基于MIMO技术的多天线通信系统仿真程序包

资 源 简 介

该项目是一个专门为MIMO（多输入多输出）通信技术初学者设计的实验仿真平台，旨在通过代码实践深入理解空间复用与分集增益。程序包系统地集成了四种典型的无线通信配置模式：SISO（单输入单输出）子程序作为性能基准，展示了在瑞利衰落信道下基础通信链路的表现；SIMO（单输入多输出）子程序侧重于接收分集技术，演示了利用多个接收天线进行信号增强和最大比合并（MRC）的方法；SIDO（通常指代发送分集或单输入双输出配置）子程序则用于探讨发射端的信号处理与分配策略；最为核心的MIMO（V-BLAST）子程序实现了垂直分

详 情 说 明

基于MIMO技术的多天线通信系统仿真基础程序包

本项目是一个面向无线通信初学者设计的实验仿真平台，重点展示了MIMO（多输入多输出）技术的核心原理。通过MATLAB仿真，项目系统地对比了不同天线配置下的系统性能，帮助使用者从代码视角理解分集增益（Diversity Gain）与复用增益（Multiplexing Gain）的物理意义及实现差异。

1. 功能特性

• 演进式仿真架构：涵盖了从单天线（SISO）到基础分集（SIMO/MISO）再到空间复用（MIMO）的完整演进路径。
• 核心算法实现：集成了最大比合并（MRC）、Alamouti空时分组码、迫零（ZF）检测以及最小均方误差（MMSE）检测等关键技术。
• 自动化对比分析：程序会在同一信噪比（SNR）维度下自动计算各系统的误码率（BER），并生成直观的性能对比曲线。
• 数据可视化：除了性能曲线，项目还实时生成接收端解调星座图，清晰展示噪声与干扰对信号判决的影响。
• 高兼容性代码逻辑：内置了辅助调制解调逻辑，确保在不同软件环境下均能稳定运行。

2. 使用方法

1. 启动软件：打开MATLAB环境。
2. 运行程序：直接执行主程序函数。
3. 过程监控：程序会遍历0dB至20dB的信噪比范围，逐步计算各模式下的误码表现。
4. 结果查看：仿真结束后，将自动弹出“MIMO系统性能对比”曲线图和“接收端解调星座图”，同时在控制台输出详细的信噪比与误码率对应数据表格。

3. 系统要求

• 环境支持：MATLAB R2016a 及以上版本。
• 硬件资源：建议具备基本的计算性能以处理 $10^5$ 量级的符号仿真，确保结果的统计特异性。

4. 仿真实现逻辑与功能模块说明

程序内部通过一个闭环的仿真循环，依次实现了以下四种配置的通信链路：

SISO (单输入单输出) 链路 该模块作为性能基准，模拟了1发1收的瑞利衰落信道。它利用复高斯随机变量生成衰落系数，并在接收端采用迫零均衡方式恢复信号。这部分体现了无线通信在无分集保护时最基础的抗噪声表现。

SIMO (单输入多输出) 接收分集 采用1发2收模式，核心在于实现了最大比合并（MRC）算法。通过将两个接收天线的信号进行共轭合并，程序演示了如何利用接收端空间冗余来补偿信道衰落，显著提升信号的可靠性。

MISO (单输入多输出) 发射分集 采用2发1收模式，严格遵循Alamouti空时分组编码协议。程序将发送符号按照成对映射的逻辑（[s1, s2; -s2*, s1*]）分散在两个时隙和两个发射天线上。接收端通过特定的线性组合恢复原始符号，展示了在不增加接收天数前提下获取分集增益的策略。

MIMO (多输入多输出) 空间复用 采用2发2收架构，体现了V-BLAST（垂直分层空时编码）的核心思想。此模块将数据流拆分为两个独立子流同时发送，旨在提升系统容量。程序实现了两种主流的线性检测算法：

• 迫零检测（ZF）：通过信道矩阵的伪逆完全消除天线间干扰（ICI）。
• 最小均方误差检测（MMSE）：在抑制干扰的同时兼顾了噪声抑制，通过引入噪声方差项优化检测性能。

5. 关键算法与实现细节分析

信道模型构建 所有子模块均运行于瑞利衰落（Rayleigh Fading）信道下。信道系数由服从标准正态分布的实部与虚部组成，通过归一化因子保证平均功率的一致性。

最大比合并 (MRC) 准则 在SIMO模式中，程序通过将接收向量与信道矢量的共轭转置相乘，并依信道模值平方进行归一化。公式实现过程确保了合并后的信噪比达到最高。

Alamouti 编解码逻辑 发射端对符号流进行成对拆分并进行正交化处理。接收端利用信道的正交特性，通过简单的线性累加实现信号解算，该算法平衡了实现的复杂性与系统的鲁棒性。

MIMO 检测矩阵计算

• ZF 算法通过计算矩阵 $H$ 的伪逆来实现，适用于高信噪比环境。
• MMSE 算法在求逆过程中引入了噪声功率项（$sigma^2 times I$），有效解决了ZF在低信噪比下“噪声放大”的问题，实验结果能清晰体现其性能优越性。

结果统计与分析 程序最后生成的一系列统计图表不仅准确描述了各技术的性能优劣（如MMSE优于ZF，分集技术改善BER曲线斜率等），还通过格式化的报告形式总结了MIMO物理层设计的核心结论。