MIMO通信系统中迫零算法研究及其CUDA仿真-毕业论文网

论文总字数：17161字

目录

摘要 I

Abstract II

1绪论 1

1．1 MIMO研究目的及意义 1

1．2国内外研究现状 1

1．3 并行技术 1

2 MIMO检测算法 1

2．1 MIMO信道模型 1

2．2 最大似然检测算法（ML） 2

2．3 线性检测算法 3

2．3．1 迫零检测算法（ZF） 3

2．3．2 最小均方误差检测算法（MMSE） 3

2．3．3 串行干扰抵消算法（SIC） 4

2．4 非线性检测算法 4

2．4．1 QR分解算法 4

2．4.2 球形译码算法（SDA） 5

3 并行运算 5

3．1 CUDA简介 5

3．2 CUDA基本知识 6

3．2．1 并行数据 6

3．2．2 CUDA程序结构 7

3．2．3 设备存储器和传输数据 8

3.4 gpuArray()函数及其作用 9

3.4.1 程序流程图 9

4 仿真结果与比较 11

4．1 程序流程图 11

4．2 不同天线数的迫零算法的MATLAB仿真 13

4．3 调用CUDA的不同天线数的迫零算法的MATLAB仿真 14

4．4 是否调用CUDA所需时间的比较 14

4．5 两种运算方式下CPU占用率的比较 15

5 结论 17

参考文献 17

致谢 19

MIMO通信系统中迫零算法研究及其CUDA仿真

任彦辉

，China

Abstract：MIMO communication technology is considered a major breakthrough in modern communication technology and it has become a hot spot for wireless communication． Currently， MIMO channel emulator primarily in MATLAB simulation，besides simulation-based serial computation． However when the increase in the transmission and reception antennas，a sharp increase in the number of simulation and simulation take longer time，the traditional serial computing is difficult to achieve the requirements of real-time processing．Based on this background，this article uses CUDA Parallel Computing Method．CUDA is Nvidia＇s Compute Unified Device Architecture，developed using SPMD parallel programming style，so that the CPU and GPU co-processing，perform the same procedure in a plurality of portions of the data，and do not execute same instruction simultaneously．MIMO communication system zero forcing algorithm in this article change serial simulation into parallel computing simulation．Compare the two results and its time used and draw the conclusion．

Key words：Zero forcing algorithm； parallel computing； cuda

1绪论

1．1 MIMO研究目的及意义

从近几年的理论研究的成果发现：在存在大量散射的无线通行的信道当中，发射端和接收端都应用多根天线数的话，就能够获得比单输入单输出系统更高的系统容量，并且这一技术还能够在不增加带宽的条件下大幅度的提高通信系统的容量和频谱的使用效率，这使得MIMO技术成为目前国内外通信领域的研究热点之一。

虽然从理论上已经发现了多天线系统所获得的容量是随天线数数目的增加呈现线性增长的情况，而且还了解到了MIMO信道容量是最优MIMO系统的性能上限，不过了解了这一上限却并不表示我们能够完成这一预期目标。除此之外，最优系统的空时联合处理由于其较高的复杂度而难以被应用到实际当中去，所以，在发射端和接收端之间策划一个合理的用于处理的检测算法成为能否开发出MIMO技术的潜能的关键方法^［1］。

1．2国内外研究现状

目前，MIMO技术经过理论研究到实验认证，基本实现了各个方面的商业化。在国外，松下、金桥、朗讯和NTT DOMO等公司都采用的是MIMO系统，在美国，朗讯bell实验室成功发明了第一款BLAST芯片，Airgo公司研发成功了基于MIMO技术的超高速无线WLAN芯片组^［2］。在欧洲，欧盟启用了信息技术计划（IST），寻找智能环境和虚拟通信环境在未来实现的可能。

在国内，科技部十分看重新一代的MIMO无线通信技术，且开展了未来通用无线通信技术研究计划（FUTURE），该计划主要通过研究B3G/4G空中接口技术等成熟技术，完成网上连接和业务演示的开发，完成无线通信系统标准化、实用化的研究。

1．3 并行技术

从计算机发明以后经历到现在，绝大多数的软件应用程序都是以串行运算的方式实现的，这是因为串行程序的按顺序执行下去的过程符合我们的思维习惯，很容易就能够被我们所认知。超级计算是我们在现代处理器中看到的许多技术的发展动力，由于对用更快的处理器来处理更大数据集的需求，工业界也必须不断生产出更快的计算机从而满足用户对程序运行速度更快的期待，但是这种要求越往后越难以实现，这是因为一个微处理器内核中一次只能运行一个程序，发展到现在已经达到一个瓶颈阶段了，很难再有突破。如果一直这样下去会严重阻碍整个计算机行业的发展进程，在这样的情况下，并行运算就由此产生了，并推动整个计算机行业继续发展下去。

传统的并行技术通过使用多核CPU执行并行运算和多线程多进程处理。近几十年以来，Intel的奔腾系列和AMD系列等只有一个中央处理单元（Central Processing Unit，CPU）的微处理器，大大地提高了计算机运用程序的性能，并且降低了计算机的使用成本。这使得在计算机行业内软件性能的显著提升和用户适应后对性能的需求之间形成一个很好的良行循环。

并行运算的本质就是通过运用多线程的方式来提高应用软件的性能，从而推动计算机产业的高速发展，但是由于需要调用图形应用编程接口API函数来访问处理器内核，因此必须使用OpenGL或Direct3D技术等进行编程，极大限制了底层代码的开发速度，使得只有少数人才掌握这种技术，但是它依旧是一个很好的发展方向。

2 MIMO检测算法

2．1 MIMO信道模型

如果用户在单个时隙内，具有根发射天线和根接收天线的MIMO系统，假设信道为准静态平坦衰落情况下，可以得到一个的MIMO信道模型，如下图2．1所示。