【正文】 息工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計 6 衰落。根據(jù)收發(fā)兩端天線數(shù)量 ， 相對于普通的 SISO(SingleInput SingleOutput)系統(tǒng) ，MIMO 還可以包括 SIMO(SingleInput MultipleOutput)系統(tǒng)和 MISO(MultipleInput SingleOutput)系統(tǒng)。 MIMO 技術(shù)的研究現(xiàn)狀 已取得的進展 無線 MIMO通信是一個嶄新的、富有挑戰(zhàn)性的研究領(lǐng)域。信息論預(yù)示了無線 MIMO系統(tǒng)具有潛在的巨大的信道容量，但在實際中是獲得這個容量的全部還是部分以及為此需要花費多大代價等等，都值得我們仔細研究。因此，目前全世界有許多學(xué)術(shù)機構(gòu)、大公司 (主要分布在歐洲和北美國家 )正在對 MIMO技術(shù)展開更深入 的研究，推動著 這項技術(shù)日益朝實用化方向發(fā)展。最近 ITU和 3GPP已著手制定在 3G和 B3G的移動通 信中使用 MIMO技術(shù)的有關(guān)標準。對于 3G， MIMO及其相關(guān)的技術(shù)可以看成是用于提高數(shù)據(jù)流量、系統(tǒng)性能和頻譜效率方面的有力補充，目前具有很強的吸引力。與此相關(guān) 的技術(shù)包括自適應(yīng)調(diào)制和編碼、混合 ARQ和快速蜂窩選擇等。在蜂窩移動通信中，目 前還沒有商用化的 MIMO產(chǎn)品，在 3G中，除了使用純發(fā)射分集的解決方案 (MISO)外，也沒有使用 MIMO技術(shù)。幾年前，朗迅 (Lucent)通信技術(shù)公司已做過了 MIMO系統(tǒng) 的早期實驗，并于 去年成功地測試了兩款 BLAST芯片，芯片的最高速度達到了 ，而且 BLAST研究小組最近取得了以前難以想象的無線頻譜效率 :2040bps/Hz，比較而言，使用傳統(tǒng)的無線調(diào)制技術(shù)，對于蜂窩移動通信系統(tǒng)取得的頻譜效率為 :15bps/Hz，對于點對點的微波通信系統(tǒng)取得的頻譜效率為 :1012bps/Hz，而 且在 30kHz的帶寬內(nèi)，Bell實驗室在上述的頻譜效率上實現(xiàn)了 載荷數(shù)據(jù)速率。而使用傳統(tǒng)的技術(shù)，在該帶寬內(nèi)取得的數(shù)據(jù)速率僅為 50kbps。對于 11給出 了在平衰落條件下， 24GHz頻段、 5MHz載波間隔，在移動通信的下行鏈路中， 使用 MIMO技術(shù)所取得的峰值數(shù)據(jù)速率 . 安徽理工大學(xué)電子信息工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計 7 表 MIMO結(jié)構(gòu)的峰值數(shù)據(jù)速率 (M,N) Tx技術(shù) 碼速 調(diào)制方式 速率 /子數(shù)據(jù)流 子數(shù)據(jù)流數(shù)量 數(shù)據(jù)速率 (1,1) 傳統(tǒng) 3/4 64QAM 540kbps 20 (2,2) MIMO 3/4 16QAM 360kbps 40 (2,2) MIMO 3/4 QPSK 180kbps 80 (4,4) MIMO 1/2 8PSK 540kbps 80 上述內(nèi)容只是目前無線 MIMO技術(shù)在應(yīng)用研究方面己取得的一些進展的簡單回顧， 實際上可能遠不止這些。 尚存在的問題 自從 Telatar和 Foschini在無線 MIMO系統(tǒng)中做出了開創(chuàng)性的工作以來，目前在蜂 窩無線系統(tǒng)、固定接入系統(tǒng)方面，己提出了各種實驗性的 MIMO系統(tǒng)，盡管在這方面 己取得了較大的進展，但是距離 MIMO技術(shù)大規(guī)模投入商用的時間，專家估計至少還 要五年，因為還有許多實際問題需要解決，這些問題主要包括以下幾個方面 : (1) 天線的數(shù)量和間距 天線的數(shù)量和各天線之間距離是 MIMO系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵參數(shù)，如果要實現(xiàn) MIMO系統(tǒng)的高頻譜效率，后者更為重要。在基站安裝大量的天線，對周圍的環(huán)境會造成一定的損害，因此天線的數(shù)量宜限制在中等的水平，例如 4根，它們之間的距離一般選擇為 10個波長，這個距離稍微偏大，之所以要這樣選擇是因為基站一般安裝在較高的位置，不能保證總是存在能使衰落去相關(guān)的本地散射體。如果使用雙極化天線，在2GHz的頻率上， 10倍波長的間隔， 4根天線占據(jù)的空間約為 。對于終端，選擇半個波長的天線間距足以保證有相當數(shù)量的不相 關(guān)衰落，因為終端一般處于本地散射物之間，而且不存在直接傳播路徑，終端天線的最大數(shù)量預(yù)計為 4根，但是實際實現(xiàn)時，一般選擇最小的數(shù)目 :2根。據(jù)計算 4根雙極化天線要占據(jù) ，這 4根天線可以非常容易地嵌入諸如筆記本電腦的外殼中，然而對于蜂窩手機，即使是安裝 2根天安徽理工大學(xué)電子信息工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計 8 線也成問題。因為手機目前的設(shè)計趨勢是把天線嵌入到機殼中，目的是為了改進外觀和增加產(chǎn)品的吸引力，這使得天線間距要求成為一個非常嚴重的問題。 (2) 接收機的復(fù)雜性 MIMO接收機與單天線接收機相比，復(fù)雜性明顯要增加，具體表現(xiàn)在 :① 由于多用戶、多 天線的存在，消除空間干擾的空時合并器和信號檢測器的設(shè)計變得異常復(fù)雜，例如 (4,4)MIMO系統(tǒng)與單天線接收機相比，復(fù)雜性要增加約 2倍。② 由于 MIMO接收機受周圍環(huán)境的散射影響，存在角度擴展和延時擴展，在均衡和干擾對消方面需要增加一些附加的處理。③ MIMO信道估計也要導(dǎo)致復(fù)雜性的增加，因為整個信道矩陣的每一條路徑延時 (在 OFDM中為每一個時隙 )，都需要及時跟蹤和更新，而不是只跟蹤和 更新單個系數(shù)。④ 額外的復(fù)雜性還來自增加的 RF鏈 (與 Rx天線的數(shù)目相等 )和相應(yīng)的基帶運算單元，還有接收機的隔離算法等。對于蜂窩 手機，電池的壽命長短也跟接收機的復(fù)雜性有關(guān)。 (3) MIMO信道模型 MIMO系統(tǒng)的性能，在很大的程度上跟所處環(huán)境的多徑信號的性質(zhì)有關(guān)，特別要受各條路徑之間的相關(guān)度、時延擴展和角度擴展的影響，因此，了解和掌握戶內(nèi)和戶外環(huán)境中，無線 MIMO信道的特性，對實現(xiàn)潛在的巨大信道容量、取得預(yù)期的性能、選擇 合適的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和設(shè)計優(yōu)良的信號處理算法至關(guān)重要 .為此除了一些必要的實際測量 外，必須建立合適的信道模型，用于預(yù)測系統(tǒng)的性能和評估算法的優(yōu)劣。為了適應(yīng)無線 信道的時變特性，不僅需要建立 MIMO信道的靜態(tài)模型，還要建立特 定的動態(tài)模型，因為提出新的和更具體的信道模型，可用于分析現(xiàn)有的傳輸算法是如何影響系統(tǒng)的性能的，同時為適應(yīng)這些更具體的模型要求，是否能提出一些新的算法。傳統(tǒng)的無線系統(tǒng)的 傳播模型已成為了標準 [5]，不過到目前為止， ITU還未制定相應(yīng)的 MIMO信道模型標 準， 3GPP已制定出了有關(guān) MIMO的信道模型標準 [6]. (4) 信道狀態(tài)信息 (CSI)獲取和利用 如何準確地獲取信道的狀態(tài)信息并及時地反饋給發(fā)射機是 MIMO系統(tǒng)設(shè)計中一個值得深入研究的課題，信道容量實際上是信道特征模式的函數(shù)， MIMO信道容量的實現(xiàn) 將得益于知道 信道狀態(tài)信息的發(fā)射機，因為發(fā)射端可以利用信道的狀態(tài)信息或部分安徽理工大學(xué)電子信息工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計 9 反饋信息依據(jù)注水原理而不是平均分配發(fā)射功率。而且，如果己知信道的相關(guān)矩陣，還可以 使信道編碼、每一支流的比特分配和放大器的功率管理做到最佳。 (5) 系統(tǒng)的集成和信號設(shè)計 MIMO系統(tǒng)需要與現(xiàn)有的非 MIMO通信網(wǎng)絡(luò)集成、向后兼容，即未來的 MIMO接收機應(yīng)該是雙模式的。為此， MIMO的信號設(shè)計可以從特殊的無線資源控制 (RRC)消息 中，獲得支持和幫助。例如，終端可以通過下行鏈路的廣播信令來知道基站是否處在 MIMO模式，同時，基站也需要知道終端是處在 MIMO模式，還是非 MIMO模式，MIMO通信鏈路可以在呼叫期間確立。另外，在非 MEMO模式通信中，終端也需要給基站提供反饋信息，隨時報告信道的質(zhì)量情況，如果信道條件許可，基站便可安排MIMO傳 輸，這些下行和上行的 RRC消息一般放在信令消息的第二層。 除上述因素外，還有其他一些因素也會使 MIMO系統(tǒng)的性能退化，例如 :不正確的信道估計、天線單元之間存在相關(guān)、較高的多普勒頻移等。 本論文的主要內(nèi)容 本論文主要研究的是 MIMO 無線通信系統(tǒng)的是容量問題。在弄清 MIMO 系統(tǒng)的原理的基礎(chǔ)上，簡要的介紹了一下與 MIMO 技術(shù)有關(guān)的空時編碼技術(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 MIMO系統(tǒng)的容量進行計算機仿真，驗證它的正確性。此外，由于本文在仿真的時候需要用到 MATLAB 軟件，因此，我在對系統(tǒng)進行仿真之前，對在仿真中會用到的 MATLAB知識也做了簡單的介紹。 安徽理工大學(xué)電子信息工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計 10 第二章 MIMO 無線通信系統(tǒng) MIMO 技術(shù)的基本原理 下 圖 21 所示為 MIMO 系統(tǒng)的原理圖。傳輸信息流 s(k)經(jīng)過空時編碼形成 N 個信息子流 ci(k)， I=1，??， N。 這 N 個子流由 N 個天線 發(fā)射出去，經(jīng)空間信道后由M 個接收天線接收。多天線接收機利用先進的空時編碼處理能夠分開并解碼這些數(shù)據(jù)子流，從而實現(xiàn)最佳的處理。 圖 21 MIMO 系統(tǒng)的原理 特別是，這 N 個子流同時發(fā)送到信道，各發(fā)射信號占用同一頻帶，因而并未增加帶寬。若各發(fā)射接收天線間的通道響應(yīng)獨立，則多入多出系統(tǒng)可以創(chuàng)造多個并行空間信道。通過這些并行空間信道獨立地傳輸信息，數(shù)據(jù)率必然可以提高。 MIMO 將多徑無線信道與發(fā)射、接收視為一個整體進行優(yōu)化，從而實現(xiàn)高的通信容量和頻譜利用率。這是一種近于最優(yōu)的 空域時域聯(lián)合的分集和干擾對消處理。系統(tǒng)容量是表征通信系統(tǒng)的最重要標志之一，表示了通信系統(tǒng)最大傳輸率。對于發(fā)射天線數(shù)為 N，接收天線數(shù)為 M 的多入多出 (MIMO)系統(tǒng)，假定信道為獨立的瑞利衰落信道，并設(shè) N、 M 很大，則信道容量 C 近似為： C=[min(M,N)]Blog2(ρ /2)其中 B 為信號帶寬，ρ 為接收端平均信噪比， min(M,N)為 M， N 的較小者。上式表明，功率和帶寬固定時，多入多出系統(tǒng)的最大容量或容量上限隨最小天線數(shù)的增加而線性增加。而在同樣條件下，在接收端或發(fā)射端采用多天線或天線陣列的普通智能天線系統(tǒng)，其容 量僅隨天線數(shù)的對數(shù)增加而增加。相對而言，多入多出對于提高無線通信系統(tǒng)的容量具有極大的安徽理工大學(xué)電子信息工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計 11 潛力。 可以看出，此時的信道容量隨著天線數(shù)量的增大而線性增大。也就是說可以利用MIMO 信道成倍地提高無線信道容量，在不增加帶寬和天線發(fā)送功率的情況下，頻譜利用率可以成倍地提高。利用 MIMO 技術(shù)可以提高信道的容量，同時也可以提高信道的可靠性，降低誤碼率。目前 MIMO 技術(shù)領(lǐng)域另一個研究熱點就是空時編碼。常見的空時碼有空時塊碼、空時格碼。空時碼的主要思想是利用空間和時間上的編碼實現(xiàn)一定的空間分集和時間分集，從而降低信道誤碼率。 空時編碼技術(shù) 空間復(fù)用技術(shù)追求的是 MIMO 系統(tǒng)中傳輸速率的最大化，它在不同的天線上傳輸?shù)氖浅休d信息不同的符號流。為了消除由于無線信道衰落和噪聲干擾帶來的性能影響，應(yīng)該通過編碼的方式，使不同天線上傳輸?shù)姆柊男畔⒕哂幸欢ǖ年P(guān)系，從而有利于原始的信息在接收端被正確地獲取，也就是使系統(tǒng)傳輸信息中斷概率最小，或等價于中斷容量最大化，這是空時編碼研究的目的。在這種情況下多天線僅提供空間分集的作用，而信息傳輸?shù)乃俾蕸]有增加。 空時碼是一種基于多天線陣發(fā)送技術(shù)的編碼方案，其將多天線技術(shù)和信道編碼技術(shù)結(jié)合起來，同 時獲得空間分集和時間分集。貝爾實驗室于 1996 年提出的分層空時碼 (LSTC)模型是最早的空時編碼方案。 1998 年，朗訊實驗室的 Tarokh 等人提出了一種基于編碼調(diào)制技術(shù)的空時編碼方案 ??網(wǎng)格空時碼 (STTC)， STTC 不僅可獲得較高的頻帶利用率，而且具有較好的抗衰落性能。 STTC 很快受到人們的重視，并在整個通信領(lǐng)域掀起了空時碼的研究熱潮。除了上述兩種空時編碼方案以外，另外一種較為簡單的空時碼是分組空時碼 (STBC)。以上 3 種空時編碼方案均假設(shè)接收端可以準確地估計信道。這一前提在某些情況下可以滿足，但在移動終 端高速移動的情況下，信道估計是十分困難的，因此不需要信道估計的盲空時編碼方案便應(yīng)運而出，其中包括酉空時碼和差分空時碼。 空時編碼技術(shù)利用多天線陣提供的并行信道傳輸信息，可以在保證性能的前提下進一步提高信息傳輸速率。目前，分組空時碼和分層空時碼已經(jīng)被 3GPP 采用。 STTC由于受種種原因限制還很難在實際系統(tǒng)中采用，為了實現(xiàn) STTC 的應(yīng)用，人們正致力于研究 STTC 在后 3G 和 4G 中的應(yīng)用方案，并取得了一定的進展。 下面我們來具體安徽理工大學(xué)電子信息工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計 12 介紹一下 空時格狀編碼 (STTC)和空時分組編碼 (STBC)。 空時格狀編碼 ATamp。T 公司的 Tarokh 在空時延遲分集和格狀碼 (TCM)的基礎(chǔ)上聯(lián)合考慮了編碼與調(diào)制，提出了一種適用于無線衰落信道的編碼方案 ??空時網(wǎng)格編碼。經(jīng)過編碼后的數(shù)據(jù)被分成 n個數(shù)據(jù)流，然后通過 n個天線同時發(fā)送到無線空間。在接收端，可以用單一天線，也可用多個天線進行接收，每一個接收天線接收到的是 n個發(fā)送信號與干擾噪聲線性的疊加，然后通過最大似然檢測的方法，正確地識別出發(fā)送信號。 STTC 的性能可以用成對差錯率 (PEP)來衡量， PEP 為發(fā)送的碼字矩陣 C 被接收機檢測為另一個有效的碼字矩陣 E的概率。 下面是 STTC 設(shè)計 的兩條 準則 ： (1)衡量分集好處的秩準則 ： 對于 nT副天線的發(fā)送分集系統(tǒng)，矩陣 A(c,e)滿秩時將得到最大分集好處 nT?nR。 (2)衡量編碼好處的行列式準則 ： 如果要設(shè)計 nT?nR重分集，那么對所有不同的碼字對c和 e，設(shè)計時應(yīng)盡可能使矩陣 A(c,e)的行列式的最