mimo系統(tǒng)畢業(yè)論文

1、<p><b>　　第一章 緒 論</b></p><p>　　1.1 MIMO系統(tǒng)的概述</p><p>　　多輸入多輸出（Multiple-Input Multiple-Output）技術(shù)是無(wú)線(xiàn)移動(dòng)通信領(lǐng)域智能天線(xiàn)技術(shù)的重大突破。該技術(shù)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，是新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)必須采用的關(guān)鍵技術(shù)[1]。</

2、p><p>　　多輸入多輸出（MIMO）系統(tǒng)是在無(wú)線(xiàn)通信智能天線(xiàn)技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，其主要特點(diǎn)就是在通信系統(tǒng)的收發(fā)兩端采用多天線(xiàn)配置，以解決未來(lái)移動(dòng)通信系統(tǒng)大容量、高速率傳輸和日益緊張的頻譜資源間的矛盾。</p><p>　　通常，多徑要引起衰落，因而被視為有害因素。然而研究結(jié)果表明，對(duì)于MIMO系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，多徑可以作為一個(gè)有利因素加以利用。因?yàn)?，和智能天線(xiàn)技術(shù)不一樣的是，在MIMO系統(tǒng)中從

3、任意一個(gè)發(fā)送天線(xiàn)到任意一個(gè)接收天線(xiàn)間的無(wú)線(xiàn)信道是相互獨(dú)立的或者具有很小的相關(guān)性。MIMO系統(tǒng)在發(fā)射端和接收端均采用多天線(xiàn)(或陣列天線(xiàn))和多通道，MIMO的多入多出是針對(duì)多徑無(wú)線(xiàn)信道來(lái)說(shuō)的。</p><p>　　一句話(huà)，MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）系統(tǒng)就是利用多天線(xiàn)來(lái)抑制信道衰落[1]。根據(jù)收發(fā)兩端天線(xiàn)數(shù)量，相對(duì)于普通的SISO（Single-Input Single-O

4、utput）系統(tǒng)，MIMO還可以包括SIMO（Single-Input Multiple-Output）系統(tǒng)和MISO（Multiple-Input Single-Output）系統(tǒng)。</p><p>　　圖1-1為MIMO系統(tǒng)的示意圖。</p><p>　　發(fā)射天線(xiàn) 接收天線(xiàn)</p><p><b>　　輸入輸出

5、</b></p><p>　　圖 1-1 MIMO系統(tǒng)示意圖</p><p>　　1.2 MIMO系統(tǒng)的引入</p><p>　　傳統(tǒng)的無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)是采用一個(gè)發(fā)射天線(xiàn)和一個(gè)接收天線(xiàn)的通信系統(tǒng)，即所謂的單輸入單輸出(SISO)天線(xiàn)系統(tǒng)。SISO天線(xiàn)系統(tǒng)在信道容量上具有一個(gè)通信上不可突破的瓶頸—Shannon容量限制。不管采用哪種調(diào)制技術(shù)、編碼策略或其他

6、方法，無(wú)線(xiàn)信道總是給無(wú)線(xiàn)通信工程做了一個(gè)實(shí)際的物理限制。這一點(diǎn)在當(dāng)前無(wú)線(xiàn)通信市場(chǎng)中形勢(shì)尤為嚴(yán)重，因?yàn)橛脩?hù)對(duì)更高的數(shù)據(jù)傳輸速率的需求是非常迫切的，必須進(jìn)一步提高無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的容量[2]。</p><p>　　可以實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)的方法有很多，如設(shè)置更多的基站、拓寬帶寬等。增設(shè)基站意味著采用更多的蜂窩，這是提高容量代價(jià)最大的辦法。由于目前實(shí)際的無(wú)線(xiàn)應(yīng)用市場(chǎng)仍是在3G系統(tǒng)和WLAN（無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)）之間，是微波頻帶，加大該頻帶

7、的帶寬，就會(huì)導(dǎo)致與現(xiàn)行系統(tǒng)具有非常大的兼容性問(wèn)題，其代價(jià)也是很昂貴的，因此更高頻段的使用在近期內(nèi)不是提高無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)容量問(wèn)題的最佳解決方法。</p><p>　　有一個(gè)提高系統(tǒng)容量的方法是使用分集技術(shù)，提高發(fā)射、接收信噪比，以增大系統(tǒng)的容量，近年來(lái)，主要是通過(guò)在接收端使用多元陣列天線(xiàn)來(lái)獲得接收分集，其發(fā)射天線(xiàn)仍采用一個(gè)陣元，這就是SIMO系統(tǒng)。為減小接收端特別好似移動(dòng)終端的處理復(fù)雜度和體積，可以考慮把接收分集處理

8、技術(shù)平移到發(fā)射端，發(fā)射天線(xiàn)采用陣列結(jié)構(gòu)而接收天線(xiàn)采用單天線(xiàn)結(jié)構(gòu)，這就是等價(jià)的MISO系統(tǒng)。</p><p>　　SIMO和MISO技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展就自然產(chǎn)生了收發(fā)兩端同時(shí)采用陣列天線(xiàn)的系統(tǒng)—MIMO系統(tǒng)。</p><p>　　1.3 本課題研究的意義</p><p>　　MIMO技術(shù)已不是傳統(tǒng)的無(wú)線(xiàn)通信智能天線(xiàn)，其優(yōu)勢(shì)已非常規(guī)智能天線(xiàn)所及。智能天線(xiàn)采用加權(quán)選擇算法

9、驅(qū)動(dòng)波束指向，通過(guò)將能量聚集到期望方向而提高信噪比，抑制而不是利用多徑傳播。對(duì)于MIMO系統(tǒng)，若其M副發(fā)射天線(xiàn)與N副接收天線(xiàn)形成的無(wú)線(xiàn)鏈路M×N信道矩陣的元素是完全獨(dú)立的，則系統(tǒng)的容量隨最小天線(xiàn)數(shù)目線(xiàn)性增長(zhǎng)，而不是采用智能天線(xiàn)下的對(duì)數(shù)增長(zhǎng)。理論上，如果天線(xiàn)的空間和成本與射頻通道不受限制，MIMO系統(tǒng)就能提供無(wú)限大的容量，這是空間維度充分結(jié)合時(shí)間維度的結(jié)果，即采用空時(shí)編碼的數(shù)據(jù)流利用矩陣信道而不是智能天線(xiàn)系統(tǒng)中的向量信道傳輸數(shù)據(jù)

10、[3]。</p><p>　　無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的三個(gè)主要的有害因素是：信號(hào)衰落、碼間干擾和同頻道干擾。而利用MIMO通信結(jié)構(gòu)能抗多徑衰落、增加數(shù)據(jù)傳輸速率以及提高系統(tǒng)容量。采用陣列天線(xiàn)技術(shù)，MIMO系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：</p><p>　　(1) 利用或減輕多徑衰落：MIMO技術(shù)能夠充分采用多徑的各種發(fā)射、合成技術(shù)，提高無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的性能。</p><p>　　(2)

11、 消除共道干擾：MIMO系統(tǒng)能夠采用自適應(yīng)波束形成技術(shù)或多用戶(hù)檢測(cè)技術(shù)對(duì)共道干擾進(jìn)行有效抑制和消除。</p><p>　　(3) 提高頻譜利用率、增加發(fā)射效率、減小發(fā)射功率、減小空間電磁干擾及增大系統(tǒng)容量：由于陣列天線(xiàn)可以降低共道干擾和多徑衰落的影響，因而在一定的SINR（信干噪比）條件下可以降低誤碼率，或者在一定的誤碼率下可以降低檢測(cè)所需要的信干噪比。MIMO系統(tǒng)能夠抑制或消除共道干擾以及碼間干擾，同時(shí)利用分

12、集技術(shù)提高接收信號(hào)的信干噪比，因此基站和移動(dòng)終端的發(fā)射功率可以得到一定程度的降低，同時(shí)減小空間電磁干擾的影響、延長(zhǎng)移動(dòng)終端電池使用時(shí)間、減小對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響、降低系統(tǒng)對(duì)功率控制精度和器件要求。</p><p>　　綜上所述，無(wú)線(xiàn)通信應(yīng)用需求的持續(xù)增長(zhǎng)直接推動(dòng)著無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和無(wú)線(xiàn)通信新技術(shù)的誕生。而在眾多新技術(shù)中，MIMO技術(shù)作為未來(lái)一代寬帶無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的框架技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)充分利用空間資源以提高頻譜利用率的一個(gè)

13、必然途徑，基于MIMO的無(wú)線(xiàn)通信理論和傳輸技術(shù)顯示了巨大的潛力和發(fā)展前景[3]。</p><p>　　1.4 本文的工作</p><p>　　MIMO通信技術(shù)較之簡(jiǎn)單的SISO、傳統(tǒng)的MISO技術(shù)等能成倍地增加通信系統(tǒng)的信道容量，能支持下一代移動(dòng)通信所需要提供的高速率，能提系統(tǒng)的高頻譜效率。本文主要研究的是MIMO無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的容量問(wèn)題。在理解MIMO系統(tǒng)原理的基礎(chǔ)上，簡(jiǎn)單的介紹了MIM

14、O系統(tǒng)的信道模型，然后從理論上分析了MIMO系統(tǒng)的信道，推導(dǎo)MIMO系統(tǒng)的容量公式。最后用MATLAB軟件對(duì)MIMO系統(tǒng)的容量進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真，驗(yàn)證它的正確性。重點(diǎn)在于對(duì)MIMO系統(tǒng)信道容量的分析以及對(duì)其容量的MATLAB仿真。本文的具體工作包括以下幾個(gè)方面：</p><p>　　首先主要介紹了MIMO信道的物理建模，然后系統(tǒng)的敘述了MIMO系統(tǒng)信道模型，并理論推導(dǎo)了平均功率分配下的MIMO系統(tǒng)信道容量的計(jì)算公式。

15、同時(shí)分析了SISO、MISO、SIMO系統(tǒng)的信道模型和信道容量。</p><p>　　其次介紹了在瑞利衰落MIMO信道下，根據(jù)信道容量公式，對(duì)平均功率分配時(shí)的SISO、MISO、SIMO和MIMO系統(tǒng)信道容量進(jìn)行了MATLAB仿真。同時(shí)應(yīng)用仿真平臺(tái)得到的仿真結(jié)果做性能分析。</p><p>　　最后主要的工作是對(duì)全文研究的MIMO系統(tǒng)容量進(jìn)行總結(jié)和歸納，從而可知MIMO系統(tǒng)容量的影響。&l

16、t;/p><p>　　第二章 MIMO信道模型和信道容量</p><p>　　2.1 MIMO系統(tǒng)模型和信道模型</p><p>　　2.1.1 MIMO系統(tǒng)模型</p><p>　　MIMO系統(tǒng)可以定義為收發(fā)兩端分別采用多個(gè)天線(xiàn)（或陣列天線(xiàn)）的無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)。MIMO的多輸入多輸出是針對(duì)多徑無(wú)線(xiàn)傳輸信道而言的。其系統(tǒng)框圖如下：</p&

17、gt;<p><b>　　11</b></p><p>　　2 2</p><p><b>　　NTNR</b></p><p>　　圖 2-1 MIMO系統(tǒng)示意圖</p><p>　　圖2-1示出了一個(gè)基本的MIMO系統(tǒng)框圖，收發(fā)信機(jī)兩端均安裝

18、有多根天線(xiàn)，其中發(fā)射天線(xiàn)數(shù)目為，接收天線(xiàn)數(shù)目為。在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，發(fā)射機(jī)對(duì)來(lái)自信源的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后產(chǎn)生路數(shù)據(jù)流，每一路數(shù)據(jù)流從不同的發(fā)射天線(xiàn)同時(shí)、同頻發(fā)射，經(jīng)過(guò)空間信道衰落后，來(lái)自不同的發(fā)射天線(xiàn)的信號(hào)以及噪聲在每一根接收天線(xiàn)上進(jìn)行疊加，最后送入接收機(jī)進(jìn)行處理[4]。一般將收發(fā)信機(jī)兩端所做的處理統(tǒng)稱(chēng)為空時(shí)處理，其中，發(fā)射機(jī)空時(shí)處理通常有：BLAST、空時(shí)編碼，天線(xiàn)選擇、波束賦形等;接收機(jī)空時(shí)處理通常有：空時(shí)譯碼、空時(shí)信號(hào)檢測(cè)、空時(shí)信道估計(jì)

19、等等。因?yàn)樗刑炀€(xiàn)同時(shí)發(fā)射子信息流，各發(fā)射信號(hào)只占用同一頻帶，并未增加帶寬，達(dá)到提高頻譜利用率的目的，同時(shí)多個(gè)并行空間也實(shí)現(xiàn)了更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，能更好的提高信道容量。其工作原理如下：</p><p>　　1. MIMO系統(tǒng)將一個(gè)數(shù)據(jù)流分為多個(gè)數(shù)據(jù)流；</p><p>　　2. 每個(gè)數(shù)據(jù)流被模塊化編碼；</p><p>　　3. 通過(guò)不同的射頻天線(xiàn)鏈，同時(shí)在同

20、一頻率信道中被傳送；</p><p>　　4. 經(jīng)由多徑反射后，每一個(gè)接收天線(xiàn)射頻鏈都有多個(gè)傳送數(shù)據(jù)流的線(xiàn)性匯整；</p><p>　　5. 在接收器中使用MIMO算法將這些資料流分開(kāi)，算法是依每個(gè)發(fā)射器和接收器之間的所有信道來(lái)做估算。</p><p>　　2.1.2 MIMO系統(tǒng)的信道模型</p><p>　　MIMO系統(tǒng)的信道容量以

21、及各種空時(shí)編、譯碼算法對(duì)信道特性都十分敏感，因此MIMO信道模型對(duì)于空時(shí)編碼系統(tǒng)設(shè)計(jì)與各種算法的性能分析都是十分關(guān)鍵的。與SISO信道模型相類(lèi)似，MIMO信道模型中同樣也需要考慮路徑損耗、陰影衰落、多普勒擴(kuò)展、功率延遲譜以及Ricean因子分布等參數(shù)。但是還有一些關(guān)鍵參數(shù)是MIMO信道模型中所特有的，例如發(fā)送、接收天線(xiàn)陣列中天線(xiàn)陣元之間的相關(guān)性，以及HHT的奇異值分布。其中HHT的奇異值分布更能深刻地反映天線(xiàn)參量(如陣元間距、極化)與L

22、OS分量強(qiáng)弱以及近場(chǎng)、遠(yuǎn)場(chǎng)散射體分布等一系列系統(tǒng)配置方式與環(huán)境因素的綜合影響。</p><p>　　表 2.1 IEEE802.16 標(biāo)準(zhǔn)化信道模型（SUI-1 Channel）</p><p>　　到目前為止還沒(méi)有被國(guó)際電信聯(lián)盟(ITU: International Telecommunications Union)所認(rèn)可的MIMO信道模型，但是IEEE 802.16針對(duì)寬帶固定無(wú)線(xiàn)接

23、入系統(tǒng)提出了宏小區(qū)中六種兩發(fā)、兩收的標(biāo)準(zhǔn)化MIMO信道模型。例如表2.1與表2.2中分別給出了IEEE 802.16中的兩種標(biāo)準(zhǔn)化信道模型，即SUI-1 ( SUI: Stanford University Interim)與SUI-5的主要參數(shù)。其中“90%K因子”一項(xiàng)表示小區(qū)90%覆蓋的區(qū)域中，Ricean K因子大于等于某一數(shù)量。而3GPP主要針對(duì)移動(dòng)應(yīng)用環(huán)境中的幾種運(yùn)動(dòng)速度條件，也提出了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化MIMO信道模型。</p

24、><p>　　表 2.2 IEEE802.16 標(biāo)準(zhǔn)化信道模型（SUI-5Channel）</p><p>　　2.2 基本的無(wú)線(xiàn)信道</p><p>　　在無(wú)線(xiàn)通信中，由于傳播信道的復(fù)雜性，發(fā)射出去的信號(hào)在空間經(jīng)過(guò)若干次反射、折射、散射和衍射，產(chǎn)生了陰影效應(yīng)、多徑效應(yīng)和多普勒效應(yīng)，進(jìn)而帶來(lái)了各種不同的衰落和擴(kuò)展，加上一些未知的干擾，嚴(yán)重地影響著信號(hào)的正確接收。信號(hào)

25、在空間傳播過(guò)程中所遭受的損害，可以歸納為衰落和擴(kuò)展兩方面[5]。</p><p>　　在傳統(tǒng)的無(wú)線(xiàn)通信中，常用瑞利分布和萊斯分布作為近似信道特征的模型。當(dāng)發(fā)射端和接收端之間存在直接傳播路徑時(shí)，用萊斯分布模型來(lái)描述信道的特性。而當(dāng)發(fā)射端和接收端之間不存在直接傳播路徑時(shí)，則采用瑞利分布來(lái)描述信道的特性。</p><p>　　2.2.1 多天線(xiàn)系統(tǒng)的信號(hào)模型</p><p&

26、gt;　　考慮一個(gè)使用M個(gè)發(fā)射天線(xiàn)N個(gè)接收天線(xiàn)的MIMO通信鏈路，發(fā)送信號(hào)向量與接收信號(hào)向量分別記為，表示矩陣的轉(zhuǎn)置。假設(shè)信號(hào)帶寬相對(duì)于信道相關(guān)帶寬足夠窄，以至于可以認(rèn)為在信號(hào)所使用的頻帶內(nèi)，信道傳輸特性的頻率響應(yīng)是平坦的，此時(shí)信號(hào)與信道沖擊響應(yīng)的卷積等效于信號(hào)與信道傳輸系數(shù)的乘積。</p><p>　　2.2.2 信道衰落</p><p>　　信道的衰落是指無(wú)線(xiàn)信號(hào)所受的傳播損耗，表現(xiàn)

27、為接收信號(hào)的電平在時(shí)間、空間或頻率的某個(gè)區(qū)域內(nèi)圍繞平均值起伏變化。根據(jù)不同的信道特性可以從兩個(gè)角度來(lái)描述衰落信道：慢衰落（Slow Fading）或稱(chēng)大尺度衰落（Large-Scale Fading）信道和快衰落（Fast Fading）或稱(chēng)小尺度衰落（Small-Scale Fading）信道[5]。</p><p>　　慢衰落 接收信號(hào)的長(zhǎng)前在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)的緩慢變化成為慢衰落，一種典型的慢衰落就是陰影衰落。這

28、是由于電波在傳播路徑上遇到障礙物就會(huì)產(chǎn)生電磁場(chǎng)的陰影區(qū)，當(dāng)移動(dòng)臺(tái)通過(guò)不同的陰影區(qū)，就會(huì)引起中值變化。在相同的收發(fā)距離情況下，不同位置的周?chē)h(huán)境差別非常大，由于陰影效應(yīng)，導(dǎo)致路徑損耗為隨機(jī)的對(duì)數(shù)正態(tài)分布?？梢?jiàn)，陰影衰落是由于位置的較大變化而造成的緩慢衰落，也稱(chēng)地形衰落或位置衰落。</p><p>　　服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布的陰影衰落，在當(dāng)前信號(hào)用dB表示時(shí)，就成為正態(tài)分布，其概率密度函數(shù)為</p><

29、p><b>　　（2-1）</b></p><p>　　式中，——信號(hào)中值；</p><p>　　——信號(hào)中值的均值；</p><p>　　——的標(biāo)準(zhǔn)差。隨頻率、天線(xiàn)高度和環(huán)境而變化，在市區(qū)最大，在開(kāi)闊地區(qū)最小，其值通常為5—12dB。</p><p>　　快衰落 電波在沿地表傳播中受到各種阻礙物的反射、散射和

30、吸收，實(shí)際到達(dá)接收天線(xiàn)處的電波除了來(lái)自發(fā)射天線(xiàn)的直射波外，還存在來(lái)自各種物體（包括地面）的發(fā)射波和散射波。反射波和散射波在接收天線(xiàn)處形成干涉場(chǎng)。此外，還存在因移動(dòng)臺(tái)的快速移動(dòng)而劃過(guò)電波的波節(jié)和波腹的駐波現(xiàn)象及由于多普勒效應(yīng)而造成的相移。以上原因使得實(shí)際移動(dòng)臺(tái)接收到的場(chǎng)強(qiáng)在振幅和相位上均隨時(shí)間急劇變化，這就是天線(xiàn)電波的衰落現(xiàn)象，其中隨時(shí)間急劇變化的部分稱(chēng)為快衰落。目前在一般的移動(dòng)通信中都利用快衰落信道模型進(jìn)行研究。</p>

31、<p>　　信號(hào)的快速衰減是由信號(hào)的隨機(jī)相位引起的，而隨機(jī)相位一般是由路徑的長(zhǎng)度和載波的頻率決定的。如果假定相位在區(qū)間內(nèi)服從均勻分布，那么接收機(jī)處的垂直電場(chǎng)的同相分量和正交分量服從高斯分布，而它的包絡(luò)服從瑞利分布。如果存在一條直接傳播路徑，那么這個(gè)包絡(luò)變成了萊斯分布。在仿真信道的快衰落時(shí)，一般假定在一個(gè)符號(hào)傳輸期間，隨機(jī)信道矩陣元素保持不變，但在傳輸下一個(gè)符號(hào)時(shí)，信道矩陣元素要發(fā)生隨機(jī)變化。如果傳輸某組符號(hào)的時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于總的傳

32、輸時(shí)間，而在傳輸這組符號(hào)時(shí)，隨機(jī)信道矩陣元素保持不變，但在傳輸下一組符號(hào)時(shí)，信道矩陣元素發(fā)生了改變，這種衰落稱(chēng)為快衰落。</p><p>　　2.2.3 信道擴(kuò)展</p><p>　　信道擴(kuò)展是信號(hào)能量在時(shí)間、空間或頻率軸上的擴(kuò)散?？梢詮?個(gè)角度來(lái)描述擴(kuò)展信道：頻率擴(kuò)展（多普勒擴(kuò)展）、時(shí)延擴(kuò)展和角度擴(kuò)展。</p><p>　　多普勒擴(kuò)展 當(dāng)接收端和發(fā)送端處于恒

33、定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)中，每個(gè)多徑波的頻率都會(huì)發(fā)生一定的偏移，受到頻率偏移（多普勒頻移）的影響，其大小與移動(dòng)速度成正比，且與電波到達(dá)的路徑方向有關(guān)。在接收機(jī)周?chē)亩鄠€(gè)方向上存在散射體時(shí)，假設(shè)發(fā)射一個(gè)單頻信號(hào)，接收信號(hào)也只有一個(gè)和運(yùn)動(dòng)方向成夾角的波組成，則接收信號(hào)的多普勒頻移可以表示為</p><p><b>　　（2-2）</b></p><p><b>　　式中，—

34、—載頻；</b></p><p><b>　　——相對(duì)速度；</b></p><p><b>　　——光速。</b></p><p>　　多普勒擴(kuò)展引起信道的特性在時(shí)域內(nèi)迅速地變化，使得信道出現(xiàn)了所謂的時(shí)間選擇性。已傳送的信號(hào)經(jīng)歷了時(shí)變衰落，這種信道稱(chēng)為時(shí)間選擇性衰落信道。</p><p&g

35、t;　　時(shí)延擴(kuò)展 多徑傳播的基本特征是到達(dá)接收機(jī)的各路發(fā)射信號(hào)具有不同的衰減因子和時(shí)延，接收信號(hào)在時(shí)域內(nèi)的擴(kuò)展稱(chēng)為時(shí)延擴(kuò)展，它與信道的頻域選擇性有關(guān)，相干帶寬與時(shí)延帶寬成反比。</p><p>　　時(shí)延擴(kuò)展定義為多條路徑中最大的時(shí)延，相干帶寬定義為時(shí)延擴(kuò)展的倒數(shù)，即，相干帶寬為頻率變化的最大范圍，在該帶寬內(nèi)，信道響應(yīng)可認(rèn)為是常數(shù)，用表示信號(hào)帶寬。即如果，可以認(rèn)為信道的轉(zhuǎn)移函數(shù)是恒定的，信號(hào)的不同頻率分量經(jīng)歷了

36、相同的衰減，這樣的信道就稱(chēng)為頻率平坦衰落信道或非頻率選擇性衰落信道；如果或，不同路徑信號(hào)產(chǎn)生交疊，引起碼間干擾，這樣的信道就稱(chēng)為頻率選擇性衰落信道。</p><p>　　角度擴(kuò)展 接收端的角度擴(kuò)展是指接收機(jī)各個(gè)路徑信號(hào)到達(dá)方向的擴(kuò)展，而發(fā)射端的角度擴(kuò)展是指發(fā)射叫在多個(gè)方向上的擴(kuò)展。大的角度擴(kuò)展將會(huì)使到達(dá)接收端的多徑信號(hào)以某種隨機(jī)方式合并，成為接收機(jī)天線(xiàn)的位置函數(shù)，因此它是造成空間選擇性衰落的一個(gè)主要因素。&l

37、t;/p><p>　　綜上所述，頻率選擇性和時(shí)間選擇性是衰落信道的兩個(gè)不同特性。將它們合在一起考慮，衰落信道一般可以分為以下4種類(lèi)型：</p><p>　　(1) 平坦衰落信道</p><p>　　(2) 頻率選擇性衰落信道</p><p>　　(3) 時(shí)間選擇性衰落信道</p><p>　　(4) 雙選擇性衰落信

38、道</p><p>　　2.3 MIMO系統(tǒng)信道模型</p><p>　　2.3.1 無(wú)線(xiàn)信道的數(shù)學(xué)模型</p><p><b>　　一個(gè)帶通信號(hào)如下：</b></p><p><b>　?。?-3）</b></p><p>　　式中，代表等效低通信號(hào)；為載頻。</

39、p><p>　　假設(shè)信道包含L條路徑，則接收到的帶通信號(hào)和等效低通信號(hào)可以表示成</p><p><b>　?。?-4）</b></p><p><b>　?。?-5）</b></p><p>　　式中，代表第L條路徑衰減系數(shù)；代表第L條路徑的相移；為第L條路徑的時(shí)延。</p><p

40、><b>　?。?-6）</b></p><p>　　其中，代表第L條路徑的多普勒頻移。式中，第一項(xiàng)是由多普勒頻移產(chǎn)生的相移，第二項(xiàng)是由時(shí)延產(chǎn)生的相移。</p><p>　　通常，無(wú)線(xiàn)信道的衰落可以分為瑞利衰落模型和萊斯衰落模型。作為本論文仿真的重點(diǎn)，將對(duì)用瑞利衰落信道模型來(lái)描述窄帶多徑環(huán)境（非頻率選擇性）中的信號(hào)變化做一介紹。</p><p

41、>　　2.3.2 瑞利衰落信道</p><p>　　對(duì)于非頻率選擇性信道，時(shí)延擴(kuò)展相對(duì)于碼元周期很小，因此有如下假設(shè)：</p><p><b>　?。?-7）</b></p><p>　　如果信道中有L條多徑存在，則接收信號(hào)可以表示為</p><p><b>　?。?-8）</b></

42、p><p><b>　　定義復(fù)乘系數(shù)為</b></p><p><b>　　（2-9）</b></p><p><b>　　則有</b></p><p><b>　?。?-10）</b></p><p><b>　?。?-11

43、）</b></p><p><b>　?。?-12）</b></p><p>　　如果滿(mǎn)足路徑的數(shù)量很多，沒(méi)有視距路徑的條件，根據(jù)中心極限定理，式（2-11）、（2-12）所定義的和可以近似看成獨(dú)立高斯隨機(jī)過(guò)程，則接收信號(hào)可表示成</p><p><b>　?。?-13）</b></p><

44、p>　　式中表示零均值復(fù)高斯隨機(jī)變量。</p><p>　　引入，以表示衰落幅度（包絡(luò)），表示衰落相位。用雅克比變換將轉(zhuǎn)換成，得</p><p><b>　?。?-14）</b></p><p>　　通過(guò)兩個(gè)隨機(jī)變量分別求邊緣概率密度有</p><p><b>　　（2-15）</b><

45、/p><p><b>　　（2-16）</b></p><p>　　兩個(gè)變量分別服從瑞利分布和均勻分布。</p><p>　　這就是瑞利衰落，多發(fā)生在城市地區(qū)和陸地移動(dòng)通信環(huán)境（有許多障礙物，幾乎沒(méi)有視距路徑）中。一個(gè)服從瑞利分布的隨機(jī)變量，其平均功率為</p><p><b>　　（2-17）</b>

46、</p><p><b>　　（2-18）</b></p><p>　　對(duì)于歸一化的平均功率，有</p><p><b>　　（2-19）</b></p><p>　　2.3.3 非頻率選擇性信道模型</p><p>　　假設(shè)發(fā)射端有根天線(xiàn)，接收端有根天線(xiàn)，如圖2-2所示的

47、兩個(gè)天線(xiàn)陣列。</p><p>　　圖 2-2 MIMO系統(tǒng)原理圖</p><p>　　在發(fā)射端的天線(xiàn)陣列上的信號(hào)表示為</p><p>　　式中，符號(hào)表示矢量或矩陣的轉(zhuǎn)置；表示接收端的第根天線(xiàn)端口的信號(hào)。</p><p>　　同理，在接收端天線(xiàn)陣列上的信號(hào)為</p><p>　　式中表示發(fā)射端的第根天線(xiàn)端口的信號(hào)

48、。</p><p>　　在非頻率選擇性（平坦）衰落情況下，MIMO信道模型相對(duì)比較簡(jiǎn)單，由于各對(duì)天線(xiàn)間的子信道可以等效成一個(gè)瑞利衰落的子信道[6]。</p><p>　　此時(shí)，MIMO信道模型中的各個(gè)子信道可以建立為</p><p><b>　　（2-20）</b></p><p><b>　　式中，；。<

49、;/b></p><p>　　服從瑞利分布，MIMO信道矩陣為。則對(duì)應(yīng)的MIMO系統(tǒng)模型為</p><p><b>　?。?-21）</b></p><p>　　式中表示零均值的高斯白噪聲矩陣。</p><p>　　2.3.4 頻率選擇性信道模型</p><p>　　此時(shí)MIMO信道的信道

50、矩陣可以表示為</p><p><b>　?。?-22）</b></p><p><b>　　式中，，且</b></p><p><b>　?。?-23）</b></p><p>　　式中是一個(gè)復(fù)數(shù)矩陣，它描述了在時(shí)延為時(shí)所考慮的兩個(gè)天線(xiàn)陣列之間的線(xiàn)性變換；為發(fā)射的第根天線(xiàn)到接

51、收的第根天線(xiàn)的復(fù)傳輸系數(shù)。</p><p>　　上述MIMO信道模型可以看成是單輸入單輸出信道標(biāo)準(zhǔn)模型的推廣。矩陣的大小跟MIMO系統(tǒng)兩端使用的天線(xiàn)數(shù)有關(guān)[6]。</p><p>　　頻率選擇性的MIMO信道接收模型為</p><p><b>　　（2-24）</b></p><p>　　式中，表示零均值的高斯白噪聲矩陣

52、。</p><p>　　2.4 平均功率分配的MIMO信道容量</p><p>　　通信信道中的香農(nóng)容量定義為信道可能傳輸?shù)男畔⒘康淖畲髷?shù)值。本節(jié)將討論MIMO信道的容量，在信息論基礎(chǔ)上，對(duì)MIMO系統(tǒng)的信道容量進(jìn)行理論推導(dǎo)，得到MIMO信道容量的計(jì)算公式。</p><p>　　假定信道容量的分析模型為復(fù)數(shù)基帶線(xiàn)性系統(tǒng)，發(fā)送端配有根天線(xiàn)，接收端配有根天線(xiàn)，發(fā)射端未

53、知信道的狀態(tài)信息，總的發(fā)射功率為，每根發(fā)射天線(xiàn)的功率為，接收天線(xiàn)接收到的總功率等于總的發(fā)射功率，信道受到加性白高斯噪聲（AWGN）的干擾，且每根接收天線(xiàn)上的噪聲功率為，于是每根接收天線(xiàn)上的信噪比（SNR）為</p><p><b>　?。?-25）</b></p><p>　　并且假定發(fā)射信號(hào)的帶寬足夠窄，信道的頻率響應(yīng)可以認(rèn)為是平坦的，且的復(fù)矩陣來(lái)表示信道矩陣，的第

54、元素不傲是第根發(fā)射天線(xiàn)到第根接收天線(xiàn)的信道衰落系數(shù)。</p><p>　　下面分析單輸入單輸出（SISO）、多輸入單輸出（MISO）、單輸入多輸出（SIMO）和多輸入多輸出（MIMO）4種情況下的信道容量[7]。</p><p>　　2.4.1 SISO信道的容量</p><p>　　采用單根天線(xiàn)發(fā)射和單根天線(xiàn)接收（1×1）的通信系統(tǒng)稱(chēng)為SISO系統(tǒng)。于

55、確定性的SISO信道，，信道矩陣，信噪比大小為，根據(jù)Shannon公式，該信道的歸一化容量可表示為</p><p><b>　　（2-26）</b></p><p>　　該容量的取值一般不受編碼或信號(hào)設(shè)計(jì)復(fù)雜性的限制，即只要信噪比每增加3dB，信道容量每s每Hz增加1bit。</p><p>　　實(shí)際的無(wú)線(xiàn)信道是時(shí)變的，要受到衰落的影響，如果用

56、h表示在觀察時(shí)刻，單位功率的復(fù)高斯信道的幅度（），信道容量可表示為</p><p><b>　　（2-27）</b></p><p>　　2.4.2 MISO信道的容量</p><p>　　對(duì)于多輸入單輸出（MISO）信道，發(fā)送端配有NT根天線(xiàn)，接收端只有一根天線(xiàn)，這相當(dāng)于發(fā)射分集，信道矩陣H變成一矢量，其中表示從發(fā)射端的第根天線(xiàn)到接收端的信

57、道幅度。</p><p>　　如果信道的幅度固定，則該信道的容量可以表示為</p><p><b>　?。?-28）</b></p><p>　　上式中，這是由于假定信道的系數(shù)固定，且受到歸一化的限制，該信道容量不會(huì)隨著發(fā)射天線(xiàn)的數(shù)目的增加而增大。</p><p>　　如果信道系數(shù)的幅度隨機(jī)變化，則該信道容量可以表示為&

58、lt;/p><p><b>　?。?-29）</b></p><p>　　式中表示自由度為的平方隨機(jī)變量，且，顯然信道容量也是一個(gè)隨機(jī)變量[7]。</p><p>　　2.4.3 SIMO信道的容量</p><p>　　對(duì)于單輸入多輸出（SIMO）信道，即接收端配有根天線(xiàn)，發(fā)射端只有一根天線(xiàn)，這相當(dāng)于接收分集，信道可以看成

59、是由個(gè)不同系數(shù)：組成，其中表示從發(fā)射端到接收端的第根天線(xiàn)的信道系數(shù)。</p><p>　　如果信道系數(shù)的幅度固定，則該信道容量可以表示為</p><p><b>　?。?-30）</b></p><p>　　上式中，這是由于信道系數(shù)被歸一化，從信道容量的計(jì)算公式可以看出，單輸入多輸出信道（SIMO）與單輸入單輸出（SISO）信道相比獲得了大小為

60、倍的分集增益。</p><p>　　如果信道系數(shù)的幅度隨機(jī)變化，則該信道容量可以表示為</p><p><b>　?。?-31）</b></p><p>　　信道容量也是隨機(jī)的變量。</p><p>　　2.4.4 MIMO信道的容量</p><p>　　對(duì)于分別配有根發(fā)射天線(xiàn)和根接收天線(xiàn)的MI

61、MO信道，發(fā)射端在不知道傳輸信道的狀態(tài)信息的條件下，如果信道的幅度固定，則信道容量可以表示為</p><p><b>　?。?-32）</b></p><p>　　式中表示和中的最小數(shù)；為階的單位矩陣；表示矩陣的行列式。</p><p><b>　　矩陣的定義如下：</b></p><p><

62、b>　　（2-33）</b></p><p>　　(1) 全“1”信道矩陣的MIMO系統(tǒng)[8]</p><p>　　對(duì)于全“1”信道矩陣的MIMO系統(tǒng)，即。如果接收端采用相干檢測(cè)合并技術(shù)，那么經(jīng)過(guò)處理后的每根天線(xiàn)上的信號(hào)應(yīng)同頻同相，這時(shí)可以認(rèn)為來(lái)自根發(fā)射天線(xiàn)上的信號(hào)都相同，即，第根天線(xiàn)接收到的信號(hào)可表示為，且該天線(xiàn)接收的功率可表示為，則在每根接收天線(xiàn)上取得的等效信噪比為

63、，因此在接收端取得的總信噪比為。</p><p>　　此時(shí)的多天線(xiàn)系統(tǒng)等效為某種單天線(xiàn)系統(tǒng)，但這種單天線(xiàn)系統(tǒng)相對(duì)于原來(lái)純粹的單天線(xiàn)系統(tǒng)，取得了倍的分集增益，該信道容量可表示為</p><p><b>　?。?-34）</b></p><p>　　(2) 正交傳輸信道的MIMO系統(tǒng)[8]</p><p>　　對(duì)于正交傳輸

64、信道的MIMO系統(tǒng)，即由多根天線(xiàn)構(gòu)成的并行子信道相互正交，單個(gè)子信道之間不存在相互干擾。假定收發(fā)兩端的天線(xiàn)數(shù)相等（），信道矩陣可以表示為：，為的單位矩陣，系數(shù)是為了滿(mǎn)足功率歸一化的要求而引入的，利用式（2-29）可得</p><p><b>　?。?-35）</b></p><p>　　與原來(lái)的單天線(xiàn)系統(tǒng)相比，信道容量獲得了倍的增益。</p><p

65、>　　如果信道系數(shù)的幅度隨機(jī)變化，MIMO信道的容量為一隨機(jī)變量，它的平均值可以表示為</p><p><b>　　（2-36）</b></p><p>　　式中，為信道矩陣的秩，；表示相對(duì)信道矩陣求數(shù)學(xué)期望。</p><p><b>　　2.5 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章介

66、紹了MIMO系統(tǒng)的基本原理，推導(dǎo)出了MIMO系統(tǒng)信道容量的公式，得知MIMO系統(tǒng)的容量公式與發(fā)射天線(xiàn)數(shù)、接收天線(xiàn)數(shù)和信噪比三個(gè)參數(shù)有關(guān)。并且由公式可知當(dāng)信噪比一定時(shí)，隨著天線(xiàn)數(shù)的增加，信道容量也不斷增加。當(dāng)發(fā)射天線(xiàn)和接收天線(xiàn)的數(shù)量均相同，信道容量隨信噪比的增大而增大。</p><p>　　第三章 MIMO系統(tǒng)信道容量仿真與分析</p><p>　　上一章中分析了平均功率分配下的SISO、

67、MISO、SIMO和MIMO信道容量的計(jì)算公式。本章將給出上述情況下各信道容量的仿真結(jié)果，并對(duì)其做出對(duì)比與分析。</p><p>　　3.1 平均功率分配的MIMO信道容量仿真</p><p>　　3.1.1 SISO信道容量仿真</p><p>　　實(shí)際的無(wú)線(xiàn)信道是時(shí)變的，要受到衰落的影響，如果用h表示在觀察時(shí)刻，單位功率的復(fù)高斯信道的幅度（），由（2-25）

68、知，此時(shí)SISO信道容量可表示為</p><p><b>　　（3-1）</b></p><p>　　在信噪比為24dB和在24dB增加3dB的兩種情況下[9]，利用MATLAB對(duì)信道容量仿真得如下結(jié)果：</p><p>　　圖 3-1 平均功率分配的SISO信道容量</p><p>　　從圖中可知，紅色線(xiàn)是信噪比為2

69、4dB時(shí)的信道容量與概率分布的曲線(xiàn)，藍(lán)色線(xiàn)是信噪比為27dB時(shí)的分布曲線(xiàn)，從而SISO信道容量的取值與信噪比有關(guān)，信噪比每增加3dB，信道容量大約每秒每赫茲增加1bit。</p><p>　　3.1.2 MISO信道容量仿真</p><p>　　根據(jù)（2-26）式，我們知道MISO系統(tǒng)信道容量可以表示為：</p><p><b>　　（3-2）</

70、b></p><p>　　圖3-2是該信道容量的MATLAB仿真結(jié)果，它反映了信道容量累計(jì)分布與發(fā)射天線(xiàn)數(shù)目的變化關(guān)系。仿真假定信道矩陣系數(shù)服從瑞利分布，發(fā)射天線(xiàn)數(shù)分別取1、3、5、7、9，信噪比取24dB，迭代次數(shù)為10000。</p><p>　　圖 3-2 平均功率分配的MISO信道容量</p><p>　　從圖中可以看到隨著發(fā)射天線(xiàn)數(shù)目的增加（從左到

71、右），信道容量也增加，但如果天線(xiàn)數(shù)目已經(jīng)增加到很大時(shí)，再增加其數(shù)量，信道容量的改善并不明顯。</p><p>　　3.1.3 SIMO信道容量仿真</p><p>　　對(duì)于單輸入多輸出（SIMO）信道，即接收端配有根天線(xiàn)，發(fā)射端只有一根天線(xiàn)，這相當(dāng)于接收分集，信道可以看成是由個(gè)不同系數(shù)：組成，其中表示從發(fā)射端到接收端的第根天線(xiàn)的信道系數(shù)。根據(jù)式（2-30），該信道容量可以表示為</

72、p><p><b>　　（3-3）</b></p><p>　　圖3-3為SIMO信道容量的MATLAB仿真結(jié)果，它反映了信道容量累計(jì)概率分布與接收天線(xiàn)數(shù)的變化關(guān)系。仿真假定信道系數(shù)服從瑞利分布，接收天線(xiàn)數(shù)分別取1、3、5、7、9，信噪比取24dB，迭代次數(shù)為10000。</p><p>　　從圖中可以看出，隨著接收天線(xiàn)數(shù)的增加（從左到右），信道容

73、量也增加，與MISO信道一樣，如果天線(xiàn)數(shù)已經(jīng)很大，這時(shí)再增加天線(xiàn)的數(shù)量，信道容量的改善并不是很大。</p><p>　　圖 3-3 平均功率分配的SIMO信道容量</p><p>　　3.1.4 MIMO信道容量仿真</p><p>　　對(duì)于MIMO信道容量的仿真，我們選取對(duì)正交傳輸信道的MIMO系統(tǒng)信道容量進(jìn)行MATLAB仿真。對(duì)于正交傳輸信道的MIMO系統(tǒng)，

74、即由多根天線(xiàn)構(gòu)成的并行子信道相互正交，單個(gè)子信道之間不存在相互干擾。假定收發(fā)兩端的天線(xiàn)數(shù)相等（），信道矩陣可以表示為：，為的單位矩陣。根據(jù)式（2-35），信道容量的表達(dá)式取為</p><p><b>　?。?-4）</b></p><p>　　與SISO信道相類(lèi)似，在MIMO信道中同樣也需要考慮路徑損耗、陰影衰落、多普勒擴(kuò)展、功率延遲譜等參數(shù)。但還有一些關(guān)鍵參數(shù)是MI

75、MO信道模型中所特有的，由信道容量表達(dá)式知，MIMO的信道容量與發(fā)送、接收天線(xiàn)陣列中天線(xiàn)陣元之間的相關(guān)性，以及的奇異值分布、信噪比有關(guān)[10]。</p><p>　　圖3-4是該信道容量的MATLAB仿真結(jié)果，它反映了信道容量累計(jì)分布與發(fā)射和接收天線(xiàn)數(shù)的變化關(guān)系。</p><p>　　仿真假定信道矩陣為瑞利衰落信道矩陣，發(fā)送天線(xiàn)數(shù)和接收天線(xiàn)數(shù)分別取1×1、3×3、5&#

76、215;5、7×7、9×9，信噪比仍然取24dB，迭代次數(shù)均為10000。從圖中可以看到隨著天線(xiàn)數(shù)目的增加（從左到右），信道容量也不斷增加，而且多輸入多輸出（MIMO）系統(tǒng)與單輸入單輸出（SISO）系統(tǒng)相比，信道容量有了大幅度的提高。</p><p>　　圖 3-4 平均功率分配的MIMO信道容量</p><p>　　圖 3-5 信噪比對(duì)MIMO信道容量的影響&l

77、t;/p><p>　　圖3-5反映了信噪比對(duì)MIMO系統(tǒng)信道容量的影響。信噪比從4dB到24dB每2dB取一次值，發(fā)送天線(xiàn)數(shù)和接收天線(xiàn)數(shù)分別取1×1、3×3、5×5、7×7、9×9，迭代次數(shù)均為10000。從圖中可以看出，隨著信噪比的增加，MIMO系統(tǒng)信道容量也增加。而且天線(xiàn)數(shù)目越多，信道容量隨信噪比增加而增加的速度越快[11]。</p><p&g

78、t;　　3.2 SISO、MISO、SIMO、MIMO信道容量分析比較</p><p>　　綜合比較和分析上述4種信道（SISO、MISO、SIMO和MIMO）的信道容量，分別選擇1×1、5×1、1×5、3×3、5×5等5種天線(xiàn)結(jié)構(gòu)方案（從左到右），仍以瑞利衰落信道為例，采用MATLAB仿真，信噪比取24dB，分別經(jīng)過(guò)10000次迭代，得到了信道容量的累計(jì)分布曲

79、線(xiàn)，如圖3-6所示。</p><p>　　圖 3-6 SISO、MISO、SIMO、MIMO信道容量的比較曲線(xiàn)</p><p>　　從上圖可知，實(shí)線(xiàn)為SISO系統(tǒng)信道容量曲線(xiàn)，點(diǎn)為SIMO系統(tǒng)信道容量曲線(xiàn)，圓圈為MISO系統(tǒng)信道容量曲線(xiàn)，其余兩條為MIMO系統(tǒng)信道容量曲線(xiàn)。與傳統(tǒng)的通信系統(tǒng)相比，MIMO系統(tǒng)能以多種方式改善通信系統(tǒng)的信道容量。特別是MIMO系統(tǒng)具有有效增加平均信道容量和中

80、斷信道容量的獨(dú)特性質(zhì)。從圖3-6中的1×5天線(xiàn)方案的信道容量累計(jì)分布曲線(xiàn)中可以看出多元天線(xiàn)對(duì)信道容量的影響情況，曲線(xiàn)的中斷容量（曲線(xiàn)底部）和平均容量（曲線(xiàn)中部）都得到了改善，這是由于空間分集減小了衰落的影響，天線(xiàn)合并增加了信噪比。然而，從圖3-3看出，從1×5到1×7、1×9，系統(tǒng)的性能并沒(méi)有得到明顯改善，這是由于空間分集的效果很快就趨于穩(wěn)定，而且由信噪比的增加而獲得的平均信道容量的改善也是有限的

81、，因?yàn)樾旁氡群托诺廊萘渴浅蕦?duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系的。</p><p>　　同理，從圖3-6的5×1信道容量累計(jì)分布曲線(xiàn)以及圖3-2對(duì)MISO信道容量的仿真結(jié)果上，可以得到有關(guān)MISO信道容量的幾點(diǎn)分析結(jié)果：即由于發(fā)射端事先并不知道信道的狀態(tài)信息，無(wú)法在多元發(fā)射天線(xiàn)中采用波束形成技術(shù)和自適應(yīng)分配發(fā)射功率，因此雖然系統(tǒng)的中斷容量得到改善，但平均容量卻沒(méi)有得到改善。這是由于空間分集的作用，而這種作用的效果隨著天線(xiàn)數(shù)的增

82、加而很快趨于飽和。</p><p>　　從圖3-6中的3×3、5×5信道容量累計(jì)分布曲線(xiàn)上，可以看出MIMO系統(tǒng)在改善信道的平均容量和中斷容量方面的優(yōu)勢(shì)是非常明顯的。事實(shí)上，當(dāng)天線(xiàn)數(shù)較大時(shí)，平均信道容量可簡(jiǎn)單地近似為隨線(xiàn)性增加。一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)平均發(fā)射功率一定時(shí)，信道容量與最小的天線(xiàn)數(shù)成正比。因此在理論上，對(duì)于理想的隨機(jī)信道，可以獲得無(wú)限大的信道容量，只要能為多根天線(xiàn)和相應(yīng)的射頻（RF）鏈路付出足

83、夠的代價(jià)和提供更大的空間。當(dāng)然，實(shí)際上這是不可能的，因?yàn)樗艿綄?shí)現(xiàn)方法和物理信道本身的限制[12]。</p><p><b>　　3.3 本章總結(jié)</b></p><p>　　由上述仿真結(jié)果我們可以看到信道容量隨著天線(xiàn)數(shù)量的增大而線(xiàn)性增大。也就是說(shuō)可以在不增加帶寬和天線(xiàn)發(fā)送功率的情況下利用MIMO信道成倍地提高無(wú)線(xiàn)信道容量，當(dāng)發(fā)射天線(xiàn)和接收天線(xiàn)的數(shù)量均相同，信道容

84、量隨信噪比的增大而增大。證明了MIMO信道系統(tǒng)理論的正確性。</p><p><b>　　結(jié) 束 語(yǔ)</b></p><p>　　隨著目前移動(dòng)通信的普及和廣泛應(yīng)用，加上未來(lái)Internet要求無(wú)線(xiàn)接入，用戶(hù)要求大幅度地提高無(wú)線(xiàn)通信速率的愿望變得越來(lái)越強(qiáng)烈，因此必須設(shè)法突破傳統(tǒng)無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的容量界限。在打破這一容量界限的技術(shù)中，多輸入多輸出(MIMO)是一項(xiàng)重大突破。當(dāng)

85、功率和帶寬固定時(shí)，MIMO的最大容量或容量上限隨最小天線(xiàn)數(shù)的增加而線(xiàn)性增加。因此，對(duì)于無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的容量提升而言，MIMO技術(shù)具有極大潛力。</p><p>　　本文的主要工作是在瑞利衰落MIMO信道下，對(duì)平均功率分配時(shí)的SISO、MISO、SIMO和MIMO系統(tǒng)信道容量進(jìn)行了MATLAB仿真與分析。文章首先概述了MIMO系統(tǒng)的有關(guān)內(nèi)容；接著介紹了MIMO的系統(tǒng)模型、系統(tǒng)容量等基本理論；然后重點(diǎn)介紹了MIMO系統(tǒng)

86、容量的仿真及其性能分析。通過(guò)對(duì)比分析，得出MIMO這種在無(wú)線(xiàn)鏈路的發(fā)送端和接收端同時(shí)使用多個(gè)天線(xiàn)的通信結(jié)構(gòu)，能夠在不占用額外頻譜帶寬的前提下，通過(guò)改變天線(xiàn)數(shù)或者信噪比有效地提高了信道容量。但MIMO技術(shù)還有很多尚未解決的問(wèn)題，還有待于今后進(jìn)行深入的工作。例如：</p><p>　　各種信道下 MIMO 系統(tǒng)的改進(jìn)。在相關(guān)衰落信道、時(shí)延擴(kuò)展信道、Doppler擴(kuò)展信道下如何對(duì)現(xiàn)有方案進(jìn)行改進(jìn)，以補(bǔ)償惡劣的信道條件帶

87、來(lái)的大幅度性能和速率損失。</p><p>　　MIMO 技術(shù)與一些接收處理技術(shù)的結(jié)合或聯(lián)合處理。接收機(jī)設(shè)計(jì)是 MIMO 系統(tǒng)的關(guān)鍵所在，可以考慮利用其它系統(tǒng)中的迭代譯碼、迭代均衡、干擾消除、聯(lián)合檢測(cè)等接收技術(shù)，在保持 MIMO 技術(shù)優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)接收端處理復(fù)雜度降低，而性能基本不變或者有所提高。</p><p>　　降低要求的新 MIMO 技術(shù)。比如接收端不知道信道狀況，可采用的盲 M

88、IMO系統(tǒng)，或者差分調(diào)制的 MIMO 系統(tǒng)，如果能保持住 MIMO 系統(tǒng)的性能，這些方案可能實(shí)用性更高一些。</p><p>　　在多天線(xiàn)系統(tǒng)這一新興的領(lǐng)域中，可以進(jìn)行的研究工作還有許多。隨著研究工作的進(jìn)一步深入，MIMO 技術(shù)作為一種高效、高速率的傳輸方式將會(huì)在更多的領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用，尤其是在更高速率要求、更好服務(wù)質(zhì)量的下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)中。</p><p><b>　　參考

89、文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 張平.Beyond 3G移動(dòng)通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)[M].北京:北京郵電大學(xué)學(xué)報(bào), vol.25, no.3, 2007.9.1-6.</p><p>　　[2] 郭文彬等.通信原理:基于Matlab的計(jì)算機(jī)仿真[M].北京:北京郵電大學(xué)出版社,2006.52-80.</p><p>　　[3] 呂劍剛.多入多出

90、無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)研究[D].北京:北京郵電大學(xué),2007.30-50.</p><p>　　[4] 吳偉俊.移動(dòng)通信中的關(guān)鍵技術(shù)[M].北京:北京郵電大學(xué)出版社,2008.50-65.</p><p>　　[5] 樊昌信.通信原理（六版）[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2006.200-240.</p><p>　　[6] 黃韜,袁超偉,楊睿哲,劉鳴.MIMO相關(guān)技

91、術(shù)與應(yīng)用[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2007.120-150.</p><p>　　[7] 王光劍.無(wú)線(xiàn)MIMO系統(tǒng)的信道容量和可靠性能研究[D].大連:大連海事大學(xué),2007.1-20.</p><p>　　[8] Patzold Matthias.Capacity studies of MIMO channel models based on the geometrical one-r

92、ing scattering model[J].IEEE 15th International Symposium on Personal,Indoor and Mobile Radio Communications,2009. 351-400.</p><p>　　[9] 陳永春.MATLAB M語(yǔ)言高級(jí)編程[M].北京:清華大學(xué)出版社,2006.40-60.</p><p>　　[1

93、0] 吳偉俊.移動(dòng)通信中的關(guān)鍵技術(shù)[J].北京:北京郵電大學(xué)出版社,2008.90-110.</p><p>　　[11] 徐金明.MATLAB實(shí)用教程[M].北京:清華大學(xué)出版社,2006.80-100.</p><p>　　[12] Jeong Wun-Cheol.Outage capacity analysis of MIMO macro-selection systems[D]

94、. IEICE Transactions on Communications,2006.10-20.</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　至此，畢業(yè)設(shè)計(jì)已接近尾聲。通過(guò)這段時(shí)間的親生經(jīng)歷，我感覺(jué)自己學(xué)到了收集、整理資料、分析及處理問(wèn)題等許多方面的知識(shí)。本文是在指導(dǎo)老師蔣恩松自始至終的精心指導(dǎo)下完成的。我真誠(chéng)感謝這期間蔣恩松老師給予我的全力幫

95、助，細(xì)心指導(dǎo)以及對(duì)我的嚴(yán)格要求，是他在我遇到問(wèn)題時(shí)，不辭辛苦幫我解決，感謝他在設(shè)計(jì)和任務(wù)安排上長(zhǎng)時(shí)間的指導(dǎo)。在研究過(guò)程的每個(gè)階段，蔣恩松老師以其深刻的洞察力、淵博的知識(shí)和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)術(shù)態(tài)度給予我熱情的指導(dǎo)和幫助。在論文寫(xiě)作中蔣老師不僅關(guān)心著論文的寫(xiě)作進(jìn)度，而且不斷提出寶貴的意見(jiàn)和新的要求，激勵(lì)著我努力學(xué)習(xí)，刻苦鉆研?？梢哉f(shuō)，沒(méi)有蔣老師的指導(dǎo)與關(guān)懷，我就不可能完成我的學(xué)業(yè)和這篇論文。在此謹(jǐn)向蔣恩松老師表示由衷的感謝和敬意。</p>

96、<p>　　感謝我的家人和朋友，他們?cè)诒澈蟮哪С肿屛矣懈嗟臅r(shí)間專(zhuān)心投入學(xué)業(yè)。他們是我學(xué)習(xí)和前進(jìn)的動(dòng)力。</p><p>　　最后向百忙之中評(píng)閱本論文的各位老師表示衷心的感謝。</p><p><b>　　附錄 </b></p><p><b>　　程序代碼如下：</b></p><

97、p>　　1、平均功率分配的SISO信道容量的matlab實(shí)現(xiàn)</p><p>　　% SISO_Capacity.m</p><p>　　clear all;clc;</p><p>　　Nt = 1; % 8.發(fā)送天線(xiàn)的數(shù)目</p><p>　　Nr = 1;

98、 % 9.接收天線(xiàn)的數(shù)目 </p><p>　　SampleNum = 10000; % 10.蒙特卡洛仿真時(shí)的抽樣數(shù)量</p><p>　　SNR_dB =0:2:24; % 11.信噪比(單位dB)&

99、lt;/p><p>　　for nSNR = 1:length(SNR_dB)</p><p>　　SNR_dB(nSNR)</p><p>　　rho = 10^(SNR_dB(nSNR)/10); % 13-15.完成信噪比的單位轉(zhuǎn)換</p><p>　　for nSample = 1:SampleNum</p&g

100、t;<p>　　H = (randn(Nr,Nt)+sqrt(-1)*randn(Nr,Nt))/sqrt(2); % 18.瑞利衰落信道矩陣</p><p>　　Cn(nSNR,nSample) = log2(det(1+rho*H*H'));</p><p><b>　　end</b></p><p>　　Capaci

101、ty(nSNR) = mean( Cn(nSNR,:) ); % 22.求遍歷信道容量</p><p>　　tempC = sort(Cn(nSNR,:));</p><p><b>　　end</b></p><p>　　figure(1) % 2

102、6.開(kāi)始作圖，蒙特卡洛仿真</p><p>　　nSNR = length(SNR_dB);</p><p>　　plot(sort(Cn(nSNR,:)), (1:SampleNum)/SampleNum, 'r-');</p><p><b>　　hold on;</b></p><p><b&

103、gt;　　grid on;</b></p><p>　　Nt = 1; % 8.發(fā)送天線(xiàn)的數(shù)目</p><p>　　Nr = 1; % 9.接收天線(xiàn)的數(shù)目 </p><p>　　SampleNum = 1

104、0000; % 10.蒙特卡洛仿真時(shí)的抽樣數(shù)量</p><p>　　SNR_dB =0:2:27; % 11.信噪比(單位dB)</p><p>　　for nSNR = 1:length(SNR_dB)</p><p>　　SNR_dB(nSNR)<

105、;/p><p>　　rho = 10^(SNR_dB(nSNR)/10); % 13-15.完成信噪比的單位轉(zhuǎn)換</p><p>　　for nSample = 1:SampleNum</p><p>　　H = (randn(Nr,Nt)+sqrt(-1)*randn(Nr,Nt))/sqrt(2); % 18.瑞利衰落信道矩陣</p>

106、;<p>　　Cn(nSNR,nSample) = log2(det(1+rho*H*H'));</p><p><b>　　end</b></p><p>　　Capacity(nSNR) = mean( Cn(nSNR,:) ); % 22.求遍歷信道容量</p><p>　　tempC =

107、sort(Cn(nSNR,:));</p><p><b>　　end</b></p><p>　　figure(1) % 26.開(kāi)始作圖，蒙特卡洛仿真</p><p>　　nSNR = length(SNR_dB);</p><p>　　plot(s

108、ort(Cn(nSNR,:)), (1:SampleNum)/SampleNum, 'b-.');</p><p><b>　　hold on;</b></p><p>　　xlabel('信道容量 (bit/s/Hz)');</p><p>　　ylabel('概率分布')</p>

109、<p><b>　　grid on;</b></p><p>　　2、MISO信道容量仿真的matlab實(shí)現(xiàn)</p><p>　　% MISO_Capacity.m</p><p>　　clear all;clc;</p><p>　　Nt = 1; % 8.發(fā)射天線(xiàn)的數(shù)目為1

110、</p><p>　　Nr = 1; % 9.接收天線(xiàn)的數(shù)目為1 </p><p>　　SampleNum = 10000; % 10.蒙特卡洛仿真時(shí)的抽樣數(shù)量</p><p>　　SNR_dB = 0:2:24;

111、 % 11.信噪比(單位dB)</p><p>　　for nSNR = 1:length(SNR_dB)</p><p>　　SNR_dB(nSNR)</p><p>　　rho = 10^(SNR_dB(nSNR)/10); % 13-15.完成信噪比的單位轉(zhuǎn)換</p>

112、;<p>　　for nSample = 1:SampleNum</p><p>　　H = (randn(Nr,Nt)+sqrt(-1)*randn(Nr,Nt))/sqrt(2); % 18.瑞利衰落信道矩陣</p><p>　　Cn(nSNR,nSample) = log2(det(1+rho*H*H'/Nt));</p><p><

113、;b>　　end</b></p><p>　　Capacity1(nSNR) = mean( Cn(nSNR,:) ); % 22.求遍歷信道容量</p><p>　　tempC1 = sort(Cn(nSNR,:));</p><p><b>　　end</b></p><p>

114、　　Nt = 3; % 26-42.發(fā)射天線(xiàn)的數(shù)目為3</p><p>　　Nr = 1; </p><p>　　SampleNum = 10000; </p>

115、<p>　　SNR_dB =0:2:24; </p><p>　　for nSNR = 1:length(SNR_dB)</p><p>　　SNR_dB(nSNR)</p><p>　　rho = 10^(SNR_dB(nSNR)/10);