2011 年第 02 期，第 44 卷 通 信 技 术 Vol.44，No.02,2011 总第 230 期 Communications Technology No.230,Totally VBLAST 系统的译码算法研究 黄玉娟， 裴炳南 （大连大学 信息工程学院，辽宁 大连 116622） 【摘 要】对已有的传统译码算法如迫零算法（ZF）、最小均方（MMSE）算法、连续抵消（SIC）算法等的性能进行了研 究，并在此基础上提出将迫零算法与连续抵消算法、最小均方算法与连续抵消算法相结合，构成迫零-连续抵消算法（ZF-SIC） 与最小均方-连续抵消算法（MMSE-SIC），从而明显改善系统的误码性能。此外，对收发两端采用不同天线数时的系统误码性 能进行了仿真与分析，同时仿真分析了系统采用 QPSK 与 16QAM 调制方式的误码性能，最后给出仿真分析结果。 【关键词】迫零算法；迫零-连续抵消算法；最小均方算法；最小均方-连续抵消算法 【中图分类号】TN919.8 【文献标识码】A 【文章编号】1002-0802(2011)02-0025-02 Research of Decoding Algorithm for VBLAST System HUANG Yu-juan， PEI Bing-nan (Information Engineering School, Dalian University, Dalian liaoning 116622, China) 【Abstract】The performance of traditional decoding algorithms, such as ZF algorithm, MMSE algorithm and SIC algorithm is studied. Based on this and by combining ZF with SIC and MMSE with SIC, respectively, the new algorithms of ZF-SIC and MMSE-SIC are thus formed, these new algorithms significantly improve the BER performance. In addition, the BER performance of the system with different transmitting and receiving antennas is simulated, including the BER performance of different modulations in the system, such as QPSK and 16QAM. Finally the simulation results are given in the paper. 【Key words】 ZF algorithm; ZF-SIC algorithm; MMSE algorithm; MMSE-SIC algorithm 0 引言 为了充分利用多输入多输出（MIMO） 技术[1]，Foschini G J 提出了一种空时发射方案，即贝尔实验室空时分层结构 （BLAST Bell Laboratories Layered Space Time）[2]。BLAST 系统的数据在多条发射天线上独立发送，具有很高的频谱效 率。根据构造方式的不同，BLAST 系统可以分为对角结构 （D-BLAST：Diagonal BLAST ）、垂直结构（V-BLAST： Vertical BLAST ） 和 水 平 结 构 （ H-BLAST ： Horizontal BLAST）。其中，VBALST 可以在相对较低复杂度下获得较 大容量，在实际应用中得到广泛应用[3]。 接收检测算法是 VBLAST 系统中的关键环节[4-5]，已有 研究表明，多天线系统的最大似然（ML）检测算法的复杂 度随发送天线数呈指数增长 [6]。连续干扰抵消算法 SIC （Successive Interference Cancellation）虽然降低了复杂度， 但其性能却不是太好[7]。文中对已有的传统译码算法如迫零 收稿日期：2010-08-24。 作者简介：黄玉娟（1985-），女，硕士研究生，主要研究方向为宽带无 线通信；裴炳南（1956-），男，教授，博士生导师，主要研 究方向为通信与雷达信号处理，信息通讯工程。 （ZF）算法、最小均方误差（MMSE）算法、SIC 算法等的 性能进行了研究，并在此基础上提出将 ZF 与 SIC 算法、 MMSE 与 SIC 算法相结合，从而明显改善系统的误码性能。 对收发两端采用不同天线数时的系统译码性能进行了仿真 分析，并给出了译码算法的性能仿真图与分析结果。 1 VBLAST系统模型 这里主要研究 BLAST 系统中的垂直结构，即 VBLAST 系统。假设基站的发送天线数目为 n ，移动台接收天线的数 目为 m ，信道为窄带准静态平坦 Rayleigh 衰落信道。假设每 = ，接收天线上的接收信 kS k 天线上的发射信号为 ( 1,2, l 号为 lx ( n , ) m ) , = 其 中 ， η ja=H )i , x H s + ， （1） ja 表 示 从 发 射 天 线 25 为 信 道 矩 阵 ， ,i ( = x = ，引入列向量表示： 1,2, x ⎤ ⎡ 1 ⎥ ⎢ x ⎥ ⎢ 2 ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ x ⎣ ⎦ m ⋅ ，则有： s 1 s 2 s ⎡ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎤ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ， = s n 

, m ) j n , ) = 到接收天线 i ( i 1,2, = 间的信道增益， j ( 1,2, ja 是一个服从均值为 0, 实虚部方差为1 2 的复高斯随机变 ,i 量，η表示高斯白噪声向量。 2 VBLAST译码过程 2.1 仿真条件设置 使用MATLAB仿真工具对VBLAST系统的译码性能进行 仿真分析，仿真条件为：①信道是准静态的独立同分布瑞利 衰落信道，添加高斯白噪声，且每个用户的发射功率相等状 态信息；②发送端分别采用QPSK和16QAM调制方式；③用 ZF，ZF-SIC，MMSE，MMSE-SIC算法分别进行译码；④分 别采用两发两收系统和四发四收系统进行仿真；⑤帧长为 120 bit，帧数为10 000帧。 2.2 译码算法的仿真结果 图 1 是 VBLAST 系统采用 QPSK 调制方式时 4 种译码算 法的性能比较结果，此时系统的收发天线数目都是 2。从图 1 中可以看出：①在信噪比一样的情况下，ZF 与 ZF-SIC 的译码 性能相差很大，后者的译码效果明显强于前者，并且随着信 噪比的增大这种改善越明显，MMSE 与 MMSE-SIC 相比较也 达到了这样的效果，这说明 SIC 算法减小了噪音的影响，提 高了译码性能；②在信噪比一样的情况下，MMSE 的译码性 能优于 ZF，这说明 MMSE 是优于 ZF 的译码方法，这也符合 了复杂度高的译码算法往往具有更高的译码性能的说法。 RSN/dB 图 1 QPSK 调制下两发两收系统的译码性能 图 2 的仿真环境与图 1 相同，只是发射天线数与接收天 线数都变为 4。从图 2 中可以看出，当信噪比取相同的值时， 图 2 的误码性能明显优于图 1（当 RSN＝16 dB 时，图 2 的误 码率下降到了 10-4 以下，而图 1 的误码率仅仅是 10-3）。由图 1 与图 2 的比较结果可知，在相同的信道环境下，增加系统 的收发天线数目时，系统的译码性能也相应提高。 图 3 与图 2 的仿真情况完全一样，只是纵坐标数值与间 隔发生变化，这样有助于笔者对其译码性能进行更加精确的 分析。由图 3 可知，当误码率取 0.04 时，MMSE-SIC 与 MMSE 的信噪比分别为 0 dB，3 dB，于是 MMSE-SIC 比 MMSE 低 3 dB 的增益。当误码率取到 0.02 时 MMSE-SIC 与 MMSE 的 信噪比分别为 2 dB，7 dB，于是 MMSE-SIC 比 MMSE 低了 26 5 dB 的增益。由此可知，在 MMSE-SIC 与 MMSE 比较中， SIC 在低信噪比中发挥很重要的作用。 RSN/dB 图 2 QPSK 调制下四发四收系统的译码性能 RSN/dB 图 3 四发四收系统在 QPSK 调制下的译码性能 RSN/dB 图 4 VBLAST 系统在 16QAM 调制下的译码性能 图 4 是 VBLAST 系统在发射与接收天线数均为 4，调制方 式由 QPSK 变为 16QAM，其余仿真环境不变时得出的仿真结 果。当信噪比取相同的值时，图 4 的误码性能明显优于图 2（当 RSN＝16 dB 时，图 2 的误码率下降到了 10-4 以下，而图 4 的误 码率还达不到 10-3）。由此可见，在相同的信道环境下，当系统 采用不同的调制方式时，其译码性能也不同。从图 4 与图 2 的 比较结果可知，QPSK 调制方式的性能优于 16QAM 调制方式。 3 结语 文中主要对提出的 ZF-SIC 算法和 MMSE-SIC 算法，进 行了仿真分析，并对 MMSE-SIC、ZF-SIC、MMSE 和 ZF 四 （下转第 30 页） 

频 误 误 e e P P 100 10-1 10-2 10-3 10-4 10-5 0 无 有 有 ， 无 无 无 有 有 有 ， 无 无 无 有 有 有 ， 有 无 无 5 10 信 信 信 /dB 15 20 图 5 天线间距为 0.2 波长时信噪比与误码率的关系 将 MIMO/SA 天线模型的归一化间距设为变量，变化范 围为[0.05, 3]，步长为 0.05。由此得出天线间距与对应的 Z 参数，系统信噪比为 20 dB，从而由信噪比和 Z 参数得出系 统的误码率。如图 6 所示。 研究了互耦效应对 MIMO/SA 结合系统误码率的影响，并给 出了 QPSK 调制方式下的 MIMO/SA 系统误码率的严格计算 公式及其推导。通过仿真得出，在不考虑相关性和互耦效应 影响时系统的误码率最低，但互耦效应在 MIMO/SA 结合系 统中并非只起消极作用。当天线的间距较小时，互耦效应也 可以降低系统的误码率。由于天线间距与相关性之间是贝塞 尔函数，而且这种相关性还与角度扩展，到达角度等有关。 所以互耦与相关性对系统的影响还要结合具体的情况才能 做出准确的分析。互耦效应在何种情况下可以降低误码率将 是进一步关心的问题。 参考文献 [1] 缪刚，周志中．MIMO-OFDM 短波无线通信的频率同步技术研究[J]．信 10-4 10-5 10-6 10-7 频 误 误 e e P P 10-8 10-9 0 0.5 不不无无 考考无无 息安全与通信保密，2007(03)：73-76. [2] 唐云，王玲．MIMO-OFDM 系统信道估计算法研究[J]．信息安全与通 信保密，2007(05)：81-83. [3] 傅金琳，侯春萍，李科,等．互耦宽带 MIMO 系统容量分析[J]．计算 机工程与应用，2009,45(31):102-105. [4] 李忻，聂再平．天线互耦对 MIMO 无线信道性能的影响[J]．电波科 学学报，2005，20(04)：546-551. [5] FEMENIAS G．BER Performance of Linear STBC from Orthogonal Designs over MIMO Correlated Nakagami-m Fading Channels[J]. 2.5 3 IEEE Trans. Veh. Technol，2004(53)：307-317. 1 2 移移移移移移移移移移d 1.5 图 6 信噪比为 20 dB 时天线间距与误码率的关系 由图 6 可知，随着天线间距不断变大，系统的误码率会 随之降低。当天线间距为 0.1～0.4 波长时，考虑互耦可以降 低系统的误码率，当天线间距大于 0.5 时，考虑互耦的误码 率比不计互耦时要稍大。当然误码率大小与天线相关性等因 素也存在一定关系，会在今后工作中继续研究。 4 结语 [6] LU Shiyang，HUI H T,BIALKOWSKI M E．BER Performance of MIMO-OFDM Systems with the Existence of Antenna Mutual Coupling[C]. USA:IEEE，2007:2949-2952. [7] LU S, HUI H T, BIALKOWSKI M. Performance Analysis of Multiple-input Multiple-output Orthogonal Frequency Division Multiplexing Systems under the Influence of Antenna Mutual Coupling Effect[J].IET Microwave. Antennas & Propagation， 互耦效应对天线阵列的影响已不容忽视。基于互阻抗法 2009，3(02)：288-295. （上接第 26 页） [3] 黄韬,袁超伟,杨睿哲.MIMO 相关技术与应用[M].北京:机械工业出 种算法的译码性能进行了比较，误码性能的优劣顺序为 版社,2007. MMSE-SIC、ZF-SIC、MMSE、ZF。可以看出，结合了串行干扰 [4] 邓晓燕,李红信,宋晓辉.一种基于 MOMO-OFDM 系统的信号检测算 抵消算法后，系统的译码性能得到明显改善。 法[J].通信技术,2008,41（03）：1-2． [5] 李永杰,傅洪亮.基于 VBLAST-OFDM 的平行循环迭代 QR 分解检测算 参考文献 法[J]. 通信技术,2009,42（04）：7-9． [1] FOSCHINI G J, GANS M J. On Limits of Wireless Communications [6] MURUGAN A D, GAMAL H EI, DAMEN M O, et al. A Unified Framework in a Fading Environment when Using Multiple Antennas[J]. for Tree Search Decoding: Rediscovering the Sequential Wireless Personal Communications,1998,06:311-335. Decoder[J]. IEEE Transactions on Information Theory, 2006,52: [2] GOLDEN G D, FOSCHINI C J, VALENZUELA R A, et al. Detection 933-953. Algorithm and Initial Laboratory Results Using V-BLAST [7] WUBBEN D, BOHNKE R, KUHN V, et al. MMSE Extension of V-BLAST Space-Time Communication Architecture[J]. IEEE Electronics based on Sorted QR Decomposition[J]. IEEE Vehicular Letter,1999,35:11-14. 30 Technology Conference,2004,01:508-512.