在非視距的移動通信環(huán)境下，設計傳輸速率非常高、又能提供好的服務質量和較大的服務范圍的通信技術，對設計人員來說是一個挑戰(zhàn)。多輸入多輸出的MIMO(MultipleInput Multiple-Output)技術指的是利用多根發(fā)射天線和多根接收天線進行無線傳輸的技術，使用這種技術的無線通信系統(tǒng)即為MIMO系統(tǒng)。MIMO技術能在不增加帶寬的情況下成倍地提高通信系統(tǒng)的容量和頻譜利用率，因而對于它的研究已經成為通信理論研究的前沿領域。
MIMO技術的實質是為無線系統(tǒng)提供空間復用增益和空間分集增益?？臻g復用技術可以大大提高信道容量，而空間分集技術則可以提高信道的可靠性，降低信道的誤碼率。
垂直分層空時碼系統(tǒng)(V-BLAST)是貝爾實驗室提出的一種基于多輸入多輸出(MIMO)傳輸方式的空時碼系統(tǒng)，它是空間復用技術的代表。
V-BLAST結構，就是將待發(fā)射的數據流分解為多個并行子數據流，對各路數據流獨立地進行編碼、調制與映射到其對應的發(fā)射天線上，在接收端采用檢測算法結合消除干擾等技術將多路子數據流分離。
一般來講，V-BLAST系統(tǒng)以部分分集增益為代價來換取高頻帶利用率。由于V-BLAST無法獲得最大分集增益，接收端在檢測信號時選用的檢測算法對提高整個系統(tǒng)性能至關重要。本文對V—BLAST系統(tǒng)中的兩種檢測算法進行了深入研究，通過仿真結果分析它們的性能，并對這兩種算法的適用性做了比較。
1 傳統(tǒng)的接收端檢測算法
MIMO信號檢測技術有多種算法，最優(yōu)的算法是最大似然(ML)譯碼算法，但ML算法的復雜度隨著天線數及調制階數的增加呈指數增長，無法實用，故提出了各種簡化的算法。其中常用的檢測算法包括迫零(ZF)線性算法和最小均方誤差(MMSE)線性算法。
假設MIM0信道是平坦衰落的，則接收機在t時刻收到的信號向量表示為：
其中，rt表示nR×1的接收信號向量，H是nR×nr維信道響應矩陣，xt是nT×l的發(fā)送信號向量，nt是nR×1的AWGN噪聲向量，其中每個分量都是均值為0，方差為σ2的相互獨立的正態(tài)分布隨機變量。
1．1 ZF算法
ZF是最簡單的一種線性檢測算法，是用線性變換矩陣G左乘接收矢量rt，從而完全或部分消除其他天線干擾。
G為H的Penrose-Moore逆(也稱為廣義逆)。假設信道矩陣可逆的前提下，接收到的信號向量估計值為：
為了保證廣義逆的存在，nT必須小于等于nR，否則HHH為奇異陣，它的逆不存在。
ZF算法雖然能使其它天線的干擾為零，卻存在著放大噪聲的缺點，所以又提出了基于MMSE準則的檢測方法。
1．2 MMSE算法
MMSE算法是基于接收向量rt來選擇矩陣wMMSE(wMMSE是nT×nR的線性組合系數矩陣)使均方誤差最小化，即：
根據正交原理可得最優(yōu)解為：
該算法可以最小化由于噪聲和其它天線的干擾造成的誤差，接收到的信號向量估計值可以表示為：
其中，σ2是AWGN的方差，InT是σ2→0的單位矩陣。
從ZF算法和MMSE算法中可以看出，ZF算法雖然能使其他天線的干擾為零，但是由于噪聲前乘上了因子G，噪聲被放大，所以檢測性能比較差。MMSE算法并沒有完全消除其他天線的干擾，而是在降低其它天線干擾和噪聲增強之前取得了折衷，使得總的誤差率最小。如果信噪比很高時，即σ2→0，則MMSE算法可以簡化為ZF算法。
無論ZF算法還是MMSE算法，其實質都是基于信道矩陣求逆的方法，為了使信道矩陣求逆有唯一解，就必須要求接收天線的數目大于或者等于發(fā)送天線的數目。
2 串行干擾抵消檢測算法
串行干擾抵消檢測算法借用了多用戶檢測中的串行干擾相消(SIC)思想。SIC的思路是先檢測出一個用戶的信號，然后將其再恢復成發(fā)射信號乘上信道參數作為對其他用戶的干擾，從接收信號中減去，這樣可以降低對其他用戶信號的干擾。這一過程中會有錯誤傳遞，如果是可靠性最高的用戶信號先被刪除，則會降低錯誤傳遞的概率。所以可以按照各個用戶信號信噪比從高到低的順序進行檢測刪除。在MIM0系統(tǒng)中，將SIC思想與傳統(tǒng)的檢測算法結合起來，就是V-BLAST系統(tǒng)的譯碼算法。在本論文中，將SIC分別與ZF算法和MMSE算法結合進行研究。
3 仿真結果分析
3．1 仿真
利用MATLAB軟件進行仿真，采用的是2發(fā)2收、4發(fā)4收的天線模型，信道為窄帶瑞利快衰落信道，假設接收端具有理想信道估計，調制方式是BPSK。分別對ZF算法、MMSE算法、ZF—SIC算法、MMSE-SIC算法進行仿真，結果如圖l、圖2所示。
3．2 各算法性能的比較
1)從圖l、圖2的仿真結果可以看出，在發(fā)收天線數一樣的情況下，傳統(tǒng)的ZF算法檢測性能最差，傳統(tǒng)的MMSE算法和V—BLAST的ZF—SIC算法性能相近，但是隨著信噪比的增加，ZF-SIC算法的性能更優(yōu)些。V-BLAST的MMSE—SIC的檢測性能最好，隨著信噪比的增加，它的分集增益愈明顯。
2)對比圖l和圖2的仿真結果可以看出，4發(fā)4收的模型下采用的V-BLAST檢測算法比2發(fā)2收模型下采用的V—BLAST檢測算法性能優(yōu)勢會更明顯些。
3)雖然MMSE—SIC算法的檢測性能最好，但它對應于其他幾種算法的復雜度較高，其次是ZF-SIC算法，MMSE算法性能適中，而且結構簡單，復雜度較低。所以在實際運用時，應該根據具體情況綜合考慮，均衡檢測算法的性能和復雜度。
4 結論
本文介紹了MIMO系統(tǒng)傳統(tǒng)的兩種檢測算法和在這兩種算法的基礎上融入串行干擾抵消思想的V—BLAST檢測算法，并對各種檢測算法的性能和復雜度進行了比較分析。MIMO技術已在無線通信系統(tǒng)中得到了廣泛的研究與應用，尤其是基于MIMO系統(tǒng)的V—BLAST空時碼系統(tǒng)。如何進一步提高檢測算法的性能，將是大幅度提高系統(tǒng)性能的必然趨勢。