基于BD预编码与VBLAST集成的多用户MIMO系统仿真

资 源 简 介

本项目实现了一个结合块对角化（Block Diagonalization, BD）预编码与VBLAST（Vertical Bell Laboratories Layered Space-Time）检测技术的下行多用户MIMO系统仿真平台。项目的功能实现主要分为三个阶段：第一阶段是干扰抑制，通过获取下行信道状态信息，利用BD算法为每个用户构造预编码矩阵，将各个用户的待发信号投影到其他用户信道的零空间中，从而在物理层彻底消除多用户干扰（MUI）。第二阶段是空分复用，在经BD处理后的等效并行子信道上，通过VBL

详 情 说 明

基于块对角化预编码与VBLAST集成的MIMO通信系统

项目介绍 本项目是一个多用户MIMO（MU-MIMO）下行链路通信系统的仿真平台，旨在探究物理层干扰抑制技术与空间复用技术的结合。系统核心通过块对角化（Block Diagonalization, BD）预编码算法解决多用户间相互干扰（MUI）的挑战，并集成VBLAST（垂直贝尔实验室分层空时）技术提升单用户的传输速率。仿真涵盖了从信道建模、预编码矩阵构造、调制传输到接收端信号逐层恢复的完整物理层链路，并通过性能评估曲线展示了系统在误码率和频谱效率方面的表现。

功能特性

• 实现了一种基于SVD（奇异值分解）的两阶段BD预编码逻辑，能够在多用户场景下实现子信道的完全正交化。
• 集成了VBLAST检测算法，支持零迫近连续干扰抵消（ZF-SIC）处理，通过层层剥离提升空间流的恢复精度。
• 系统支持多天线配置（如基站8天线，4个用户，每个用户2天线）的高维仿真。
• 提供了对比分析功能，可直观展示传统线性ZF接收与非线性SIC接收在误码性能上的差异。
• 自动化生成系统加和速率曲线、星座图及分层误码率统计，辅助分析空分复用增益。

使用方法

1. 启动 MATLAB 软件（建议版本 R2020b 或更高）。
2. 将仿真脚本文件放置在 MATLAB 当前工作路径下。
3. 直接运行主程序函数。
4. 程序将自动进行蒙特卡洛迭代仿真，计算不同信噪比下的指标。
5. 仿真结束后，系统将自动弹出四个可视化图表窗口，分别显示BER曲线、系统容量、星座图以及分层性能指标。

系统要求

• 软件环境：MATLAB R2018a 或以上版本。
• 必备工具箱：Communications Toolbox（用于 QAM 调制与解调相关函数）。
• 硬件建议：具备 8GB 以上内存，以支持多轮蒙特卡洛循环的高效率运算。

实现逻辑说明 主仿真程序的执行流程严格遵循以下五个阶段：

1. 参数初始化阶段：

设置基站天线数、用户数及每个用户的天线数。该阶段会验证天线配置是否满足 BD 预编码的维度要求（即基站天线总数需大于或等于所有接收天线之和），并定义信噪比（SNR）扫描范围和最大迭代次数。

1. 预编码矩阵构造：

针对每一个用户，首先提取除该用户外所有其他用户的联合信道矩阵。通过对联合矩阵进行第一次奇异值分解（SVD），找到其对应的零空间。随后将当前用户的信道投影到此零空间中形成等效信道，并进行第二次 SVD 分解。最终生成的预编码矩阵确保了用户间的信号在物理层互相处于零空间，消除了多用户干扰。

1. 信号发送与信道传输：

系统生成随机比特流并进行 4-QAM（QPSK）调制。根据生成的各个用户预编码矩阵对符号进行加权求和，构建总的发射向量。信号经过瑞利衰落信道，并在接收端加入高斯白噪声。

1. 接收端分层检测：

程序实现了两种检测算法对比。第一种是“纯BD”模式，通过简单的线性零迫近（ZF）均衡恢复比特。第二种是“BD-VBLAST”模式，引入了连续干扰抵消（SIC）逻辑：在每一层检测中，计算当前等效信道矩阵的伪逆，根据行范数最小原则（即信噪比最优）选择当前最佳层进行判决，随后将该层信号的影响从接收向量中减去，并更新信道矩阵，循环往复。

1. 性能统计与计算：

程序会计算并记录每个 SNR 点下的总误码率、纯线性接收误码率、系统加和速率（基于 Shannon 容量公式）以及 VBLAST 每一层空间流的独立误码率。

关键算法及实现细节分析

• 块对角化（BD）算法：

该算法的核心在于利用 SVD 分解将多用户下行信道转化为多个相互独立的点对点 MIMO 子信道。主程序通过构造联合信道矩阵并提取其右奇异矩阵的最后几列（即零空间基向量），实现了对干扰空间的精确规避。

• VBLAST 排序检测逻辑：

在 BD 处理后的等效信道上，程序并未简单进行线性均衡，而是采用了基于排序的 SIC。通过 min(sum(abs(G).^2, 2)) 逻辑寻找权重矩阵中范数最小的行，这代表了该层具有最高的接收信噪比增益，从而优先解调最强的层，减少了误差传播。

• 系统容量评估：

系统加和速率通过 log2(det(I + SNR * H_eff * H_eff')) 计算。这反映了在排除多用户干扰后，各个用户利用本地多天线所能达到的理论频谱效率总和。

• 误码率（BER）多维分析：

程序不仅对比了 BD-VBLAST 与纯 BD 的总 BER 差异，还通过 layer_ber 数组记录了不同空间流的性能。由于 VBLAST 中的 SIC 存在误差传播效应，第一层解调的准确性对后续层至关重要，仿真图表将详细展现这种分层检测的特性。

• 星座图采样：

为了验证解调效果，程序在最高信噪比点处对目标用户的解调前信号进行了采样。通过对比发射星座点与接收解调点，可以直观观察到噪声和干扰抑制后的信号分布情况。