MIMO系統(tǒng)的信道容量分析 及Matlab仿真

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1、 學(xué)校代碼 14199 學(xué)號(hào) 00909002 分 類 號(hào) 密級(jí) 本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） MIMO系統(tǒng)的信道容量分析 及Matlab仿真 教 學(xué) 部 信息工程教學(xué)部 專業(yè)名稱 通信工程 年 級(jí) 2

2、009級(jí) 學(xué)生姓名 包宇坤 指導(dǎo)教師 黃 威 2013 年 5月 21 日 本科畢業(yè)論文(設(shè)計(jì)) MIMO系統(tǒng)的信道容量分析及Matlab仿真 摘要：MIMO技術(shù)是在通信系統(tǒng)的收發(fā)兩端放置多根天線的一種通信技術(shù)。多輸入多輸出技術(shù)是近年來(lái)無(wú)線通信領(lǐng)域理論研究的一個(gè)重大突破。該技術(shù)能在不增加系統(tǒng)帶寬和發(fā)射功率的前提下大大增加系統(tǒng)容量、提高系統(tǒng)頻帶利用率、改善系統(tǒng)的性能,從而成為新一代高數(shù)據(jù)率、多數(shù)據(jù)類型無(wú)線通信系統(tǒng)的

3、關(guān)鍵技術(shù)。眾所周知,信道容量表示一個(gè)通信系統(tǒng)的極限傳輸率。由于對(duì)容量分析結(jié)果會(huì)對(duì)實(shí)際通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)和指導(dǎo)。因此,對(duì)MIMO系統(tǒng)信道容量的分析無(wú)疑是一個(gè)重要而基本的研究課題。 本文對(duì)MIMO系統(tǒng)進(jìn)行了研究,主要集中在MIMO系統(tǒng)的信道容量分析。首先從MIMO的概念入手，介紹了當(dāng)前的無(wú)線通信技術(shù)。然后圍繞MIMO無(wú)線通信系統(tǒng)進(jìn)行了展開(kāi)，介紹了MIMO技術(shù)的基本原理、空時(shí)編碼技術(shù)和MIMO系統(tǒng)的模型與容量。隨后對(duì)仿真軟件MATLAB做了簡(jiǎn)單的介紹。最后應(yīng)用MATLAB軟件對(duì)不同發(fā)射天線、不同接收天線、不同信噪比下的MIMO系統(tǒng)容量進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了分析。 關(guān)鍵字：

4、MIMO技術(shù),信道容量,空時(shí)編碼,無(wú)線通信 Channel capacity of MIMO systems analysis and Matlab simulation Author ：Bao Yukun Tutor ：Huang Wei Abstract：Multiple-input-multiple-output (MIMO) is a communication technology that multiple antennas are set transmitters and receivers. It is an important bre

5、akthrough in the area of wireless communication. The system capacity and frequency spectrum efficiency of communication systems can be improved by this technology without extra frequency bandwidth and with no additional power expenditure. MIMO is becoming a key technology of the new generation high

6、data rate wireless mobile communication system. As well known , the channel capacity of a communications system is the limit of the transmission rate. The analysis results of capacity can provide the theoretical basis and guidance to the actual capacity communications system designed. Therefore, the

7、 MIMO system channel capacity analysis is an important and basic research topics. This paper investigates the MIMO system, mainly concentrated in the capacity of the MIMO system. First of all, from the perspective of the concept of MIMO, this paper introduces the current wireless communication tec

8、hnologies. Then revolves around MIMO wireless communication system, introduces the basic principle of MIMO technology space-time coding technique and model and the capacity of MIMO system. After this, the paper makes a simple introduction about the simulation software MATLAB. At last, applies MATLAB

9、 software to simulate this system in different transmitting antenna, different receiving antenna and different signal to noise ratio. And make some analysis of the simulation results. Keywords：MIMO technology，channel capacity，Space-Time Coding，wireless communication 目 錄 第1章 緒論

10、 1 1.1MIMO的概念 1 1.2無(wú)線MIMO技術(shù)的研究現(xiàn)狀 2 1.3 論文的主要內(nèi)容 3 第2章 MIMO無(wú)線通信系統(tǒng)

11、 4 2.1 MIMO技術(shù)的基本原理 4 2.2空時(shí)編碼技術(shù) 5 2.2.1 空時(shí)編碼技術(shù)及其分類 5 2.2.2 空時(shí)編碼技術(shù)的應(yīng)用前景 6 2.3 MIMO系統(tǒng)信道容量

12、 6 2.3.1 MIMO系統(tǒng)信道模型 6 2.3.2 MIMO系統(tǒng)信道容量推導(dǎo) 9 第3章 MIMO系統(tǒng)容量仿真 14 3.1 MATLAB簡(jiǎn)介 14 3.2搭建MATLAB仿真平臺(tái)

13、 14 3.3 MIMO系統(tǒng)信道容量的仿真和結(jié)果分析 16 結(jié) 論 18 致 謝 19 參考文獻(xiàn)

14、 20 附 錄 21 第 23 頁(yè) 本科畢業(yè)論文(設(shè)計(jì)) 第1章 緒論 未來(lái)移動(dòng)通信的目標(biāo)是，能在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)、向任何人提供快速可靠的通信服務(wù)。具有高數(shù)據(jù)率、高頻譜利用率、低發(fā)射功率、靈活業(yè)務(wù)支撐能力的未來(lái)無(wú)線移動(dòng)通信系統(tǒng)應(yīng)將無(wú)線通信的傳輸容量和速率提高十倍甚至數(shù)百倍。但是，隨著各種無(wú)線通信業(yè)務(wù)和寬帶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的不斷發(fā)展，無(wú)線資源，尤其是頻譜資源變得越來(lái)越緊張。針對(duì)有限的頻譜資源,如何最大限度的提高頻譜利用率,是當(dāng)前研究的一個(gè)

15、熱門(mén)課題。MIMO技術(shù)無(wú)疑是眾多方法中最具潛力和最具優(yōu)勢(shì)的一項(xiàng)技術(shù),也是本文的主要研究對(duì)象。 1.1 MIMO的概念 傳統(tǒng)的無(wú)線通信系統(tǒng)是采用單輸入單輸出（SISO）天線系統(tǒng)。所謂的單輸入單輸出（SISO）天線系統(tǒng)就是一個(gè)發(fā)射天線和一個(gè)接收天線的通信系統(tǒng)。在信道的容量上，SISO系統(tǒng)有一個(gè)通信上很難突破的瓶頸，那就是Shannon容量的限制。我們無(wú)論采取什么樣的調(diào)制技術(shù)、不同編碼的策略或是其他的辦法，在實(shí)際中，無(wú)線通信工程總是被無(wú)線信道的實(shí)際物理限制。這是在現(xiàn)如今無(wú)線通信市場(chǎng)中嚴(yán)峻的問(wèn)題。為了應(yīng)對(duì)用戶對(duì)更高的數(shù)據(jù)傳輸速率的迫切需求，因此進(jìn)一步提高無(wú)線通信系統(tǒng)的容量是勢(shì)在必行的。

16、 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)線應(yīng)用市場(chǎng)仍是在3G系統(tǒng)和WLAN之間，是微波頻帶，加大該頻帶的帶寬，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)線通信系統(tǒng)容量問(wèn)題的最佳解決方法。 在單天線系統(tǒng)中，提高系統(tǒng)容量的另一個(gè)方法是加大系統(tǒng)的發(fā)射功率。加大系統(tǒng)發(fā)射功率可能引起人的健康狀況的變化，對(duì)硬件設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)，這是非常困難的，因?yàn)楣Ψ牌骷诖蠊β氏碌木€性工作特性是很難設(shè)計(jì)的。另外，散熱及發(fā)射功率的加大所引起的功率消耗也是移動(dòng)終端要考慮的問(wèn)題。

17、還有一個(gè)辦法就是通過(guò)使用分集技術(shù)提高系統(tǒng)的容量，提高發(fā)射/接收信噪比，以增大系統(tǒng)的容量。這樣就發(fā)展為現(xiàn)在的SIMO系統(tǒng)和MISO系統(tǒng)。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)采用陣列天線的系統(tǒng)——MIMO系統(tǒng)。 1996年,貝爾實(shí)驗(yàn)室的G.J.Foschini提出了BLAST系統(tǒng),該系統(tǒng)采用MIMO技術(shù)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的并行傳輸,使無(wú)線鏈接的容量提高了20到30倍。MIMO技術(shù)突破了香農(nóng)容量的界限,使無(wú)線傳輸?shù)娜萘窟_(dá)到有線傳輸?shù)乃匠蔀榭赡堋?998年G.J.Foschni和M.J.Gans從信息論的角度分析了多天線系統(tǒng)在衰落環(huán)境中的信道容量。研究表明,在散射環(huán)境中,MIMO技術(shù)

18、可以在不增加帶寬和發(fā)射功率的情況下成倍提高通信系統(tǒng)的通信容量和頻譜利用率。在瑞利衰落環(huán)境中大信噪比時(shí),MIMO系統(tǒng)的信道容量與收發(fā)天線最小數(shù)目成正比。MIMO技術(shù)在提高信道容量方面獲得如此的突破,其原因就在于該技術(shù)將通常不利于無(wú)線通信的多徑衰落轉(zhuǎn)變?yōu)橛欣蛩?充分利用了隨機(jī)衰落和可能存在的多徑傳播來(lái)成倍的提高數(shù)據(jù)傳輸速率。正是由于MIMO技術(shù)具有這些優(yōu)勢(shì)，因此一經(jīng)提出就引起了廣泛的關(guān)注,一直是無(wú)線通信技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)熱門(mén)研究課題。 1.2 無(wú)線MIMO技術(shù)的研究現(xiàn)狀 從Winters對(duì)無(wú)線通信系統(tǒng)空間分集與系統(tǒng)容量關(guān)系的討論，到Telatar 和Foschini 關(guān)于MIMO 信道容量的理

19、論分析，這些研究奠定了MIMO無(wú)線通信的信息論理論基礎(chǔ)。而B(niǎo)LAST的試驗(yàn)結(jié)果則從實(shí)踐的角度證明了MIMO——這種在無(wú)線鏈路的發(fā)送端和接收端同時(shí)使用多個(gè)天線的通信結(jié)構(gòu)，能夠在不占用額外頻譜帶寬的前提下，有效地提高信道容量。上述研究掀起了近幾年無(wú)線通信領(lǐng)域?qū)IMO研究的熱潮，也標(biāo)志著MIMO無(wú)線通信研究的真正開(kāi)始。 在MIMO技術(shù)成為無(wú)線通信研究熱點(diǎn)之前，智能天線及空域自適應(yīng)信號(hào)處理技術(shù)一直是無(wú)線通信領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一，并被期望應(yīng)用于第二代和第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)中。與智能天線技術(shù)相比較，與基于MIMO的編碼和信號(hào)處理技術(shù)是對(duì)智能天線技術(shù)的繼承和重大突破。一方面，從通信結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型來(lái)看，智能天

20、線信號(hào)模型的單輸入多輸出（SIMO）結(jié)構(gòu)可視為MIMO無(wú)線通信系統(tǒng)的一個(gè)特例；另一方面，從涉及通信的深度來(lái)看，MIMO技術(shù)不僅包含了智能天線技術(shù)的信號(hào)處理，其近來(lái)的發(fā)展已經(jīng)涉及編碼、調(diào)制和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等方面。比如，最具代表的空時(shí)編碼（STC）技術(shù)和自適應(yīng)MIMO調(diào)制，以及分布式MIMO天線系統(tǒng)和協(xié)同空時(shí)無(wú)線通信結(jié)構(gòu)等，都已經(jīng)突破了智能天線技術(shù)包括的自適應(yīng)空時(shí)信號(hào)處理技術(shù)。 從1998年開(kāi)始，跟隨著Telatar、Foschini以及Rayleight等人的腳步，國(guó)內(nèi)外著名的無(wú)線通信研究機(jī)構(gòu)和學(xué)者們對(duì)MIMO技術(shù)開(kāi)始了大量的深入研究。在近幾年的國(guó)際通信與信號(hào)處理相關(guān)領(lǐng)域的學(xué)術(shù)會(huì)議也都將MIMO

21、無(wú)線通信列為一個(gè)重要的主題?？偨Y(jié)近幾年來(lái)關(guān)于MIMO技術(shù)的研究，可以發(fā)現(xiàn)，MIMO技術(shù)研究的內(nèi)容主要包括4個(gè)方面： （1） MIMO衰落信道的測(cè)量和建模方法； （2） MIMO信道容量的分析； （3） 基于MIMO的空時(shí)編/解碼方法； （4） 基于MIMO的接收機(jī)關(guān)鍵技術(shù)，如信道估計(jì)、均衡、多用戶檢測(cè)等。 這4個(gè)方面的相關(guān)研究涉及了MIMO無(wú)線通信的各個(gè)子問(wèn)題。雖側(cè)重角度各不相同，但都面對(duì)著一個(gè)相同的核心問(wèn)題，即針對(duì)各種復(fù)雜的無(wú)線衰落信道環(huán)境，如何有效的利用MIMO通信結(jié)構(gòu)抗多徑衰落、增加數(shù)據(jù)傳輸速率以及提高系統(tǒng)容量。 1.3 論文的主要內(nèi)容 本論文主要研究的是MIMO無(wú)線通信

22、系統(tǒng)的信道容量問(wèn)題。在弄清MIMO系統(tǒng)的原理的基礎(chǔ)上，簡(jiǎn)要的介紹了一下與MIMO技術(shù)有關(guān)的空時(shí)編碼技術(shù)。然后從理論上分析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。此外，由于本文在仿真的時(shí)候需要用到MATLAB軟件，因此，我在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真之前，對(duì)在仿真中會(huì)用到的MATLAB知識(shí)也做了簡(jiǎn)單的介紹。 第2章 MIMO無(wú)線通信系統(tǒng) 2.1 MIMO技術(shù)的基本原理 任何一個(gè)無(wú)線通信系統(tǒng),當(dāng)它的接收端和發(fā)射端都采用多副天線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí),該系統(tǒng)就可以稱為MIMO無(wú)線通信系統(tǒng)。MI

23、MO系統(tǒng)通常使用分布式天線,天線單元間距較大,天線上信號(hào)可以認(rèn)為是獨(dú)立的。MIMO技術(shù)有效利用了隨機(jī)衰落和多徑傳播來(lái)提高傳輸速率和質(zhì)量,其優(yōu)勢(shì)在散射物豐富的環(huán)境中可以得到充分的體現(xiàn)。 圖2.1給出了一個(gè)簡(jiǎn)單的MIMO傳輸系統(tǒng)示意圖。數(shù)字信號(hào)源以二進(jìn)制形式進(jìn)入一個(gè)信號(hào)處理模塊,該模塊包括錯(cuò)誤控制編碼功能和映射復(fù)調(diào)制功能。數(shù)字信號(hào)被映射成幾個(gè)單獨(dú)的符號(hào)流,每路符號(hào)流通過(guò)其中一個(gè)天線發(fā)射出去。根據(jù)所要實(shí)現(xiàn)的性能,這幾個(gè)符號(hào)流可以是獨(dú)立的、部分冗余或完全冗余的,這取決于映射方式或者信道編碼的方式。如果要獲得最大的分集增益或者最佳誤碼率性能,則可以采用空時(shí)網(wǎng)格碼、空時(shí)分組碼或其它編碼方式。如果要求得到

24、最大空間復(fù)用增益或者最大數(shù)據(jù)傳輸速率,那么可以采用分層空時(shí)碼。接收端采用多副天線接收信號(hào),通過(guò)解調(diào)和去映射處理恢復(fù)原來(lái)的信息。 信 號(hào) 處 理 信 號(hào) 處 理 圖2.1 MIMO傳輸系統(tǒng)示意圖 MIMO技術(shù)實(shí)質(zhì)上是要為無(wú)線通信系統(tǒng)提供一定的空間分集增益和空間復(fù)用增益。目前,針對(duì)MIMO信道所進(jìn)行的研究也主要是圍繞這兩個(gè)方面開(kāi)展的?？臻g分集可以提高信號(hào)傳輸?shù)目煽啃?降低誤碼率,而空間復(fù)用則可以大大提高傳輸速率。 MIMO技術(shù)的核心是空時(shí)信號(hào)處理,即利用空間中分布的多個(gè)天線將時(shí)間域和空間域結(jié)合起來(lái)進(jìn)行信號(hào)處理,這也是實(shí)現(xiàn)空間分集增益和空間復(fù)用增益的必要措施?？諘r(shí)

25、編碼技術(shù)正是MIMO技術(shù)與傳統(tǒng)的編碼技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物。目前,空時(shí)編碼方法主要有分層空時(shí)碼(LSTC)、空時(shí)網(wǎng)格碼(STTC)、空時(shí)分組碼(STBC)、酉空時(shí)碼以及差分空時(shí)碼等,其中前三種空時(shí)編碼方法需要進(jìn)行信道估計(jì),后兩種不需要進(jìn)行信道估計(jì)。 2.2 空時(shí)編碼技術(shù) 空時(shí)編碼STC(Space-Time Coding)技術(shù)在無(wú)線通信領(lǐng)域引起了廣泛關(guān)注,空時(shí)編碼的概念是基于Winters 在20世紀(jì)80年代中期所做的關(guān)于天線分集對(duì)于無(wú)線通信容量的重要性的開(kāi)創(chuàng)性工作。空時(shí)編碼是一種能獲取更高數(shù)據(jù)傳輸率的信號(hào)編碼技術(shù)，是空間傳輸信號(hào)和時(shí)間傳輸信號(hào)的結(jié)合，實(shí)質(zhì)上就是空間和時(shí)間二維的處理相結(jié)合的方法。

26、在新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)中，空間上采用多發(fā)多收天線的空間分集來(lái)提高無(wú)線通信系統(tǒng)的容量和信息率；在時(shí)間上把不同信號(hào)在不同時(shí)隙內(nèi)使用同一個(gè)天線發(fā)射，使接收端可以分集接收。用這樣的方法可以獲得分集和編碼增益，從而實(shí)現(xiàn)高速率的傳輸?，F(xiàn)在是第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)中提高頻譜利用率的一項(xiàng)技術(shù)。 空時(shí)編碼的有效工作需要在發(fā)射和接收端使用多個(gè)天線,因?yàn)榭諘r(shí)編碼同時(shí)利用時(shí)間和空間兩維來(lái)構(gòu)造碼字,這樣才能有效抵消衰落,提高功率效率；并且能夠在傳輸信道中實(shí)現(xiàn)并行的多路傳送,提高頻譜。需要說(shuō)明的是,空時(shí)編碼技術(shù)因?yàn)閷儆诜旨姆懂?所以要求在多散射體的多徑情況下應(yīng)用,天線間距應(yīng)適當(dāng)拉開(kāi)以保證發(fā)射、接收信號(hào)的相互獨(dú)立性,以充分利

27、用多散射體所造成的多徑。 2.2.1 空時(shí)編碼技術(shù)及其分類 空時(shí)編碼在不同天線所發(fā)送的信號(hào)中引入時(shí)間和空間的相關(guān)性,從而不用犧牲帶寬就可以為接收端提供不編碼系統(tǒng)所沒(méi)有的分集增益和編碼增益?？諘r(shí)編碼的基本工作原理如下:從信源給出的信息數(shù)據(jù)流,到達(dá)空時(shí)編碼器后,形成同時(shí)從許多個(gè)發(fā)射天線上發(fā)射出去的矢量輸出,稱這些調(diào)制符號(hào)為空時(shí)符號(hào)(STS)或者空時(shí)矢量符(STVS)。與通常用一個(gè)復(fù)數(shù)表示調(diào)制符號(hào)類似(復(fù)的基帶表示) ,一個(gè)空時(shí)矢量符STVS可以表示成為一個(gè)復(fù)數(shù)的矢量,矢量中數(shù)的個(gè)數(shù)等于發(fā)射天線的個(gè)數(shù)。 概括起來(lái)空時(shí)編碼技術(shù)按照發(fā)射端和接收端是否需要知道信道狀態(tài)信息分為兩大類。 1、第一類

28、空時(shí)編碼：解碼時(shí)需要確切知道信道狀態(tài)信息（CSI）的，具體可細(xì)分為下面3種： (1)分層空時(shí)編碼（LSTC）； (2)空時(shí)格型編碼（STTC）； (3)空時(shí)分組編碼（STBC）； 2、第二類空時(shí)編碼：編解碼時(shí)發(fā)射端和接收端都不需要知道CSI，具體又可以分為以下兩種： （1）酉空時(shí)編碼（USTC）； （2）差分空時(shí)編碼（DSTBC）； 2.2.2 空時(shí)編碼技術(shù)的應(yīng)用前景 眾所周知,第三代移動(dòng)通信及下一代無(wú)線通信系統(tǒng)的主要目的之一就是為移動(dòng)和靜止用戶提供寬帶接入,實(shí)時(shí)的多媒體業(yè)務(wù)如視頻會(huì)議所要求的數(shù)據(jù)速率將會(huì)是現(xiàn)在無(wú)線技術(shù)所能提供速率的兩到三倍以上。 而很明顯,使用多個(gè)

29、發(fā)射或接收天線可以取得更高的頻譜效率。 這樣在多徑衰落無(wú)線信道中使用多個(gè)發(fā)射天線結(jié)合空時(shí)編碼技術(shù)就很有可能提供功耗和頻譜效率的最佳折中。 而事實(shí)上也的確如此,空時(shí)編碼技術(shù)和多個(gè)發(fā)射天線的信號(hào)處理技術(shù)最近已經(jīng)被第三代蜂窩移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)如CDMA2000 和WCDMA所采納,另外,也被建議應(yīng)用到無(wú)線的環(huán)路及廣域分級(jí)接入中去。 具體地說(shuō),空時(shí)編碼技術(shù)可以結(jié)合當(dāng)前的窄帶TDMA 蜂窩移動(dòng)通訊系統(tǒng),使系統(tǒng)的傳輸速率得到大大提高;它也可以通過(guò)抑制干擾大大提高無(wú)線通訊系統(tǒng)的容量或吞吐量;另外,它還可以結(jié)合OFDM等通訊技術(shù)用于寬帶無(wú)線通訊系統(tǒng)。 所以,空時(shí)編碼技術(shù)在未來(lái)的無(wú)線通訊系統(tǒng)中包括寬帶固定無(wú)線接入FW

30、A、無(wú)線局域網(wǎng)LAN 甚至蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)中也有著廣闊的應(yīng)用前景。 2.3 MIMO系統(tǒng)信道容量 2.3.1 MIMO系統(tǒng)信道模型 MIMO信道模型如圖2.2所示，系統(tǒng)有NT根發(fā)射天線和NR根接收天線。在發(fā)射端的天線陣列上的信號(hào)表示為： x(t)=[x1(t),x2(t),…,xNT(t)]T （2.1） 式中，符號(hào)[ ]T表示矢量或矩陣的轉(zhuǎn)置； xi(t)表示接收端的第i根天線端口的信號(hào)。 同理在接收端天線陣列上的信號(hào)為： y(t)=[y1(t),y2(t),…,yN

31、R(t)]T （2.2） 式中,yj(t)表示發(fā)射端的第j根天線端口的信號(hào)。 圖2.2 MIMO系統(tǒng)模型 1、非頻率選擇性信道模型 在非頻率選擇性衰落情況下,MIMO瑞利信道模型比較簡(jiǎn)單,由于各對(duì)天線間的子信道可以等效成一個(gè)瑞利衰落的子信道。 此時(shí),MIMO信道模型中的各個(gè)子信道可以建立為： hj,i(τ,t)=hj,i(t) δ(τ-τ0) （

32、2.3） 式中，i=1,…,NT;j=1,…,NR，|hj,i(t)|服從瑞利分布，MIMO信道矩陣為H=（hj,i）NR *NT 則對(duì)應(yīng)的MIMO系統(tǒng)模型為： Y=HX+Z （2.4） 式中，Z為均值為0的高斯白噪聲矩陣。 2、頻率選擇性信道模型 此時(shí)MIMO信道的信道矩陣可以表示為 （2.5） 式中,

33、，且 （2.6） 式中,Hl是一個(gè)復(fù)數(shù)矩陣,它描述了在時(shí)延為τ時(shí)所考慮的兩個(gè)天線陣列之間的線性變換；hlj,i是發(fā)射的第i根天線到接收的第j根天線的復(fù)傳輸系數(shù)。式(2.5)表示的是一個(gè)簡(jiǎn)單的抽頭延時(shí)線模型,不過(guò)在這里L(fēng)個(gè)時(shí)延的信道系數(shù)是用矩陣來(lái)表示的。 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,主要的差別就是該信道模型的抽頭系數(shù)不再是一個(gè)簡(jiǎn)單的標(biāo)量,而是一個(gè)矩陣,矩陣的大小跟MIMO系統(tǒng)兩端用的天線數(shù)有關(guān)。 為簡(jiǎn)化信道模型的分析,假設(shè)|hlj,i|服從瑞利分布。對(duì)于給定的時(shí)延,進(jìn)一步假定傳輸系數(shù)的平均功率相同,因此下式:

34、 (2.7) 對(duì)所有的j=1…NR,i=1…NT都成立。且從一個(gè)時(shí)延到另一個(gè)時(shí)延,這些傳輸系數(shù)都不相關(guān),即： (2.8) 符號(hào)代表求a和b之間的相關(guān)系數(shù)。平均功率時(shí)延(PDS)可表示為，因此通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)臅r(shí)延、平均功率參數(shù){τ1，pl}可以實(shí)現(xiàn)具有特定時(shí)延擴(kuò)展的,按某種規(guī)律衰減的PDS。 通過(guò)變換

35、手段,對(duì)頻率選擇性信道和非頻率選擇性信道相似的情形來(lái)進(jìn)行研究。假設(shè)頻率選擇性的MIMO信道接收模型為： (2.9) 式中，Zn 為均值為0的高斯白噪聲矩陣。 2.3.2 MIMO系統(tǒng)信道容量推導(dǎo) 1、 MIMO系統(tǒng)的瞬時(shí)信道容量的推導(dǎo) 這部分我們將給出MIMO信道容量的一般性表達(dá)。根據(jù)上面的信道模型,我們可以得到收發(fā)信號(hào)關(guān)系為:

36、 (2.10) 首先假設(shè)信道的加性噪聲n是服從協(xié)方差為Rnn = E{nnH}的零均值循環(huán)對(duì)稱復(fù)高斯分布(ZMCSCG),即:n~CN(0N,N0IN)并且n與x之間是不相關(guān)的。發(fā)送信號(hào)x是服從零均值、協(xié)方差為RXX ={xxH }、概率密度函數(shù)為fs(x)的分布,總的發(fā)送功率限制為T(mén)r{Rxx}=P,其中Ex為在一個(gè)符號(hào)周期內(nèi)總的發(fā)送能量。 在下面的推導(dǎo)過(guò)程中我們假設(shè)信道矩陣H在接收端已經(jīng)完全已知,但是它是隨機(jī)的,因此我們可以得到瞬時(shí)信道容量為: (2.11) 其

37、中為在已知信道H的情況下輸入x與輸出y之間的互信息量,有: (2.12) H(y)是y的差分熵,H(y|x)是給定x條件下y的差分熵,由于發(fā)送信號(hào)與噪聲之間是獨(dú)立的,因此有H(y|x)=H(n),所以式(2.12)可以重新寫(xiě)為: (2.13) 因?yàn)榻邮招盘?hào)的協(xié)方差矩陣為:

38、 (2.14) 對(duì)于輸出信號(hào)y的差分熵,根據(jù)Neeser的分析,在給定協(xié)方差矩陣Ryy的條件下,H(y)只有在y是也服從ZMCSCG分布情況下才可以達(dá)到最大值,所以發(fā)送信號(hào)x也應(yīng)該服從ZMCSCG分布,此時(shí)的y與n的差分熵分別為： (2.15) (2.16) 所以我們可以得到信道瞬時(shí)交互信息I(x;y)為： (2.17)

39、 我們知道信道容量是最大的輸入輸出交互信息,所以(2.11)可以重新寫(xiě)為: (2.18) 上面得到的瞬時(shí)容量值是隨不同的信道條件而不斷變化的,由于信道矩陣H的隨機(jī)性,所以我們可以知道瞬時(shí)信道容量也是隨機(jī)的,是一個(gè)隨機(jī)變量。 2、利用矩陣?yán)碚撏茖?dǎo)MIMO系統(tǒng)容量 對(duì)于MIMO無(wú)線信道，信道是極其復(fù)雜的。因此原始的信道矩陣也就顯得復(fù)雜，不便于分析，而且一般矩陣不經(jīng)過(guò)處理計(jì)算行列式很困難。這就自然想到在信源端對(duì)發(fā)射信號(hào)做某種預(yù)處理，使得經(jīng)過(guò)預(yù)處理的信號(hào)經(jīng)過(guò)的信道變得簡(jiǎn)單易分析，而且具體實(shí)現(xiàn)也變得簡(jiǎn)單。對(duì)于信道矩陣來(lái)說(shuō)，對(duì)角矩陣是最簡(jiǎn)單

40、的，所以自然就想到把信道矩陣分解，利用矩陣?yán)碚撝械钠娈愔捣纸饪梢赃_(dá)到這種目的。下面就矩陣的奇異值分解來(lái)計(jì)算MIMO的信道容量。首先，假設(shè)信道矩陣在發(fā)射端為未知，在接收端為已知。 由奇異值分解（SVD）理論，任何一個(gè)nRnT矩陣H可以寫(xiě)成 （2.19） 式中，D是nRnT非負(fù)對(duì)角矩陣；U和V分別是 nRnR和 nTnT 的酉矩陣。則有UUH=InR和VVH=InT，其中InR和InT分別是nRnR和nTnT單位陣。D的對(duì)角元素是矩陣H

41、HH的特征值的非負(fù)平方根。HHH的特征值（用λ表示）定義為 （2.20） 式中，y是與λ相對(duì)應(yīng)的nR1維矢量，稱為特征矢量。 特征值的非負(fù)平方根也稱為H的奇異值，而且U的列矢量是HHH的特征矢量，V的列矢量是HHH的特征矢量。把把(2.19）代入(2.10），可以得到接收矢量r （2.21） 引入下列變換：

42、 (2.22) U和V是可逆的。顯然，式（2.22）中定義的矩陣r 、x和n與相應(yīng)矩陣的乘積僅有一個(gè)縮放比例的效果。矢量n是一個(gè)零均值高斯隨機(jī)變量，其實(shí)部和虛部獨(dú)立同分布。這樣，前面討論的信道與下式所描述的信道是等價(jià)的。

43、 (2.23) 矩陣HHH的非零特征值的數(shù)量等于矩陣H的秩，用r表示。對(duì)nRnT矩陣H,秩的最大值為m=min(nR,nT)，也就是說(shuō)，至多有m個(gè)奇異值是非零的。用表示H的奇異值。將代入式（2.23），得到接收信號(hào)元素為 (2.24) 式（2.24）顯示，接收元素并不依賴于發(fā)射信號(hào)，即信道增益是零。另一方面，接收元素僅僅取決于發(fā)射元素Xi’。因此，可以認(rèn)為，通

44、過(guò)(2.23）得到的等效MIMO信道是由r個(gè)去耦平行子信道組成的。為每個(gè)子信道分配的矩陣H的奇異值，相當(dāng)于信道幅度增益。因此，信道功率增益等于矩陣HHH的特征值。例如，如果nT > nR，由于H的秩不可能比nR高，那么式（2.24）顯示了在等效的MIMO信道中，最多有nR個(gè)非零增益子信道。 另一方面，如果nR > nT，在等效的MIMO信道中，最多有nT個(gè)非零增益子信道。特征值譜是對(duì)MIMO信道的一種描述方式，適用于對(duì)最佳發(fā)射路徑進(jìn)行估計(jì)。 由式（2.22），可以導(dǎo)出信號(hào)r、x和n的協(xié)方差矩陣和它們的跡

45、 （2.25） (2.26) 以上關(guān)系顯示，r、x 和n 的協(xié)方差矩陣有相等的對(duì)角元素和，從而有相等的功率；而對(duì)于原始信號(hào)和r、x和n,它們

46、是各不相等的。 考慮到(2.22）所描述的等價(jià)MIMO信道模型中，子信道是去耦的，因此其容量可以直接相加。假設(shè)在等效MIMO信道中，每根天線的發(fā)射功率為P/nT，運(yùn)用香農(nóng)公式，可以估算出總的信道容量（用C表示）為: （2.27） 式中，W是每個(gè)子信道的帶寬；Pri是在第i個(gè)子信道中接收的信號(hào)功率，由下式給出： （2.28） 式中，是信道矩陣H的奇異值。因此信道容量可

47、以寫(xiě)成: （2.29） 下面說(shuō)明信道容量是如何與信道矩陣H相關(guān)的。假定m=min（nR，nT）,(2.20）定義了特征值-特征矢量的關(guān)系，可重新寫(xiě)為: （2.30） 式中，Q是威沙特（Wishart）矩陣，定義為: （2.31） 即當(dāng)且僅當(dāng)是奇異矩陣時(shí)，λ是Q的一個(gè)特征值。因此的行列式必定為零，即

48、 （2.32） 通過(guò)查找（2.32）的根，即可計(jì)算出信道矩陣的奇異值λ。 式（2.32）左邊的特征多項(xiàng)式P（λ）為 （2.33） 其冪次為m，因?yàn)樵诘睦绽棺钚№?xiàng)乘積式中，的每一行對(duì)應(yīng)λ的一次乘積項(xiàng)。由于復(fù)系數(shù)m次多項(xiàng)式剛好有m個(gè)零點(diǎn)，特征多項(xiàng)式可寫(xiě)成: （2.34） 式中，是特征

49、多項(xiàng)式P（λ）的根，等于信道矩陣的奇異值。（2.32）可以寫(xiě)為： （2.35） 進(jìn)而令（2.32）和（2.33）的左邊相等 （2.36） 用替換（2.36）中的λ，得到 （2.37） 由（2.37）得到的容量公式，可以寫(xiě)成

50、 （2.38） 由于HHH和HHH的非零特征值相等，信道矩陣H和HH的信道容量也相等。如果信道系數(shù)是隨機(jī)變量，則（2.29）和（2.30）表示的是瞬時(shí)容量交互信息量?？梢酝ㄟ^(guò)對(duì)所有信道系數(shù)的實(shí)現(xiàn)取平均得到平均信道容量。 第3章 MIMO系統(tǒng)容量仿真 3.1 MATLAB簡(jiǎn)介 MATLAB的名稱源自Matrix Laboratory，它是一種科學(xué)計(jì)算軟件，專門(mén)以矩陣的形式處理數(shù)據(jù)。MATLAB將高性能的數(shù)值計(jì)算和可視化集成在一起，并提供了大量的內(nèi)置函數(shù)，從而被廣泛地應(yīng)用于科學(xué)計(jì)算、控制系統(tǒng)、信息處理等領(lǐng)域的分析、仿真和設(shè)計(jì)工作，而且利用MAT

51、LAB產(chǎn)品的開(kāi)放式結(jié)構(gòu)，可以非常容易地對(duì)MATLAB的功能進(jìn)行擴(kuò)充，從而在不斷深化對(duì)問(wèn)題認(rèn)識(shí)的同時(shí)，完善MATLAB產(chǎn)品以提高產(chǎn)品自身的競(jìng)爭(zhēng)能力。 MATLAB是MATLAB產(chǎn)品家族的基礎(chǔ)，它提供了基本的數(shù)學(xué)算法，例如矩陣運(yùn)算、數(shù)值分析算法，MATLAB集成了2D和3D圖形功能，以完成相應(yīng)數(shù)值可視化的工作，并且提供了一種交互式的高級(jí)編程語(yǔ)言—M語(yǔ)言。 3.2 搭建MATLAB仿真平臺(tái) 首先，用矩陣實(shí)驗(yàn)室MATLAB7.0仿真軟件搭建仿真平臺(tái)，為MIMO信道容量公式編程，生成能計(jì)算信道容量的M 文件。參數(shù)設(shè)置見(jiàn)下表： 表3.1參數(shù)設(shè)置 參數(shù)設(shè)置 Capacity 信道容量 SN

52、R 信噪比 N 發(fā)射天線數(shù) M 接受天線數(shù) Counter 循環(huán)數(shù) 首先，賦值N、M、SNRmin、SNRmax 等參數(shù)，完成計(jì)算信道容量子程序的映射任務(wù)，程序中采用嵌套的For循環(huán)，迭代次數(shù)為Counter，求出在設(shè)定的信噪比范圍內(nèi)的MIMO信道的信道容量，求其平均值，以減少因信道瑞利衰落帶來(lái)的仿真數(shù)據(jù)誤差。 同樣，用此平臺(tái)，組合不同的天線，計(jì)算不同信噪比下的MIMO信道容量并進(jìn)行仿真分析。本文計(jì)算0dB、5dB、10dB、15dB下的信道容量，并對(duì)其進(jìn)行仿真，最后得出結(jié)論。計(jì)算容量子程序和主程序流程圖分別見(jiàn)圖3.1和圖3.2 圖 3.1計(jì)算信道容量子程序流程圖

53、 圖3.2 主程序流程圖 3.3 MIMO系統(tǒng)信道容量的仿真和結(jié)果分析 1、發(fā)射天線數(shù)為4，接收天線逐漸增大，4種信噪比下的仿真結(jié)果如下圖所示： 圖 3.3 發(fā)射天線為4時(shí)，4種信噪比下仿真圖 2、接收天線為4，發(fā)射天線數(shù)逐漸增大，4種信噪比下的仿真結(jié)果如下圖所示： 圖 3.4 接收天線為4時(shí)，4種信噪比下仿真圖 3、結(jié)果分析 （1）如圖3.3所示的四條信道容量曲線的發(fā)射天線數(shù)量都為4，當(dāng)信噪比依次為0dB到15dB。我們可以根據(jù)四條曲線得出以下結(jié)論： 1.當(dāng)信噪比不變，且發(fā)射天線的數(shù)量一定時(shí)，信道容量會(huì)隨著接收天

54、線的數(shù)量的增多而增大，而且增大的幅度會(huì)越來(lái)越小。 2.當(dāng)發(fā)射天線的數(shù)量和接收天線的數(shù)量相同時(shí)，信道容量會(huì)隨著信噪比的增加而增加。 （2）如圖3.4所示，四條信道容量的接收天線數(shù)量都為4，其信噪比分別為0dB到15dB。由這四條曲線可以看出： 1.當(dāng)信噪比不變，且接收天線數(shù)量一定時(shí)，信道容量會(huì)隨發(fā)射天線的數(shù)量的增多而增大，而且增大的幅度越來(lái)越小。 2.當(dāng)發(fā)射天線的數(shù)量比接收天線的數(shù)量大的時(shí)候，信道容量增大的幅度將大幅度的減緩，當(dāng) >10以后，信道容量基本沒(méi)有什么變化。 由此根據(jù)以上的結(jié)論可以看到信道容量是會(huì)隨著天線數(shù)量的增多而線性增大。也就是我們可以在不增加天線發(fā)送功率和帶寬的情況下利

55、用MIMO信道，使無(wú)線信道容量成倍地提高，由此證明了MIMO信道系統(tǒng)理論的正確性，完成了本設(shè)計(jì)的要求。 結(jié) 論 在這篇論文里我們就多天線輸入多天線輸出系統(tǒng)（MIMO）進(jìn)行了一些研究,主要集中在信道容量方面。研究了MIMO系統(tǒng)的信道模型和信道容量,并用MATLAB對(duì)不同信噪比下的信道容量進(jìn)行了仿真。MIMO技術(shù)突破了香農(nóng)容量的界限,在多徑環(huán)境下,MIMO技術(shù)可以在不增加帶寬和發(fā)射功率的情況下成倍提高頻譜利用率和信道容量。因此，對(duì)于無(wú)線通信系統(tǒng)的容量提升而言，MIMO技術(shù)具有極大潛力。 通過(guò)本課題論文的設(shè)計(jì)，我在理論和實(shí)際實(shí)踐能力方面都有了很大的提高。在設(shè)計(jì)過(guò)

56、程中，我借閱了許多現(xiàn)代移動(dòng)通信方面的資料，這不僅培養(yǎng)了我的自學(xué)能力，而且增強(qiáng)了我對(duì)現(xiàn)代移動(dòng)通信的興趣。同時(shí)我應(yīng)用MATLAB軟件進(jìn)行通信仿真方面的學(xué)習(xí)，在仿真過(guò)程中，雖然有過(guò)很多次的失敗，但每一次失敗都是對(duì)我的一次很好的教育。 在設(shè)計(jì)過(guò)程中，遇到了很多問(wèn)題，學(xué)到了很多書(shū)本上學(xué)不到的知識(shí)，同時(shí)將大學(xué)四年的知識(shí)綜合運(yùn)用到實(shí)踐中，強(qiáng)化了所學(xué)的知識(shí)，增強(qiáng)了自己的動(dòng)手能力。 致 謝 在我大學(xué)即將畢業(yè)之際，首先感謝我的母校四年來(lái)對(duì)我的培養(yǎng)。在四年的學(xué)習(xí)生活中，我的母校不僅給我提供了學(xué)習(xí)的環(huán)境、氣氛，傳授給我知識(shí)，還給了我求知的欲望，為我以后走向社會(huì)打下了良好的

57、基礎(chǔ)，并使我樹(shù)立了正確的人生觀，世界觀。在這里，我也向辛勤培育我們的老師們表示最真摯的感謝，是他們讓我的理想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，給了我足夠的能力順利完成我的畢業(yè)設(shè)計(jì)工作，沒(méi)有母校和老師的栽培，就不會(huì)有我的知識(shí)和能力。 一段時(shí)間的辛勤忙碌之后，我順利完成了畢業(yè)設(shè)計(jì)。在畢業(yè)設(shè)計(jì)期間，很多老師和同學(xué)給了我無(wú)私的奉獻(xiàn)和幫助。在此，我尤其感謝我的指導(dǎo)老師黃威老師。黃老師利用她寶貴的時(shí)間給予了我悉心的指導(dǎo)，幫助我解決設(shè)計(jì)中遇到的難題。同時(shí)幫助我們借閱大量資料，使我們的畢業(yè)設(shè)計(jì)不至于無(wú)的放矢。 總之，我的畢業(yè)設(shè)計(jì)的完成不是我一個(gè)人的功勞，我衷心的向幫助我畢業(yè)設(shè)計(jì)完成的黃老師表示感謝。

58、 參考文獻(xiàn) [1] E Telatar. Capacity of mult-i antenna gaussian channels[J] .Tech. memo. AT&T Bell Labs, 1995,27(6) : 648- 665. [2] ProakisJG著,張力軍,張宗橙,鄭寶玉等譯.數(shù)字通信.第四版,北京電子工業(yè)出版社,2004. [3]王藝,趙明,周世東等.幾種多天線系統(tǒng)的信道容量比較.電子學(xué)報(bào),June2002,30(6):787一790. [4] 黃韜,袁超偉,楊睿哲,劉鳴.MIMO相關(guān)技術(shù)與應(yīng)用.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2

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62、 %定義信噪比為0dB A=10^(SNR/10); %信噪比的單位轉(zhuǎn)換關(guān)系式 Im=eye(1); %這里的"1"為發(fā)射天線和接收天線兩者數(shù)目少的根數(shù) sum=0; %初始化sum為0 for i=1:1000 %程序循環(huán)1000次 H=randn(1,4); %產(chǎn)生高斯信號(hào)源 Q=H*H;

63、 %求威沙特矩陣 sum=sum+log2(det(Im+A*Q/4)); %1000次循環(huán)得到的信道容量總和 end C=sum/1000 %1000次循環(huán)的平均值 2.發(fā)射天線數(shù)為4，接收天線逐漸增大，4種不同信噪比下的信道容量仿真程序 程序代碼如下： x=[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,20,30]; y1=[0.9267,1.7682,2.5436,3.2482,3.8977,4.5062,5.0686,5.5634,6.0534,6.5123,9.4206, 11.0

64、734]; plot(x,y1 ,r) hold on y2=[1.8720,3.5384,5.0226,6.3022,7.4272,8.4336,9.2894,10.0768,10.7693,11.4027, 15.1084,17.0578]; plot(x,y2 ,g) hold on y3=[3.1524,5.9879,8.3914,10.4579,12.1479,13.5424,14.6978,15.6897,16.5322,17.0927, 20.9439,22.4942]; plot(x,y3 ,b) hold on y4=[4.6711,8.9050,12.54

65、79,15.4908,17.6953,19.4381,20.7939,21.9145,22.8506,23.6258,27.0859,28.8846]; plot(x,y4 ,k),grid on xlabel(接收天線數(shù)nR); ylabel(容量/(bit/s/Hz)); 3.接收天線為4，發(fā)射天線數(shù)逐漸增大，4種不同信噪比下的信道容量仿真程序 程序代碼如下： x=[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,20,30]; y1=[2.1177,2.7428,3.0877,3.2612,3.3472,3.4298,3.5241,3.5681,3.5964,3.6174

66、,3.7560, 3.7899]; plot(x,y1 ,r) hold on y2=[3.4491,4.9309,5.9981,6.4075,6.6011,6.7730,6.9885,7.1010,7.2006,7.3069,7.6129, 7.6546]; plot(x,y2 ,g) hold on y3=[5.0124,7.7014,9.5183,10.5682,11.1156,11.5987,11.9483,12.1547,12.3633,12.5237, 13.0893,13.3259]; plot(x,y3 ,b) hold on y4=[6.6068,10.7773,13.7736,15.5987,16.5676,17.2934,17.7721,18.1088,18.3576, 18.5360,19.2798,19.4907]; plot(x,y4 ,k),grid on xlabel(發(fā)射天線數(shù)nT); ylabel(容量/(bit/s/Hz));