【正文】 (4,4)MIMO1/28PSK540kbps80硬件方面：于2003年，世界上第一個(gè)集成了MIMO技術(shù)的芯片組AGN100被批量生產(chǎn)，隨后由于MIMO技術(shù)在第三代與第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)中的普及，大量融合了MIMO技術(shù)的移動(dòng)終端將被批量生產(chǎn)，并以驚人的速度更新?lián)Q代。，能夠使用多天線使用戶的信息高速傳輸。在接下來的第三代和第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)中，MIMO技術(shù)被多個(gè)通信標(biāo)準(zhǔn)所采用?？偨Y(jié)中將會指出本次對MIMO通信系統(tǒng)研究具有的局限性和應(yīng)該如何進(jìn)一步對MIMO技術(shù)深入研究，并總結(jié)MIMO技術(shù)巨大的發(fā)展前景。通過簡單介紹該仿真工具，為后面的仿真打下基礎(chǔ)，后面在使用到該工具時(shí)將不再贅述。第一章主要是對MIMO通信系統(tǒng)的概述，在簡要介紹了MIMO的發(fā)展、現(xiàn)狀和趨勢后，詳細(xì)介紹了MIMO技術(shù)應(yīng)用到的兩個(gè)核心思想：陣列天線技術(shù)與空時(shí)編碼技術(shù)。而且總的來說，它并沒有在原來的系統(tǒng)上做太大的變化，只是在空中接口的地方進(jìn)行了小的改進(jìn)。其中空間分集是使用天線陣列，利用“空間”資源，在不可靠的無線鏈路中實(shí)現(xiàn)可靠通信的分集技術(shù)。【關(guān)鍵詞】頻譜利用率 MIMO通信系統(tǒng) 信道容量 正交空時(shí)分組編碼ABSTRACTWith the rapid development of the mobile munications, the sharp rise in the number of users and the need of users making the mobile munications has bee to the most potential technology in the munication market. However, when pared the wireless munications to the wired munications, the weaknesses unfolded. Such as the poor mobile channel environment, the sudden rise or down of the number of users or other characteristics, makes the improvement of the capacity and the quality of wireless munication needs many breakthroughs. But the shortage of spectrum resources stimulates people to improve the spectrum utilization.Since the 1990s, MIMO (MultipleInput MultipleOutput) technology has been gradually applied to several standards of wireless munications and bee an important breakthrough in many aspects, such as providing reliable wireless transmission link, for the outstanding achievements in improving the channel capacity.MIMO technology is bined with multiantenna diversity technology and spatial coding technology. One of the most important features of MIMO technology is not confronting multipath effects, but using it cleverly. With more and more studies in the theory, algorithms, applications, etc. of MIMO munication systems by many researchers, it has bee a hot topic in munications technology.Firstly, we will describe the basic principles of the MIMO system technology and the MIMO channel models in this paper. Then I will describe the simulation tool, MATLAB / Simulink simulation software briefly. Next, this paper will study the theoretical derivation and simulation software for the channel capacity of MIMO systems and sum up the impact of various factors on the channel capacity. Finally, a simulation of the MIMO munication system based on orthogonal spacetime block coding will be given in this paper.【Key words】Spectrum utilization MIMO munication system Channel capacity Orthogonal spacetime block coding目 錄前 言 1第一章 MIMO技術(shù)的概述 3第一節(jié) MIMO技術(shù)發(fā)展歷史和現(xiàn)狀 3一、發(fā)展歷史 3二、現(xiàn)狀 3第二節(jié) 仍存在的問題與發(fā)展趨勢 4一、仍存在的問題 4二、發(fā)展趨勢 5第三節(jié) MIMO技術(shù)原理 5一、天線分集技術(shù) 5二、空時(shí)編碼技術(shù) 7第四節(jié) MIMO通信系統(tǒng)模型 8第五節(jié) MIMO通信系統(tǒng)信道模型 10第六節(jié) 本章小結(jié) 12第二章 MATLAB/Simulink仿真工具介紹 13第一節(jié) 概述 13第二節(jié) 通信系統(tǒng)仿真方法與流程 13第三節(jié) Simulink仿真概述 14第四節(jié) Simulink通信工具箱仿真模塊與S函數(shù) 15一、通信工具箱 15二、S函數(shù) 16第五節(jié) 本章小結(jié) 16第三章 MIMO信道容量仿真與分析研究 17第一節(jié) 信道容量計(jì)算概述 17第二節(jié) 仿真與結(jié)果分析 19一、相同信噪比、相同接收天線下的仿真 20二、不同信噪比、相同接收天線下的仿真 20三、不同信噪比、相同發(fā)射天線下的仿真 21四、相同信噪比、不同接收天線下的仿真 22第四節(jié) 本章小結(jié) 23第四章 MIMO正交空時(shí)分組的仿真 25第一節(jié) MIMO通信系統(tǒng)與空時(shí)分組編碼 25第二節(jié) 正交空時(shí)分組編碼、譯碼與性能分析 26一、正交空時(shí)分組編碼 26二、正交空時(shí)分組碼譯碼 26三、正交空時(shí)分組碼性能分析 27第三節(jié) 4QAM與其他調(diào)制方式下的仿真與結(jié)果分析 28第四節(jié) 本章小結(jié) 34結(jié) 論 35致 謝 36參考文獻(xiàn) 37附 錄 38一、英文原文 38二、英文翻譯 43三、工程設(shè)計(jì)圖紙 47四、源程序 49 56 前 言隨著無線通信的發(fā)展，人們已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)了三個(gè)“W”（Wherever, Whenever, Whoever，即能夠?qū)崿F(xiàn)用戶在任意地點(diǎn)，任意時(shí)間，與任意用戶進(jìn)行即時(shí)通信）。隨著研究人員對MIMO通信系統(tǒng)理論、算法、應(yīng)用等各個(gè)方面越來越多的研究，其已經(jīng)成為了通信技術(shù)中的熱門課題。而無線通信與有線通信比較時(shí)暴露出來的弱點(diǎn)，如移動(dòng)信道環(huán)境惡劣、用戶使用突發(fā)性大等，使得提高無線通信的容量和質(zhì)量需要諸多突破點(diǎn)。所以短缺的頻譜資源刺激著人們向提高頻譜利用率的方向努力。 本文首先介紹了MIMO技術(shù)的基本原理和MIMO通信系統(tǒng)的信道模型，然后簡要介紹了本文研究使用的仿真工具，即MATLAB/Simulink仿真軟件。但是從目前來看，其發(fā)展逐漸受到出現(xiàn)的瓶頸的制約——無線頻譜資源的短缺。20世紀(jì)90年代MIMO通信系統(tǒng)的提出，使得空時(shí)處理的多天線技術(shù)，為如今移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)帶寬和質(zhì)量的問題提供了新的解決方法，通過空時(shí)編碼實(shí)現(xiàn)的發(fā)射分集以及空分復(fù)用的方案成為了無線通信領(lǐng)域的一個(gè)焦點(diǎn)。因此MIMO技術(shù)成為了第三代通信技術(shù)和第三代演進(jìn)通信技術(shù)的首選，未來移動(dòng)通信的關(guān)鍵。隨后簡單闡述了研究MIMO通信系統(tǒng)最為核心的信道建模與容量分析的理論基礎(chǔ)，為后面的仿真研究做好鋪墊。第三章主要是對MIMO信道容量的研究，在進(jìn)行多天線信道容量計(jì)算的數(shù)學(xué)推導(dǎo)之后，用MATLAB對其進(jìn)行了仿真，通過對仿真結(jié)果的分析研究，得到MIMO通信系統(tǒng)信道容量增加的巨大優(yōu)勢，并分析出各參數(shù)對MIMO通信系統(tǒng)信道容量的影響。第一章 MIMO技術(shù)的概述第一節(jié) MIMO技術(shù)發(fā)展歷史和現(xiàn)狀一、發(fā)展歷史MIMO技術(shù)最早于二十世紀(jì)七十年代提出，而最早應(yīng)用在通信系統(tǒng)中是發(fā)生在二十世紀(jì)九十年代。隨后大量的學(xué)者加入到MIMO技術(shù)的研究當(dāng)中，使其成為了通信界炙手可熱的技術(shù)之一。使用了該技術(shù)的蜂窩網(wǎng)系統(tǒng)，其多天線用于波束成型，從而進(jìn)一步提升了網(wǎng)絡(luò)容量，使其有能力支撐更多的用戶同時(shí)使用。第二節(jié) 仍存在的問題與發(fā)展趨勢一、仍存在的問題雖然MIMO技術(shù)應(yīng)用于通信系統(tǒng)已經(jīng)引起了眾多研究人員的關(guān)注，一些使用了MIMO技術(shù)的通信產(chǎn)品也已經(jīng)投入了商用，但是仍有一些在實(shí)際中的問題還沒有得到很好的解決。而且由于使用了MIMO技術(shù)的接收機(jī)受到的散射干擾，需要在均衡時(shí)考慮更多的角度和延時(shí)擴(kuò)展問題。而如何準(zhǔn)確獲取CSI一直都是一個(gè)值得研究的問題。同時(shí)中國科技部對該技術(shù)也十分重視，啟動(dòng)了未來無線通信研究計(jì)劃。在無線通信發(fā)展之初，頻譜資源充足，系統(tǒng)頻譜效率還未成為研究人員的焦點(diǎn)。MIMO通信系統(tǒng)是天線分集技術(shù)與空時(shí)處理技術(shù)（智能天線）的結(jié)合，具有二者的優(yōu)勢，簡單來說就是多個(gè)發(fā)射機(jī)和和接收機(jī)同時(shí)工作從而增加信道容量的技術(shù)。而陣列天線的使用，將使收發(fā)端天線陣元間距足夠大，以保障各個(gè)陣元接收信號不相關(guān)，再經(jīng)過選擇合并、最大比合并或等增益合并的方法將各個(gè)陣元信號加權(quán)。二、空時(shí)編碼技術(shù)空時(shí)編碼與智能天線技術(shù)息息相關(guān)，經(jīng)常與陣列天線技術(shù)相結(jié)合，利用發(fā)射分集與接收分集，在通信系統(tǒng)的發(fā)送端和接收端建立起多條相互獨(dú)立的通信鏈路，使得在衰落、噪聲等干擾方面能發(fā)揮出很大的作用，從而極大地改善通信系統(tǒng)性能，提高信道容量與傳輸速率。接收端的接收機(jī)通過m根天線接收并單獨(dú)進(jìn)行匹配濾波，然后將結(jié)果一同輸出[3] 。雖然空時(shí)分組碼不是三種碼中最優(yōu)的編碼方式，但它卻是其中最容易實(shí)現(xiàn)的一種。第i根發(fā)射天線發(fā)射的信號就可以用表示[4] 。為了計(jì)算簡便我們忽略信道中信號的衰減和放大，即設(shè)每根接收天線接收到的功率都等于總發(fā)射功率。瑞利衰落信道的特點(diǎn)以及相關(guān)推導(dǎo)我們將會在下一節(jié)信道模型中詳細(xì)論述。第五節(jié) MIMO通信系統(tǒng)信道模型在無線信道中，由于信號要經(jīng)過折射、反射、衍射，受到快衰落、慢衰落等影響，再加上一些未知的因素，接收到的信號增加了諸多不確定性。典型的確定型的信道可以分為兩類：雙向信道傳輸型與射線跟蹤型?？偟膩碚f，無線信道可以分為兩種，即大尺度模型以及小尺度模型[11] 。則可以用式（25）表示信號的概率密度： （119）如果用a來表示信號的衰落程度，用 表示信號衰落相位使用雅克比公式可以得到[6] ： （120） 然后可以得到隨機(jī)信號的邊緣概率密度： （121）（122）可以看出，這兩個(gè)變量a與分別為均勻分布和瑞利分布[7] 。接下來介紹了MIMO技術(shù)的原理，由于其主要是由陣列天線和空時(shí)編碼兩個(gè)技術(shù)相結(jié)合，所以將其分成了兩個(gè)部分來論述，為后面的仿真做好鋪墊工作。MATLAB具有很多優(yōu)點(diǎn)：編程效率高：面向工程計(jì)算的高級語言，比C、Fortran語言更接近我們的書寫思維方式；用戶使用方便：MATLAB語言靈活方便內(nèi)涵豐富，十分容易上手，將編輯、編譯、連接和執(zhí)行融為一體，而且能迅速糾正用戶的錯(cuò)誤，使用戶的編寫、修改和調(diào)試的進(jìn)度顯著變快；擴(kuò)充能力強(qiáng)：用戶可以根據(jù)自己的需要自由生成M文件，將其做為函數(shù)或者模塊加入函數(shù)庫，需要時(shí)直接調(diào)用；高效方便的矩陣和數(shù)組運(yùn)算：和其他許多語言一樣可以對矩陣和數(shù)組進(jìn)行計(jì)算，被成為“萬能演算紙”；方便強(qiáng)大的繪圖功能：通過一系列的繪圖函數(shù)，可以直接將數(shù)據(jù)在線性坐標(biāo)、對數(shù)坐標(biāo)、極坐標(biāo)等坐標(biāo)圖上形象地表現(xiàn)出來[8] 。第二節(jié) 通信系統(tǒng)仿真方法與流程通信系統(tǒng)仿真共有三個(gè)要素，分別是系統(tǒng)（研究對象）、模型（系統(tǒng)抽象）和仿真（對研究對象的手段和方法）。正是由于這兩個(gè)強(qiáng)大的功能和特有的方便性，再加上操作簡便容易上手，使它成為了在仿真領(lǐng)域入門者和深入研究者的首選[10] 。Simulink有多種模塊庫界面。熟記以上的七個(gè)模塊庫在后面的仿真過程中能極大地節(jié)省下寶貴的時(shí)間和精力。作為Simulink 的核心，S函數(shù)有三個(gè)表現(xiàn)形式：框圖形式、M文件形式和MEX文件形式[9] 。狀態(tài)可以是連續(xù)狀態(tài)或離散狀態(tài)或都有。首先我們將在可以保證誤碼率任意小的前提下能夠達(dá)到的最大傳輸速率稱為系統(tǒng)的信道容量。所以可以得到： （33）其中與分別為與的單位矩陣。所以我們可以得出結(jié)論，對于的情況，等價(jià)MIMO信道中最多有個(gè)增益子信道；而在情況下，增益子信道數(shù)不超過，即最多增益子信道數(shù)為。因此必有：