳＴ算法的误码率性能进行比较和分析。该文对提高下行链路中的接收机的性能、’系统　影　容量和覆盖有很好的指导作用。　响　关键词：多入多出（ＭＩＭＯ）：分层空时编码：迫零算法　中图分类号：ＴＮ９１１．２２　文献标识码：Ａ　文章编号：１　６７１—４７９２一（２００７）３—０１　２８－０３　Ａｂｓｔｒａｃｔ：ｗｊｔｈ　ｔｈｅ　ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ　ｄｅｍａｎｄ　ｆｏｒ　ｈｉｇｈ－ｑｕａ１ｉｔｙ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ｓｅｒｖｉｃｅｓ，ｒｅｓｅａｒｃｈｅｒｓ　ａｄｖａｎｃｅｄ　ｍａｎｙ　ｓｐａｃｅ－ｔｉｍｅ　ｓｉｇｎａｌ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇＪ　ｅｓ　ａｎｄ　ａｌｇｏｒｉｔｔｕｎｓ　ｔｏ　ｒｅａｌ　ｉｚｅ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｃａｐａｃ　Ｊ　ｔｙ　ｇｒｏｗｌｎｇ．Ｉｔ　ｈａｓ　ｂｅｅｎ　ｐｒｏｖｅｄ　ｔｈａｔ　Ｂｅｌｌ　ｌａｂｏｒａｔｏｒｉｅｓ　Ｌａｙｅｒｅｄ　Ｓｐａｃｅ－ｔｉｍｅ　ｃｏｄ　Ｊ　ｎｇ　ｈａｓ　ｇｒｅａｔ　ａｄｖａｎｔａｇｅｓ　ｗｈｅｎ　ａｐｐｌＪ　ｅｄ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ．Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｓｔｕｄｉｅｓ　ｔｈｅ　ＭＩＭＯ　ｓｙｓｔｅｍ’ｓ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　ａｎｔｉ－ｆａｄｉｎｇ　ａｎｄ　ａｎｔｉ－ｎｏｉｓｅ．ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ａｎｔｅｎｎａｓ　ａｒｅ　ｕｎｃｏｒｒｅｌａｔｅｄ　ａｎｄ　ｗｈｉｃｈ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｑｕａｓｉ－ｓｔａｔｉｃ　Ｒａｙｌｅｉｇｈ　ｆａｄｉｎｇ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ．Ｔｈｅ　ｓＪｍｕ１ａｔＪＯＲＳ　ｃｏｍｐａｒｅｄ　ａｎｄ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ｔｈｅ　ｂｉｔ　ｅｒｒｏｒ　ｒａｔｅ（ＢＥＲ）ｏｆ　ＺＦ—Ｖ—ＢＬＡＳＴ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ．．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｗｉｌｌ　ｈｅｌｐ　ｉｎ　ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ　ｔｈｅ　ｄｏｗｎｌｉｎｋ　ｒｅｃｅｉｖｅｒ’ｓ　ｐｅｒｆｏｒｍａｃｅ，ｓｙｓｔｅｍ　ｃａｐａｃｉｔｙ　ａｎｄ　ｌａｙｏｖｅｒ　Ｋｅｖｗｏｒｄｓ：Ｍｕｉｔｉｐｌｅ—Ｉｎｐｕｔ－Ｍｕｌｔｉｐｉｅ－｛）ｕｔｐｕｔ：Ｂｅ１１　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｉｅｓ　Ｌａｙｅｒｅｄ　Ｓｐａｃｅ－Ｔｉｍｅ；Ｚｅｒｏ－Ｆｏｒｃｉｎｇ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　０引言　１．Ｖ—ＢＬＡＳＴ系统模型　人们要求未来通信系统能够提供高质量、高速率、高可　垂直分层空时码是贝尔　验室提出的一种多天线结构无　靠的多种业务服务，而现有的无线通信网络不能满足未来通　线通信系统，它捕述了空时羞　；维信号发送的结构，它可以和　信的需求，使得无线接入网成为高速信息传输的一个瓶颈。　信道编码进行级联。最简单的　未编码分层空时码就是著名的　在无线频谱相对匮乏的今天，迫使我们对新的传输技术进行　Ｖ－ＢＬＡＳＴ，其结构如图一所／亍　研究，以满足未来高速通信系统的要求，其巾Ｍ［ＭＯ系统已经　体现出了其优越性。　信息理论的研究表明：当接收天线和发射天线之间互不　能。在发射端和接收端都采用多天线技术，并假设每对收发　＝：：二ｌ：’Ｊ　：：　：］Ｉ　天线之间的信道是相互独立的准静态瑞利衰落信道，Ｈ￣ＭＩＭＯ　系统可以获得比单发单收系统更高的容量，为了实现容量的　增长，人们提出许多空时信号处理技术，如典型的Ｖ—ＢＬＡＳＴ　算法。本文探讨随着天线个数的增加系统性能改善的情况。　图一ｖ－　ＢＬＡＳＴ模型　仿真环境是在准静态瑞利环境中，当收发天线个数改变时对　首先信源产生数据信息｝　匕特ｃ，经过串／并变换，得到　●　ｚＦ－　ＢＬＡｓＴ的误码率性能进行比较和分析。　并行的ｎ　个子码流，每个码溺　可以看作一层信息，然后分别　维普资讯 http://www.cqvip.com 进行＾ｆ进制调制，得到调制符号　，ｉ＝ｌ，２，Ｌ，　，最后发送到　相应的天线上。调制符号经过信道到达接收端，解调、译码，　可恢复出发送端的数据。　数据流程图如图二【２ｊ所示。　效据产生卜一—　￣ＢＬＡＳＴ卜卅调制卜—＋Ｉ　ＭＩＭＯ信道　解调　Ｖ－ＢＬＡＳＴｉ￣码卜　数据恢复　图二基于Ｖ－ＢＬＡＳＴ结构的ＭＩ｝ｔＯ系统模型　分层空时码的译码有多种算法，最常用的检测算法包　括：追零算法、ＱＲ分解算法及ＭＭＳＥ算法。本文仿真基于迫　零算法。　２　Ｖ—ＢＬＡＳ的接受——迫零（ＺＦ）算法　在准静态衰落信道下，接收机在ｔ时刻收到的信号向量　可以表示为：ｒｔ＝Ｈｘ　＋ｎ　（１）　其中：ｒ　表示　×１的接收信号向量：Ｈ是ｎ　ｘ　ｎ　维信　道响应矩阵；Ｘｔ是ｎ　×１的发送信号向量；１３ｔ是ｎ　ｘ　１￣ｊＡＷａＮ　噪声向量，其每个分量都是均值为零、方差ｏ。的相互独立　的正态分布随机变量。　追零算法的目的是首先检测从某一层的发送信号，然后　从其它层中抵消这一层信号造成的干扰，逐次迭代，最后完　成整个信号向量的检测。迫零算法中，进行信号干扰抵消的　顺序对于系统性能有重要影响。我们引入整数序数集合：　，　１　Ｓ　章ｌ，ｓ２，Ｌ，ｓｎ７’；　（２）　来表示自然序数（１，２，…，１１　）的某种排列。ｚＦ算法可以　描述为如下的迭代过程。　初始化：ｉ＝ｌ　Ｇ．＝Ｈ　（３）　迭代过程：　ａｒｇ．，　１　ａｒｉＬｎ　（Ｇ，　（４）　一ｌ　ｗ　（Ｇ　（５）　：ｗ互　（６）　＝Ｑ　㈤　ｑ＋ｌ　一Ｘｓ／（Ｈ）ｓｉ　（８）　Ｇｆ＋ｌ　专　（９）　ｉ＝ｉ＋ｌ　（１Ｏ）　其中：Ｈ＋表示Ｍｏｏｒｅ－Ｐｅｎｒｏｓｅ广义逆；Ｈ；表示令Ｓ　。　ｓ　，…，Ｓ　列为Ｏ得到的矩阵的广义逆；（Ｇ。）　表示矩阵Ｇ。的第　Ｊ行：Ｑ（・）函数表示根据星座图对检测信号进行硬判决解调。　公式（８）给出了干扰抵消的顺序。上述算法中的干扰抵　消顺序是根据每次迭代的广义逆矩阵接收列向量信号能量来　排序的，这种排序是一种本地最优化方法。　３仿真结果和分析　在前文ｚＦ＿ｖ　ＬＡｓＴ模型和算法基础上我们对ＭＩＭＯ系统　仿真。仿真环境为准静态瑞利环境，满足互不相关条件，系　统采用ＱＰＳＫ调制。　１０口　、　ｌ　—＼ｉ　：　ｆ　１０≈　：≥　．　．堑ｌ０　…：　；，　：　：：。：，　．，　．　，：　，　…　．。．．；　＝　。　，　，　１０　：ｌ、　１０　１０｛　图三收天线数相同时误码率　图四发天线数相同时误码率　图三是收发天线分别为ＩＴ４Ｒ、２Ｔ４Ｒ、３Ｔ４Ｒ、４Ｔ４Ｒ时的误　码率仿真图。由图三可知：在接收端采用多天线系统是实现　抗衰落的有效方法。由于多天线可以产生多个空间信道，从　而能提高数据传输率。对于Ｍ根发天线和Ｐ根收天线，数据　率可以增加Ｍ倍：并且．ｘ，－ｌ每根发射天线发出的信号，可以提　供Ｐ阶的接收分集来抗衰落。但是由于Ｍ根发射天线的信号　不具有正交性，空间信道会存在信道干扰。　随着发天线数目的减少，传输数据的速率降低，误码率　也明显的降低，性能有了显著的提高。图三中误码率在ｌＯ－Ｚ　数量级时，少１根发射天线，即：由４Ｔ４Ｒ到３Ｔ４Ｒ有ｌＯｄＢ的　增益。再减少发射天线，性能改善的比较少，约５ｄＢ左右。因　此，系统性能的改善是有限度的。发射天线越少系统性能越　维普资讯 http://www.cqvip.com

可靠。因此分集和不分集之间性能是质变的过程，分集之间　的牲能改善是量变的过程。　随着发送天线的减少，空间复用增益减少，虽然分集增　益增加了，但是系统的吞吐量变小了，从这一点上看空间复　用增益和分集增益不能同时增大，在设计的ＭＩＭＯ通信系统的　时候要均衡考虑。　图四是收发天线分别为２Ｔ２Ｒ、２Ｔ３Ｒ、２Ｔ４Ｒ时的误码率性　能仿真图。由图四可知：随着接收天线数目的增加，误码率　明显降低，性能有了显著的改善。图中误码率达到１Ｏ　数量　级时，增加１根收天线，即：由２Ｔ２Ｒ到２１＂３Ｒ有７ｄＢ左右的　增益。再增加发天线，性能改善的比较的少，２ｄＢ左右。因　此，在空间分集中，分集的牲能比不分集的性能有显著提高。　分集天线数Ｎ越大，分级效果越好。分集的增益正比于分集　的天线数量，一般当Ｎ较大时（Ｎ＝４），增益改善不明显，且　随着Ｎ的增大而减小。　图五分集天线数Ｎ相同时误码率　图五是分集天线数Ｎ相同的情况下，收发天线对数不同　时对误码率性能仿真图。收发天线对数分别为ＩＴ２Ｒ、２Ｔ４Ｒ和　４Ｔ８Ｒ时的误码率性能仿真。从图中能看到分集天线数目Ｎ相　同，Ｅｂ／ＮＯ比较低的情况下，收发天线数量对于误码率的影　响是比较小的，相差不大。随着Ｅｂ／ＮＯ的增大，收发天线数　量越多性能越好，系统的吞吐量越大。　４结束语　基于Ｎ　＜　∞ＬＡ∞Ｔｌ异法的收发天线数量对系统的影晌　本文以ＭＩＭＯ信道中分层空时信号检测技术为理论依据。　通过三种模型：一种是接收天线数量不变发送天线数量改　变；第二种发送天线数量不变接收天线数量改变；第三种收　发天线数比值相同，天线对数不同。在这三种情况下研究ｚＦ－　Ｖ－ＢＬＡＳＴ算法巾收发天线数量的改变对信号检测性能的影响。　仿真结果结果表明：在无线通信技术中分集技术能够很好的　提高系统性能。随着系统天线数目增加，系统的频率利用率　和误码率性能增强，但是发天线与收天线个数对于系统来说　是一对矛盾。对于发送天线越少性能越稳定越可靠，但是传　输速率降低；对于收天线越多系统越可靠，但是当天线的数　目增加到某一值以后，分集增益导致的性能改善是有限的。　因此对于系统设计而言，首先要在保证可靠的前提下考虑效　率，可靠与效率要两者兼顾。其次实际中增加收发天线数目　使建设成本比较昂贵复杂，增加天线的建议只能根据实际的　情况而定。因此要继续提高传输的质量，只有兼用其他的方　法来实现。　参考文献　［１】吴伟陵，牛凯，等．移动通信原理［Ｍ．Ｍ］北京电子工业　出版社，２００５：２９０—３０７．　・　【２Ｊ　Ｓｙｅｄ．Ａ１ｉ　Ｊａｆａｒ，Ｓｒｉｒａｍ　Ｖｉｓｈｗａｎａｔｈ，Ａｎｄｒｅａ　Ｇｏｌｄｓｍｉｔｈ，”Ｃｈａｎｎｅｌ　Ｃａｐａｃｉｔｙ　ａｎｄ　Ｂｅａｍｆｏｒｍｉｎｇ　ｆｏｒ　Ｍｕｌ—　ｔｉｐｌｅ　Ｔｒａｎｓｍｉｔ　ａｎｄ　Ｒｅｃｅｉｖｅ　Ａｎｔｅｎｎａｓ　ｗＪ　ｔｈ　Ｃｏｖａｒｌａｎｃｅ　Ｆｅｅｄｂａｃｋ”【Ｊ】ＩＣＣ２００１，ＰＰ．２２６６　２２７０，Ｓｔ．Ｐｅｔｅｒｓｂｕｒｇ，　Ｊｕｎｅ　１１－１４，２００１．ｖａｎ　Ｚｅｌｓｔ，Ａ．：”Ｓｐａｃｅ－Ｔｉｍｅ　Ｃｏｄｉｎｇ’’　Ｅｌｅｃｔｒｏｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，２０００．　［３】李小玮，韦岗．基于ＭＩＭ０的垂直分层空时码检测算法　［Ｊ】．电讯技术，２００５，３：２６—２９．　（４】王国荣．矩阵与算子广义逆［　．北京：科学出版社，　１９９４．　［５张平、王卫东、陶小峰，５］等．ＷＣＤＭＡ移动通信原理［Ｍ］．　北京：人民邮电出版社，２００１．　［６】Ｂｒａｎｋａ．Ｖｕｃｅｔｉ　ｃ，Ｊｉｎｈｏｎｇ．Ｙｕａｎ．”Ｓｐａｃｅ－Ｔｉｍｅ　Ｃｏｄｉｎｇ”［、ｉ１］．北京：机械工业出版社，２００４，８：１６４—１９４．　作者简介　朱彦军（１９７６一），男，山西平定人，汉族，太原科技　大学教师，昆明理工大学在读硕士研究生，主要研究方向：　移动通信、个人通信和无线通信。