基于MATLAB的MIMO系统信道容量及能分析

1、基于MATLAB的MIMO系统信道容 量及能分析 毕业设计（论文） 目： 基于 MATLAB的MIMO系统信 道容量 及性能分析 毕业设计（论文）诚信声明书 本人声明：本人所提交的毕业论文基于MATLAB的MIMO系统 信道及其性能分析是本人在指导教师指导下独立研究、写作的成 果，论文中所引用他人的文献、数据、图件、资料均已明确标注； 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 注明并表示感谢。 本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 论文作者： （签字）时间：2015年6月5日 指导教师已阅： （签字）时间：2015年6月5日 西安邮电大学 毕业跚（论文艮告 通信与信息工

2、程学院电子信息科学与技术专业10级03 班 课题名称：基于MATLAB的MIMO系统 信道 容量及其新能分析 学生姓名:易海博 学号:03102085 指导教师：高佛设 报告日期：2015年3月26日 西安邮电大学本科毕业设计（论文）开题报告 学号03102085姓名易海博导师高佛设 题目基于MATLAB的MIM0系统信道容量及其性能分析 选题目的（为什么选该课题） 多输入多输出（MIM0）系统是近十年来现代数字通信领域最重大的技术突破之一。该技术催 生了许多先进通信技术，被认为是解决未来无线通信领域信道容量和频谱传输速率的的关 键技术之一。MIM0系统发明之后，在短短几年内被广泛应用，其优势

3、在于潜在容量巨大， 且随着收发天线数目较小的一方呈线性增长。MIM0通信系统可以在不需要增加额外带宽和 额外功率的条件下，显著地提高信道容量和频谱利用率，这一特性使它成为无线通、信领域 研究的热点。但由于使用多根天线同时发射信号，这就增加了接收端信号检测的 难度，信号检测的好坏直接关系到该系统的整体性能， 所以信号检测技术的研究 是该领域研究的一个热点之一。 然而，MIM0系统大容量的实现和系统其它性能的提高以及MIM0系统中用的各种信号处理 算法的性能优劣都极大地依赖于MIM0信道的特性，特别是个天线之间的相关性。最初对 MIM0系统性能的研究与仿真通常都是在独信道的假设下进行的，这与实际的

4、MIM0信道大 多数情况下具有一定的空间相性是不太符合的。MIM0系统的性能在很大程度上会受到信道 相关性的影响。因此，建立有效的能反映MIM0信道空间相关特性并且适用于系统级和链路 级仿的MIM0信道模型对于选择合适的处理算法来评估系统性能就显得相当重要。 前期基础（已学课程.掌握的工具，资料积累、软硬件条件等） 已学课程：线性代数A,概率论与随机过程B,基于Simullnk的通信系统，信号分析仿真, 数字信号处理A,信息论与编码A,数字信号处理器原理B,数字通信系统设计，信号检 测与估值，软件无线电 掌握工具：VC+6.0 和 visual studio 编译器，Matlab 资料积累：

5、L 熟悉 MATLAB 2. 4G LTE物理层的MIM0技术 3.SISO. SIMO. MISO. MIMO系统在慢衰落瑞利信道条件下的信道容量表达式进行理论 推导 4.MIMO系统信道容量的分析和计算机仿真 软件条件：Windows系统，matlab 硬件条件：PC机一台（为软件提供基础） 要解决的问題（做什么） 1对MIM0无线衰落信道模型和衰落统计特性的研究是设计空时处理和编码法、进行MIM0 无线链路性能仿真和系统容量评估的首要问题。目前的研究主包括两个方面：一方面是对 MIM0信道衰落空时统计特性的测量和理论分析；一方面長对MIM0信道建模方法的研究。 2. MIM0信道模型的多

6、天线的拓扑结构和摆放方式已不仅局限于阵列形式，还包括小尺度范 围的分集形式和扩展到大尺度的分散布置形式。此外，影响MIM0信道衰落特征的因素将同 时包括接收和发送端周围的空间和时间的衰落统计特性，这导致了从理论上描述MIM0信道 空时衰落特征的统计特性的困难，也引发了 MIM0信道建模的合理性.准确性和复杂度等问 题。因此，如何构建准确的MIM0信道模型来仿真现实的信道环境成为目前研究的重点。 工作思路和方案（怎么做） 1.本课题主要研究MIM0球形译码检测算法性能，主要的技术指标如下： 信道容量：它代表每秒或每个信道符号能传送的最大信息量，或者说小于这个数的信息率 必能在此信道中无错误地传送

7、。是描述系统有效性的标准。 2选定题目，并开始查找相关资料了解题目含义；确定研究内容并完成开题报告； 重点学习MIM0相关知识，对基于瑞利信道的多天线系统进行建模，并着手论文的相关部分 内容。 3查阅相关文献，了解无线衰落信道的基本特征，分析无线通信系统的大尺度衰落和小尺 度衰落的类型，同时完成此部分论文。查阅相关文献，研究发生频率选择性衰落时间选择 性衰落和空间选择性衰落的条件，以及慢衰落和快衰落的概念，同时完成此部分论文。 4在MATLAB仿真软件上实现SISO. SIMO. MISO、MIMO系统在慢衰落瑞利信道条件下的信 道容量仿真。 5完成论文，并仔细修改，准备答辩；毕业答辩。 指导

8、教师意见 签字： 2015年3月30日 学生姓名 西安邮电大学毕业设计（论文）成绩评定表 性别 男 学号 03102085 业级 专班 易海博 电科1003班 课题名称 基于MATLAB的MIM0系统信道容量及其性能分析 评分（百分制）: 评阅教师（签字）: 评分（百分制）: 验收教师（组玄）（签字）: 年 月 日 年月日 评分匕 匕例 指导教师评分20（%）评阅教师评分30（%）址收小组评分30（%）答辨小组评分20（%） 蠶 百分制成缆 等级制成 答辩小组组长（签字）: 年月日 毕业论文（设计）最终成绩（等级）: 学院答辩委员会主任俊字）: 年月日 ABSTRACT I 引言1 2 2 2

9、 3 4 1绪论 选题背景 LTE的研究背景 MIMO的研究意义 论文的主要工作和贡献 KnT 目录 摘要 2 LTE系统介绍5 2.1 LTE的关键技术5 2.1. J LTE系统和物理层相关的性能指标.5 2.1.2多磁技术.5 2.2 LTE的工作方式6 2.2.1 FDD双工方式.6 2.2.2 TDD 6 2.2.3 H.FDD 双工方式.7 2.3无线帧结构8 2.3.1帧结构类型18 2.3.2帧结构类型29 2.4 LTE的关键技术MIMO10 2.4.1 MIMO系统的概念-10 2.4.2 M1MO系统常见的几种传拔模式.11 2.4.3 M1MO系统的优点.12 3无线衰

10、落信道的基本特征14 3.1大尺度衰落14 3.L1路径损耗14 3.1.2阴齡衰落-14 3.2小尺度衰落15 3.2.1频率选择性衰落.15 3.2.2时间选择性衰落.15 323空间选择性衰落.15 3.2.4 Rayleigh 和Rice 衰落17 3.3本章小结18 4 MIMO信道建模19 4.1信道容的分类19 4.2发送端未知信道CSI时MIMO信道容21 4.3 SISO、SIMO 和 MISO 信道容量23 4.3.1 車输入单输出SISO系统.23 4.3.2 单输入多输出SIMO系统.24 4.3.3多紀車細M/SO舷-25 5结束语28 致谢29 參考文献30 摘要

11、近年来，随着无线通信的迅猛发展，多输入多输出(Multiple . Input Multiple. Output, MIMO)技术已逐渐成为核心技能之一。首先不加多带宽，其次不 增加分外发射功率的前提条件下，信息的传输可以实现高速率，因而在有限的频率 带宽上可以完成更高速度信息传输的要求，这对稀缺的频谱资源的解决方案提供了 强有力的技术条件，因此具有广阔的应用前景的移动通讯体系。不过，在现实通讯 情况中MIMO的通讯机能长受到无线信道衰落特色的影响，是以MIMO的大范围使用 仍面临着大批尚待解决的问题。故需要对无线MIMO容量进行深入的研究。 LTE物理层的MIMO技术使了用空间的自由度，在发

12、射端和接收端采纳多天线技 术，充分发掘了潜在的空间资源，能够在不增添频率资源和天线发射功率的条件下, 成倍的升高系统的频带利用率和吞吐量。本论文调查研究了 4G LTE物理层的MIMO 技术，包括LTE体系网络结构、关键技术和帧结构等。对MIMO体系的信道容量进行 了剖析和计算机仿真，在理论角度上推导和剖析对比了 SISO、SIMO、MISO、MIMO系 统信道容量表达式，这个推导的过程是在在慢衰落瑞利信道条件下进行的。文章还 分析了无线信道的基本特征和无线信道的多径效应，推导和描述了多径衰落的频率 选择性和信道响应时变特性的参数，推导了莱斯信道模型和瑞利信道模型的使用条 件，并且要给出典型模

13、型的具体数学表达。 关键字：多输入多输出；衰落 2 ABSTRACT MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)technology is one of the key technologies to realize the high-speed broadband wireless communication in the future, with a broad application prospect. However, compared to the conventional single-antenna communication system, the

14、 multi-antenna application of MIMO encounters with a large number of issues to be examined. The performance of MIMO communication depends largely on the fade characteristics of the radio channelsHence, researches on the modeling of the wireless MIMO fading channel and the simulation technology ale n

15、eeded in order to facilitate the development of the wireless MIMO communication techniques. The MIMO technology of LTE physical layer use the spatial degrees of freedom, and utilize the multi antenna technology at transmitting end and receiving end, fully exploit the space resources, could increase

16、the system bandwidth utilization and throughput doubled in the case of doesnt increase the frequency and antenna transmit power This paper studied the MIMO technology of 4G LTE physical layer, including the network structure, key technology and frame structure of LTE system. In this paper, the chann

17、el capacity of MIMO system is analyzed and simulated, SISO, SIMO, MISO, MIMO system channel capacity expressions under conditions of the slow fading Rayleigh channel are derived and be analyzed and compared. We also analyzed the basic characteristics and the multipath effect of wireless channel; der

18、ived and described the frequency selective of multipath fading and the parameters of channel response time-varying characteristics; deduced the Ricean channel model and Rayleigh channel model using conditions; and given a detailed mathematical expression of a typical modeL Kevwords:MIMO fade 基于MATLA

19、B的MIMO系统信道容量及性能分析 引言 未来移动通信要满足在任何时间、任何地点、向任何人提供快速可靠 的通信服务的要求，将拥有高的数据传输率、高的频谱利用效率、低的发射功率、 灵活的业务支撑能力，会把无线通信的传输容量和速率提高十倍乃至数百倍。随 着各种宽带数据业务和无线通信业务的不断发展，无线资源，特别是频谱资源变 得越来越紧张，高效地利用有限的通讯资源已经成为了无线通信技术发展的关注 所在。研究表明，多天线的MIMO技术可以在不增加系统带宽和天线总发送功率 的情况下，充分使用空间资源，有效的对抗无线信道的衰落，大大提髙系统的信 道容量和频谱利用率。 第1章设置为绪论，主要陈述了 LTE的

20、研究背景及MIMO是研究意义。在第1 章的最后讨论了本篇文章的各章的主要研究内容与论文的主要架构及其贡献。第 2章主要讲述了 LTE的关键技术和工作方式,无线帧结构关键技术MIMO,得出MIMO 系统的优点MIMO技术利用多天线配置，充分利用时空资源，改善在衰落信道下 的系统容量。第3章主要介绍了无线衰落信道的基本特征，小尺度衰落影响着本 地区域接收机天线上的时延和信号电平动态衰落范围。无论信号带宽为多少，本 地区域的平均信号电平都是不变的。本章着重描述了无线信道的基本特征类型， 并对大尺度衰落和小尺度衰落模型中的进行详细研究。文章详尽描述了瑞利衰落 信道模型和莱斯衰落信道模型。第4章是MIM

21、O信道建模，并分别对 SISO,SIMO, MISO系统进行仿真。第5章致谢。 2 1绪论 1.1选题背景 通过几十年的发展演进的移动通信系统，从开始到现在己经过了几次。其中， 第一代的移动通讯系统(也就是1G)产生在二十世纪八十年代，仅仅实现了可以通 讯的原始要求，这是一种基于模拟的信号方式的移动通信体制。从2G开始，移动 通信系统开始了第一次重大变革，引入了数字化的概念。3G移动通信系统是一种 创新，这种创新具有宽带高速移动通信的世界。长期演进(LTE, Long Term Evolution)系统1是4G系统。事实上，更确切地说，4G系统指的是LTE系 统的ReleaselOo这个版本也

22、被称为LTE-Advanced,并有很多的传输速率的提高, 3GPP (3rd Generation Partner Project)机构，全称为第三代合作伙伴计 划，根本掌管促成LTE项目(通用移动通讯体系技术的长期演进项目)。源委大 批高级优秀的技术人才进行研发和考证，LTE项目在许多方面都符合了第四代通 讯技能的要求和具有第四代通信技巧的特征，我们称之为“准4G”技能。从2008 年以后，技能人员对更为优越的LTE-A系统举行了更深入体系的钻研，在本来的 已经妥帖研究LTE技能的根本基础之上，通过添加一些先进的通信技术和原有技 术的提高，在速度上相对于原LTE系统LTE-A系统的性能有很

23、大的提高，真正根 据4G系统的要求完成。在众多4G标准中,LTE系统标准占据了一个举足轻重的位 置。 1.2 LTE的研究背景 在低层面上，为了对付WIMAX标准的市场之间的竞争，在高层面上，为了 融合宽带无线接入与移动通讯，3GPP驱动了 LTE项目。 早期的宽带无线接入定位于替换有线宽带接入(如数字用户线(Digital Subscriber Line)技术，它的发展经历了固定本地接入，游牧城域接入到广域移 动接入的过程，体现出了明显的“宽带接入移动化”的趋势，以因特网(Internet) 为代表的信息技术(IT)行业移动普及带来了新的机遇，也为传统的移动通信行 业己经形成了竞争和挑战。在

24、保持蜂窝转移实力的同步要求，3GPP和3GPP2越 来越看重低速的局部域场景下的进入能力，移动通信宽带化的趋势带来了移动通 信业从传统的语音服务扩展到宽带数据服务领域的一个新的机会。基于“移动通 讯宽带化”的认识以及应答“宽带接入移动化”挑衅的要求，3GPP起头了 “长 期演进”的过程3。 基于MATLAB的MIMO系统信道容量及性能分析 类信息计算方法的好坏很高程度上仰仗MIMO信道特色，特别是各个天线之间的 相关性5 6 o每每假如传输信道是单独的，继而对MIMO信道性能进行模拟， 这与现实中的MIMO信道肯定具有空间上的相互关性是矛盾的。信道相关联的性 质很高深度上会改变MIMO体系的机

25、能。 1.4论文的主要工作和贡献 本文垂点研究LTE-A系统中的MIMO信道容量，文中对MIMO系统的信道容量 进行分析和计算机仿真，在理论角度上推导和剖析对比了 SISO、SIMO、MISO、MIMO 系统信道容量表达式，这个推导的过程是在在慢衰落瑞利信道条件下进行的。分 析了无线信道的基本特征和无线信道的多径效应，推导了描述多径衰落的频率选 择性和信道响应时变特性的参数，推导了莱斯信道模型和瑞利信道模型的使用条 件，并且给出了典型模型的具体数学表达。 6 2 LTE系统介绍 1G使用蜂窝组网，标准：AMPS、TACS等。采用模拟技术和频域划分多址 (FDMA)等技术。 2GIS-95,数字

26、技术，GSM,使TDM、FDM、CDMA提供数字语音业务和低 速数据业务。 3GTD-SCDMA、CDMA2000、WIMAX WCDMA,技能指示标准：室内的速度 达到2Mbps,室外的速度达到385kbps,行车的速度达到144kbpso能够完成高速 率传输，语音业务及宽带多媒体，无线接入Internet等服务。 4G(LTE)使用正交频分复用及多输入多输出技术。在200MHZ体系带宽下, 下行峰值速度达到100Mbps,上行峰值速度达到50MHZ18o提供IMS等高速数 据传输任务。 2.1 LTE的关键技术 LTE项目是4G标准(4th-Generation)技术，这是优于现有的3G技

27、术，具体 表现方面如下：抬高了峰值速度和频谱效用、系统带宽安排十分变通、保障了服 务质量而且很高程度上减小了网络时延等19,这是LTE-A技术研究的前提和基 础，也是目前全球主流运营商的选择。 2.1.1 LTE系统和物理层相关的性能指标 (1) 对变通系统支持宽带范围1.4-20MHZo (2) 支撑下行峰值速度高达1 OOMblt/s,上行峰值速度也达50Mblt/so (3) 同时支持FDD和TDD系统，并要求两种系统的设计差异尽量小。 2.1.2多载波技术 传统意义上的频分复用(FDM)和频分多址(FDMA)技术把相对来说比较宽的频 带分解成许多个相对较窄的子载波来并行传输，在相邻子载

28、波之间保留较大的间 隔，以此来避免各个子载波之间形成的串扰20。正交频分复用(OFDM)的子载波 间堆叠分布，并且子载波之间相互正交，用来防止各个子载波之间形成的干预。 有一部分重叠分布的子载波能够在很大程度上增进进频谱效率的提升。 LTE的上下行链路分别采纳单载波频分多址(SC-FDMA)技能21和正交频分 多址(OFDMA)技能。 LTE物理层下行接收机信号处理框图如图2-1所示。其中接收端处理流程可 以认为是发射端反向操作。 码字 信道估计 图2-1 LTE下行链路接受端信号处理示意框图 2.2 LTE的工作方式 定义LTE项目为3G技术的演进，按照3GPP的要求，LTE既要支持在成对频

29、 谱中的部署，又要支持在非成对频谱中的部署，以此来使用现在所有的3G频段, 并在未来当第二代移动通讯体系退出网络后，它可以重复使用留出的频段。是以, LTE体系需求支撑TDD和FDD两双工模式。同时，LTE还考虑支持半双工 FDD (Half-duplex FDD, H-FDD)这种特殊的双工方式。 2.2.1 FDD双工方式 FDD双工方式是指在蜂窝通信系统中的上行链路信号下两不同频段的信号分 别发送，某些特定频段保护间隔是上行和下行频段之间留。为了避免干扰之间的 上行链路和下行链路信号。HDD使用上下行成对频段，信号的发射与接收可以同 时进行，因而减少了上下行信号间的反馈时延。FDD双工方

30、式在功率控制、链路 自适应、信道和干扰反馈等方面有独特的优势。 2.2.2 TDD双工方式 TDD双工方式中，发射与接收信号在同一频带，上行信号和下行信号由不同 的时间段内的发送来识别。TDD双工方式的信号能够在不是成对的频段内发送， 因而相比于FDD系统拥有配置灵活的特点。同时，因为上下行信号占用的无线信 道资源能够通过调节上下行时隙间的比例灵活更改，非常适应于3G和B3G等以 IP分组业务为主要特性的移动蜂窝网络。TDD能够使用信道的对称性，这给系统 的信道估计的简便，信号测量和多天线技术带来了益处。近年来随着 基于MATLAB的MIMO系统信道容量及性能分析 TD-SCDMA(Time

31、D i v i s i on-Synchr onou s Code Division Multi pie Access, 时分 同步码分多址)产业的不断完善以及TDD设备的日趋成熟，蜂窝移动通信领域加 大了对TDD系统的研究力度，在随后的演进系统中TDD双工模式将会扮演更加重 要的作用。 2.2.3 H-FDD双工方式 H-FDD是相对于现有的FDD而言的另一种双工方式。在半双工FDD中，基站 应用全双工FDD形式，尽管采用成对频谱终端的发射信号与接收信号在不同的频 带上传输，但其接收和发射信号却不能够同时进行。H-FDD在接收处接收信号和 在发送处发送信号的方法和TDD类似。在LTE中采纳H

32、-FDD的法子基于以下几点 思考。首先，从能带结构的角度来看，因为很多零碎的频段的存在，全双工FDD 方法是不可能满足所有的部署；其次，在H-FDD终端收发双工模式没有FDD严格, 所以最终的价格相对较低；再次，对于一些业务，数据传输速率相对较低，H-FDD 方式可以减少功率损耗，延长电池的使用时间。 LTE-A引入了多输入多输出、正交频分多址复用/SC-FDMA等技能，因而物理 层布局相比于原来的其它通信准绳有太大的分歧，主要体现在无线帧结构、参考 信号配置等方面。在3GPP制订的LTE/LTE-A技术准则中，TS36. 201对物理层举 行了完全的描绘7, TS36.2U则解释说明了发送和

33、接收物理信道、参考信息， 介绍了框架结构，调制的方法和如何生成OFDM和SC-FDMA信号等8。对LTE-A 物理层技术的介绍，结合以上规格。 LTE无线接口是指用户与网络之间的接口，包括三个亚层，协议结构如图2-2 所示，子层环说服务接入点之间的不同的层或层(SAPs, Service Access Points) o 基于MATLAB的MIMO系统信道容量及性能分析 层3 层2 fz；l 逻辑佶道 传输信道 图22物理层周围的无线接口协议架 层2的介质访问控制(MAC, Medium Access Control)子层与层1的物理层和 层3的无线资本掌管(RRC, Radio Resour

34、ce Control)子层之间具有接口。MAC子 层的传输信道由物理层提供，传输信道描述了信息的传输方式，即定义了 “信息 是如何传输的”。而层2的无线链路控制(RLC, Radio Link Control)亚层的逻辑 信道则由MAC亚层提供，逻辑信道描述了信息的类型，即定义了“传输的是什么 信息”。 物理层完成了传输通道向物理传输通道的映照，落成了经历传输通道为接入 口朝上层提供数据传送的服务。为了实现数据传输，物理层将提供下面的一些功 能9：在传输信道进行差错检测并向高层提供提示信息；前向纠错(FEC, Forward Error Correction)编码/解码的传输通道；混合自愿重传

35、(HARQ)申请；编码的 传输通道与物理信道之间的速度配合；编码的传输通道向物理通道的映射；物理 通道的功率相加；物理通道的调制与解调；频率同步和时间同步；无线功能(radio characteristics)测量朝上提供指示信息；多输入多输出(MIM0)天线处理；传输 分集；波束赋形；射频处理等等。 2.3无线帧结构 在物理层规范，时间域通常是由时间单位多表示，它被定义为时间单位，在 15000者之间的间隔为15KHZ,该定义为 = 1/(15000 x2048)5,其中，子载波之 间的间隔是15kHz,具有最高的带宽分配和数为204810 o LTE-A系统的上行和 下行信道都以无线帧结构

36、传输数据，一个无线子帧的长度为： 7/= 307200 x7j = 10/5 LTE-A系统支持TDD和FDD双工模式，由于TDD使用向上和向下之间的时间 差，资源是不连续的，有必要引入保护间隔避免上下之间的干扰。所以LTE-A分 别设计了用于FDD的帧构造范例1和用于TDD的帧构造范例2。 2.3.1帧结构类型1 帧构造范例1用于全双工和半双工的FDD模式。每个无线报文共有20个时 隙，是时隙0到19,它们的总长为10ms,每个长为九= 15360 x7； = 0.5叭 每 个子帧由两个连续的时隙组成，即子帧，包括第力和第力+ 1时隙。如图2-3所示 11。 一个子帧 图2-3帧结构类型1

37、在同一频道不同时隙发送和接收信号的FDD模式。所以对于每一帧，10帧可 以分为下行也可以用來传送上行，依靠FDD频分和资源下行单方向在时间上是连 续的。 2.3.2帧结构类型2 如图2-4所示，帧结构类型2适用于TDD模式。每个无尽的数据帧包括两个 半帧，每一半帧长是rt = 153600 x7；/= 5/m ,含有8个时隔(即4个子帧)和一个 特别地域12,这个特殊的地域由下行导入频时隔(DwPTS, Downlink Pilot Time Slot) 上行导入频时隔(UpPTS, Uplink Pilot Time Slot)和保护间隔(GP, Guard Period)组成的。 9 基于

38、MATLAB的MIMO系统信道容量及性能分析 图24帧结构类型2 （切换周期为5ms） 协定规定GP、UpPTS和DwPTS的长能够由系统配置，这三个物理量的总长要 为1毫秒。在LTE-A中，上、下行子帧报文切换时间蕴含5ms和10ms两种情形, 此中U示意用于朝上传输的子报文，D是以朝下传输的子报文，蕴含GF、UpPTS 以及DwPTS的特别子报文用S来表现。 当切换周期为5ms时，子帧2、子帧7和UpPTS将用来进行上行传输。当切 换周期是10ms时，DwPTS在两个半报文中生存，然而UpPTS和GP仅仅在第一个 半报文中生存，在第二个半报文中的DwPTS计量尺度为1ms o子帧2和UpP

39、TS将 来认为朝上的传输，子帧9和子帧7将来认为朝下的传输。在上面的两种开关周 期处境中，子帧0和子帧5以及DwPTS牢固的用于下行传输。 2.4 LTE的关键技术MIMO MIMO是LTE的关键技术之一，由于本文要介绍MIMO信道容量，所以一下部 分着重介绍MIMOo MIMO无线通信体系是使用时空处置为根本方式对信号举行剖析的。该系统在 多径传输的过程中，不仅能够提高频谱的利用率，还有效地加快了传输速率，因 而被看做成核心突破点，为新一代无线通信系统开辟了更广阔的前景。MIMO技巧 因为空间中具备多个发射的天线和接收的天线，因此在信道模式、信道系统的容 量等方面都有其特别独到的复杂性。介绍

40、了 MIMO系统的MIMO结构。 2.4.1 MIMO系统的概念 MIMO技术的出现为无线移动通信开创了一个崭新的领域，可以在很大程度上 提高系统的频谱效率。简单来说MIMO技术的工作原理：把需要传送的数据分解 成若干个并行的数据流，之后在多根天线上各自进行同时同频率的数据传输，而 且发射端天线的总共发射功率保持不变。然后，再由接收端的多条天线单独的收 到多个不同的数据流，在接收终端将其辨认判别，而且是使用MIMO解调技巧， 最后规复出来发射端天线的原数据流。 (1) 分集增益 多径衰落信道的传输的可靠性可以通过由每个天线的空间分集改善。一个发 射天线的传送途径中的数据体验了深度削弱的假设的情

41、况下，其他一个相对来说 独立的传送途径很可能有一个较强烈的信号输送。因此，我们可以挑选多个信号 在多径信号中，能够升高接收端天线的瞬时的信号噪生比率和平均的信号噪声比 率，提升20-30dB13的幅度。 (2) 阵列增益 就是通过预编码技术或是波束成形技术，把一个甚至多个指定方向上的能量 集合起来。 (3) 空间复用增益 它使用了空间中信道彼此之间的强和弱的互相关联性，同时传输有差别的信 号数据流分别在多个彼此独立的空间信道上，如此能够使数据传输的峰值速度大 大的升高。 2.4.2 MIMO系统常见的几种传输模式 (1)单天线模式 单天线模式就是传统无线传播信道，也就是理解意义上的一发一收，即

42、单个 发射天线发送数据流，经由信道，再由单个接收天线接收。 垛rUr 图2-5单天线模式 （2）发射分集模式 发射分集模式就是多个发射天线发出同样的信号做复数变化，提高了系统的 可靠性。 图26天线发射端口的发射分集 （3）空间复用模式 空间复用就是发射端的多根天线同时发送不同的信号，接收端的多根天线分 别接收，提高了传输数据量和系统的有效性。 图2-7空间复用模式 MIMO体系在输入讯息的过程中，首先利用空时的处理的技术将串行比特流变 换为几个并行子数据流，然后在相同频率下通过不同天线发送出去。在体系的回 收端，因为信号的传输途径不止一条，因此不光要保证天线组数不少于发射天线 数目，还应该准

43、确地估算出来信道的特色和子码流间的干系。只有将这几路信号 联合处理，才能将有效信息从发送子流中分离，最终转换成串行码输出。它的工 作原理如图2-8所示。 图2-8 MIMO系统的原理图 恰是基于MIMO体系通道能够为多数并行子通道的突出特点，抵抗信息衰落 和抵抗信息干扰的能力体系能够提高，传输速率和利用带宽率比较好。 2.4.3 MIMO系统的优点 MIMO技术利用多天线配置，充分利用时空资源，改善在衰落信道下的系统容 量。系统容量14,它是在一定信噪比下的传输速率最大值，在通信系统的计量 工作中，是一个重要的性能指标。当传输信道为瑞利衰落和单独存在，MIMO收发 器是N M,其容量可表示为式

44、（2-1）: C = log, det Ix+-HHh （bps/ L ” M 上式中，Q是接收端收到信息的平均信噪比，H 叽）山是信道的系数矩 阵，其元素心是其中一条路径的衰落系数。 如果M, N很大，那么信道容量可以近似为： C n-iin M,Nlog2（Q/2）（2-2） 由式（2-2）知，当minM,N线性增大时，MIMO体系的信道容量也会相互对 应的呈线性增长的趋势变大。 3无线衰落信道的基本特征 无线通信都是通过电磁波来传递消息的。电磁波在传播过程中有直射、反射、 散射和衍射等4种主要的传播方式，经过这些传输路径之后，到达接收端的接收 信号和发射信号不再相同。无线通信链路对信息传

45、输的影响主要包括大尺度衰落 和小尺度衰落，而大尺度衰落又包括路径损耗和阴影衰落，小尺度衰落包括频域 选择性衰落、时间选择性衰落和空间选择性衰落。这些衰落并非独立的，大尺度 衰落和小尺度衰落往往是同时存在的。 无线通信条件下，信号传播过程中可能会经过很多的障碍，比如建筑物、街 道、大树以及移动的汽车等等。信号的传播路径大致可以分为以下4种，在较开 阔的地区，如草原和村庄，直线传播比较常见；反射是信号传输的另外一种重要 的方式，信号传输过程中往往要经过建筑物、地面以及高山的反射；在无线通信 模型中，一般不考虑折射现象，这是因为信号经过障碍物的边界时发生折射时的 衰减太大的缘故；当信号碰到小的障碍物

46、时便会分成多个方向随机的信号即是产 生散射现象。 大尺度衰落 该模型适用于描述发送方和接收方之间的距离达到几百或几千米内的信号强 度的改变。一般而言，大尺度衰落表示的是接收信号的平均值在一定的时间内随 着传输距离和环境的变化而展现出来的缓慢的变化。无线通信信道对传输信号的 大尺度形象是通过途径损耗和阴影衰落一起反映出来的。 3.1.1路径损耗 当发送方与接收方之间的距离在数百米或数千米的距离上变化时，不管室内 信道还是室外信道,接收信号的平均功率值都与信号经过距离d的n次方成反比。 不管收发距离取何值，大尺度的路径损耗都可以用下面的式子表示15。 一(d PL(d)dB = PL(J0) +l

47、On log (3-1) 丿 N表示路径损耗指数，表征了路径损耗随着距离增长的速度，n的值取决于 传输环境。在自由空间条件下，n的值取为2。代表了近地参考距离，d表示收 发双方之间的距离。式(3-1)中的上划线的含义是对于给定的d的全部可能路径 损耗的综合平均值。 3.1.2阴影衰落 正态分布。 (3-2) 电磁信号在传输过程中由于受到高山、高大建筑物等的的阻碍，在这些障碍 物后面会产生电磁场的阴影，引起场强中值的波动，进而导致信号的衰减，这种 现象就被称作是阴影衰落。它是由大尺度衰落模型来衡量的，统计特性往往服从 的是对数正态分布。表达式(2-1)没有考虑到收发距离相同情况下不同位置环境 不

48、同。经测试可知，对于随意的d,特定位置的路径损耗的统计特性将服从随机 P厶(d)B = ?Z(do) + 10log 1 +X屛/) Wo丿 其中，X”是单位为血的均值为零的高斯随机变量；b是标准差，单位亚。 32 小尺度衰落 在无线信号的传输过程中，因为不同路径的电磁波传输的距离不同，所以不 同路径的电磁波到达接收方的时间和相位都不一样。具有不同相位的多个信号在 接收方的叠加结果也不一样：同相信号叠加的结果是使使信号幅度增强，反向信 号的叠加则会使信号幅度衰减。如果发送方和接收方的距离在小尺度上变化能引 起接收信号功率的剧烈变化，这种现象被称作小尺度衰落。由以上定义可知，小 尺度衰落反映的是

49、在较短的距离或者时间内接收信号所呈现的快速起伏特性。它 包括了频率选择性衰落、时间选择性衰落和空间选择性衰落。 3.2.1频率选择性衰落 频率选择性衰落产生的原因是信号的多径效应，由于传输过程中的多径效应 会产生时延扩展，在频域发生频率选择性衰落，信号在不同频率上的衰减特性不 同，有的频率上急剧衰减而有的频率上具有缓慢衰减的特性。 3.2.2时间选择性衰落 无线通信中发射方和接收方的相对运动或无线信道中其它物质的运动导致无 线通信信道具有时变性。而无线通信信道是时变性引起了时间选择性衰落，信号 的频带宽度被展宽。多普勒扩展和相干时间是描述信道事变性的参数。 3.2.3空间选择性衰落 信息在当地

50、散射体作用下出现角度上的扩大，招致天线之间生成必然的相互 关联性，这称为空间上的选择性的衰落，相干距离往往来描述。多径信号到天线 阵列的到达的角度的扩展变宽称之为接收机的角度扩展。一样，多径的反射和散 射造成的发射角的扩展变宽被认为发射机的角度的扩展。角度扩展告诉了接收信 号的集中能量的角度范畴，发生空间的选择性的衰落，也就是说信号幅值与天线 的空间地位有一定的联系。相干距离定义为两根天线上的最大空间距离，当信道 响应的保持很强的相关性的时候。较短的相干距离，角度扩展越大，相反，较长 的相干距离，角度扩展越小。 表衰落信道的特性 信道选择 性 信道扩展 相干参数 频率选择 性 时延扩展 相干带

51、宽 时间选择 性 多普勒扩 展 相干时间 空间选择 角度扩展 相干距离 基于MATLAB的MIMO系统信道容量及性能分析 性 综合三种小尺度衰落特性，表3-1归纳了三种衰落信道的特性，表3-2归纳 了三种衰落信道的分类。 表32 衰落信道的分类 基于 参数 衰落信道分 类 满足条件 时延 扩展 平坦衰落信 道 信号带宽VV相干带宽；信号周期 时延扩展 频率选择性 衰落信道 信号带宽相干带宽；信号周期V时 延扩展 多普 勒扩展 快衰落信道 信号周期相干时间；信号带宽V多 普勒扩展 慢衰落信道 信号周期VV相干时间；信号带宽 多普勒扩展 角度 扩展 标量信道 单天线系统 矢量信道 角度扩展不为零的

52、多天线系统 324 Rayleigh 和 Rice 衰落 无线通信的信号在传输路径上要受到各种物体的干扰和影响，最终接受端接 收到的信号是多个路径信号的叠加。下面的式子表示信道矩阵H的元素： (3-3) 佚代表信道增益；怙代表相位，假设相位服从-兀,刃上的均匀分布，由于幅 度分布的不同，信道又可以划分服从不相同的衰落分布，比如莱斯衰落分布和锐 利衰落分布16 17。 1) Rayleigh 衰落 I 基于MATLAB的MIMO系统信道容量及性能分析 接收信号可以看作是由很多的平面波组合而成的，这种接收信号即是广义平 稳复高斯的平稳随机过程，所以可以利用广义平稳复高斯随机过程对信道进行建 模。瑞

53、利分布的概率密度函数： /?(r) = -TeXP r 0 (3-4) 公式中，b是接收机接收到的电压信号的RMS值，铁即是接收信号的平均功 率。小于等于R的接收信号的包络由下面的式子(CDF)给出： R2 (3-5) R P(/?) = P(r0. r0(3-6) 其中，A表示主信号幅度的最大值，1。()是零阶第一类修正贝塞尔函数。 33本章小结 小尺度衰落影响着本地区域接收机天线上的时延和信号电平动态衰落范围。 无论信号带宽为多少，本地区域的平均信号电平都是不变的。本章着重描述了无 线信道的基本特征类型，并对大尺度衰落和小尺度衰落模型中的进行详细研究。 文章详尽描述了瑞利衰落信道模型和莱斯

54、衰落信道模型。 基于MATLAB的MIMO系统信道容量及性能分析 4 MIMO信道建模 信道容量是无线信道中一个非常重要的性能指标，也是评价MIMO信道模型 好坏的一个参考指标，所以研究MIMO信道，信道容量也同样重要。信道容量定 义为无差错传输的最大数据传输速率。由信道容量的定义可以看出，它定义了在 特定的传输条件下传信率的上界。 下文中将对平均功率分配下的SISO、SIMO、MISO和MIMO系统的信道容量进 行分析、比较，并且对正交信道和全1信道这两种特别的MIMO信道容量进行求 解，并且matlab平台上对系统的容量进行了仿真和分析。 4.1信道容的分类 受传输环境的多径效应和时变性的

55、影响，无线通信系统的信道容量不是一个 定值，而是成为随机变量。所以信道的性能往往要使用两个物理量来描述，分别 是平均容量和中断容量。平均容量用来衡量系统整体意义上的信道容量性能；中 断容量，它是指系统能以某一较高确定概率保证信息传输的速率，定义如下： 定义:如果系统信道容量小于固定值6-的概率是一个很小的数氏“，即有 P.,=PrC ：57 K7 QYQ 0.3 0.2 0.1 信道容量(bits/s/Hz ) MIMO系统信道容量累计概率分布曲线信噪比为10dB 1 9 8 7 6 5 4 o o o o o O 岸0W室 图43 MIMO系统信道容量累计概率分布曲线 上图反映了 MIMO系

56、统的信道容量累计分布与发射和接收天线数的变化关 系。仿真的时候假定信道系数服从瑞利分布，信噪比取10dB,从图中可以看到随 着天线数的增加，信道容量也不断增加，而且多输入多输出系统与单输入单输出 系统相比，信道容量有了大幅度的提升。 4.3 SISO、SIMO 和 MISO 信道容 本节论述MIMO系统的几种特殊情况，包含了 SISO系统，MISO系统和 SIMO系统。我们假设信道系数是确定的，讨论发送方不知道信道状态信息条件 下的信道容量。 2 基于MATLAB的MIMO系统信道容量及性能分析 43.1单输入单输出SISO系统 单输入单输出系统就是发送端只有一根发射天线同时接收端只有一根接收

57、天 线的通信系统。在确定性的SISO信道中，即Nt=Nr=,代入上面的式子（）, 可知SISO的信道容量为： Cs,so =log2（l + pl/?l2） bps / Hz（48） 该信道容量是一个随机变量，SISO系统的信道容量累积分布的仿真结果在 图 中有所表示，从图中可以看出由于受到衰落的影响SISO信道的容量值都较 小。 4.3.2单输入多输出SIMO系统 SIMO系统就是单个天线发送，多个天线接收的通信系统，也即接收分集系 统。这种情况是一种接收分集系统，信道由M个系数 你虹血构成，其中久表示从发射机到接收机的第丿根天线的信道系数。 （1）如果信道系数的幅度恒定，信道容量为 C =

58、 log2(l + HHQ) =log? 1 +工”p 冃(4-9) = k）g2（l + N“） Nr丁 上式中工呵，对信道系数作了归一化处理,从上面得表达式可以知道, SIMO比SI昴多获得了大小倍的分集增益。 2 基于MATLAB的MIMO系统信道容量及性能分析 接收 天线依 1.3.5.7. 次为 3 SIMO系统信道容量累计概率分布曲线，信噪比为10dB 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0 信道容量(bits/s/Hz ) 1 图44 SIMO系统信道容量累计概率分布曲线 上图反映了信道容量累积分布与接收天线数的变化关系。仿真假定信道系数 服从瑞利分布

59、，接收天线数分别取1、3、5、7、9,信噪比取10dB,迭代次数为 10000,从图中可以看到随着接收天线数的增加，信道容量也在增加，但是如果天 线数已经很大，这时再增加天线的数量，信道容量的改善就不是很大。 4.3.3多输入单输出MISO系统 MISO系统就是多个发射天线、单个接收天线甲通信系统，f卩发送分集系统, 发送端可获得分集增益。这种情况下弘=,日=你方2,，仏，巾代表从发射 机的第1根天线到接收机的信道幅度。 假如信道的幅度固定是一个定值，那么这个信道的信道容量可以表示为： C = log2(l +% 卜log! 1 + 士时 p/Nt = log2(l + p) / I ,，=,

60、丿(4-10) 2 基于MATLAB的MIMO系统信道容量及性能分析 3 因为有归一化和信道系数是定值的假设，这个信道的信 道容量将不会随着发射机发射天线数量的增大而增加。 1 亠发 衬天线依 4 c u r ( 次为 1r 3 MISO系统信道容量累计概率分布曲线信噪比为10dB 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 01234567 信道容量(bits/s/Hz ) 图4-5 MISO系统信道容量累计分布概率曲线 上图反映了信道容量累计分布与发射天线数目的变化关系。仿真假定信道系 数服从瑞利分布，发射天线数分别取1、3、5、7、9,信噪比取10dB,迭代次数