【正文】 次研究選用正交空時(shí)分組編碼的MIMO通信系統(tǒng)作為研究對(duì)象，對(duì)在不同調(diào)制方式下的信號(hào)傳輸性能進(jìn)行對(duì)比。由于MATLAB對(duì)通信系統(tǒng)強(qiáng)大的仿真能力，所以本次研究選用其作為仿真工具。本文的內(nèi)容安排如下。MIMO無線通信系統(tǒng)是陣列天線通信系統(tǒng)和智能天線通信系統(tǒng)的進(jìn)一步擴(kuò)展。分集技術(shù)，為了改善信道衰落對(duì)數(shù)字通信系統(tǒng)誤碼率和中斷概率而設(shè)計(jì)的技術(shù)，包括時(shí)間分集、空間分集、頻率分集等。最后本文對(duì)基于正交空時(shí)分組編碼的MIMO通信系統(tǒng)進(jìn)行了仿真。MIMO技術(shù)是由多天線分集技術(shù)和空間編碼技術(shù)相結(jié)合而產(chǎn)生的，它的一個(gè)很重要的特點(diǎn)就是：不再是對(duì)抗多徑效應(yīng)，而是巧妙地利用它。畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）設(shè)計(jì)（論文）題目：基于MIMO的通信系統(tǒng)仿真與分析研究重慶郵電大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）摘 要隨著移動(dòng)通信的快速發(fā)展，用戶數(shù)量與用戶需求的急劇攀升，使得移動(dòng)通信成為了通信界最具有市場潛力的技術(shù)。自二十世紀(jì)九十年代MIMO（MultipleInput MultipleOutput，多輸入多輸出）技術(shù)提出以來，由于在提高信道容量方面取得的突出成果，逐漸被無線通信領(lǐng)域的多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)所應(yīng)用，成為了在提供可靠無線傳輸鏈路方面一個(gè)重要突破。其后通過理論推導(dǎo)與軟件仿真對(duì)MIMO通信系統(tǒng)的信道容量進(jìn)行了研究，總結(jié)了各因素對(duì)信道容量的影響。并且如何才能在復(fù)雜惡劣的信道環(huán)境（多徑衰落與多普勒頻移等問題）和有限的帶寬下提高傳輸質(zhì)量和速率，變?yōu)榱藷o線通信技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵點(diǎn)。眾所周知，新技術(shù)不能再在頻域上增加負(fù)擔(dān)，而空時(shí)編碼和空間分集相結(jié)合的技術(shù)（MIMO技術(shù)）就是在不占用額外頻譜資源的前提下，將信號(hào)在信道傳輸過程中的不利因素變?yōu)橛欣蛩?。目前?duì)MIMO技術(shù)的研究主要分為四個(gè)方面：MIMO信道的建模與測量，MIMO信道容量的分析，基于MIMO的空時(shí)編碼與解碼，對(duì)MIMO接收機(jī)的研究，如信道估計(jì)問題。第二章主要介紹了本論文使用的仿真工具：MATLAB/Simulink。第四章首先詳細(xì)介紹了空時(shí)分組編碼與解碼，然后給出在不同調(diào)制下MIMO通信系統(tǒng)的仿真。隨后MIMO技術(shù)的信道容量計(jì)算在1995年被提出，然后第二年就有學(xué)者提出了對(duì)角BLAST算法。二、現(xiàn)狀由于其具有很大的發(fā)展前景，MIMO通信系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用到了多個(gè)未來無線通信系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)中（尤其是無線局域網(wǎng)和蜂窩網(wǎng)），（3rd Generation Partnerhsip Project）標(biāo)準(zhǔn)。寬帶碼分多址的3GPP技術(shù)的第七版和第八版（LTE）都采用了MIMO配置，使其能夠更好地應(yīng)對(duì)多徑效應(yīng)，獲得更高的頻譜利用效率：第七版采用了21和42的MIMO構(gòu)造，第八版采用了22和44的MIMO構(gòu)造。1．天線的數(shù)量和間距為了使陣列天線的各個(gè)陣元接收信號(hào)不相關(guān)，天線數(shù)量和間距都會(huì)影響到傳輸速率的提高。由于MIMO的性能受到很多參數(shù)的影響，所以根據(jù)用戶不同的環(huán)境需要使用不同的信道模型，才能使研究人員的仿真結(jié)果具有參考性，實(shí)現(xiàn)最大限度地接近實(shí)際應(yīng)用。除了這些問題，還有一些實(shí)際問題需要考慮，例如天線陣元之間的相關(guān)度、較高的頻譜偏移等。總之，未來MIMO技術(shù)必將在各個(gè)領(lǐng)域中大展拳腳。隨著移動(dòng)通信的普及，通信系統(tǒng)的傳統(tǒng)天線逐漸被智能天線代替。而MIMOMU（多用戶多輸入多輸出）的出現(xiàn)更是極大地增加了頻譜資源的使用效率。接收發(fā)射Y1S1信道空時(shí)編碼空時(shí)譯碼S2Y2信源信宿SnYm MIMO通信系統(tǒng)原理圖如果將天線S1與Y1間距離設(shè)為，Sn與Ym間距離設(shè)為，則對(duì)于44的MIMO通信系統(tǒng)可以得到傳輸矩陣H： （12） 設(shè)發(fā)送信號(hào)為X， n為加性噪聲，則接收信號(hào)Y就可以表示為： （13）MIMO通信系統(tǒng)中的發(fā)送端可以分為M個(gè)數(shù)據(jù)流（M是小于等于發(fā)送端與接收端中最小的天線數(shù)），且這些數(shù)據(jù)流相互獨(dú)立?？諘r(shí)編碼技術(shù)最早是為了研究陣列天線的信道容量而提出來的。 空時(shí)編碼系統(tǒng)的基本模型因?yàn)榭諘r(shí)編碼技術(shù)在實(shí)驗(yàn)研究過程中出色的表現(xiàn)，被通信界認(rèn)為是最具有潛力的技術(shù)之一，已經(jīng)被納入了3G標(biāo)準(zhǔn)(CDMA2000與WCDMA)中。本文第四章將會(huì)對(duì)空時(shí)分組碼進(jìn)行詳細(xì)分析，并且采用正交空時(shí)分組編碼對(duì)MIMO通信系統(tǒng)進(jìn)行Simulink仿真。X1r1r2X2空時(shí)編碼器 空時(shí)譯碼器 rnRXnT 簡要MIMO通信系統(tǒng)示意圖由于在建模時(shí)選用了瑞利衰落信道模型，所以根據(jù)第一章第四節(jié)我們可以知道X是服從于獨(dú)立高斯分布的零均值變量，將發(fā)射信號(hào)用協(xié)方差矩陣來表示，就有： （15）其中表示取均值，AH是A的復(fù)共軛轉(zhuǎn)置矩陣。由于衰落系數(shù)是隨機(jī)數(shù)，那么我們就可以用期望的形式來表示有確定系數(shù)的矩陣H中的元素為： （1 8）由于發(fā)射端的不確定性，所以我們需要通過對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行計(jì)算，估計(jì)出信道矩陣，再發(fā)射信道狀態(tài)信息（CSI）來調(diào)整發(fā)射端的發(fā)射狀態(tài)。如果用1的列矩陣n來表示接收到的噪聲，則其元素是服從獨(dú)立的零均值高斯分布，則用協(xié)方差矩陣表示噪聲[4] ： （19）若假設(shè)n個(gè)元素間無相關(guān)性，且每個(gè)接收天線的噪聲功率都相等，那么該協(xié)方差矩陣可以表示為： （110） 其中表示接收天線接收到的噪聲功率。所以要想找到適合MIMO通信系統(tǒng)信道的模型就要先了解無線信道的特性。簡單來講，這種信道模型用h（t,）來表示信道的脈沖響應(yīng)，t表示時(shí)間，表示時(shí)延，表示接收端到達(dá)角，表示發(fā)射端的離開角。大尺度模型一般用于收發(fā)間距達(dá)到幾百上千米的情況，而相對(duì)應(yīng)的小尺度模型一般適用于距離短信號(hào)變化小的情況。所以在研究實(shí)際信道時(shí)，瑞利衰落信道模型大多適合于發(fā)送端與接收端間存在許多障礙（或者說兩端間沒有直接到達(dá)的信號(hào)）的情況，其中一個(gè)隨機(jī)變量服從瑞利分布，它的平均功率為： （123） （124）令P為1，則可以得到歸一化的平均功率： （125）當(dāng)存在一條路徑是從發(fā)送端直接傳到接收端時(shí)，將不能使用瑞利信道模型，而改用萊斯信道模型，在此不作詳細(xì)推導(dǎo)。然后詳細(xì)介紹了MIMO通信系統(tǒng)的建模與MIMO通信系統(tǒng)信道建模，這是MIMO通信系統(tǒng)的研究基礎(chǔ)和后面仿真工作的理論來源。利用MATLAB仿真共有兩種方法：一種是利用MATLAB中通信函數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)流仿真，另一種是用Simulink模型庫進(jìn)行動(dòng)態(tài)流仿真。用仿真進(jìn)行研究的步驟大致為：首先應(yīng)根據(jù)研究的系統(tǒng)建立數(shù)學(xué)模型，在模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真，對(duì)仿真的結(jié)果進(jìn)行分析，最后根據(jù)結(jié)論和推理對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。利用Simulink仿真模塊可以對(duì)通信系統(tǒng)進(jìn)行誤碼率的計(jì)算、同步電路仿真、擴(kuò)頻通信系統(tǒng)模型仿真、碼分多址通信系統(tǒng)仿真等等。 Simulink3模塊庫界面 Simulink模塊庫界面第四節(jié) Simulink通信工具箱仿真模塊與S函數(shù)一、通信工具箱模塊是Simulink仿真的基本元素，如果想要掌握Simulink，就必須了解模塊的性質(zhì)。二、S函數(shù)MATLAB之所以強(qiáng)大而且受到廣大用戶的歡迎很大部分原因是它的開放性。當(dāng)仿真框圖建立好后，Simulink就會(huì)根據(jù)該框圖生成一個(gè)S函數(shù)，能夠作為一個(gè)模塊直接使用。三者的數(shù)學(xué)關(guān)系如下[9] ： （21）式中 （22）第五節(jié) 本章小結(jié)本次對(duì)MIMO通信系統(tǒng)的仿真研究使用了MATLAB/Simulink軟件仿真工具，所以本章首先簡要介紹了MATLAB與Simulink的特點(diǎn)和其對(duì)通信系統(tǒng)仿真的流程，然后介紹了Simulink通信工具箱仿真模塊與S函數(shù)。我們來討論位于發(fā)射端的信道矩陣未知、而位于接收端未知的情況下，由奇異分解（SVD）可得：任意的矩陣 H可表示為： （31）其中D是的非負(fù)對(duì)角矩陣，其對(duì)角元素是矩陣特征值的非負(fù)平方根。如果將公式（31）帶入公式（19）可以推出接收矢量為： （34）下面進(jìn)行變換： （35）其中矢量是零均值的高斯隨機(jī)變量，實(shí)部與虛部是獨(dú)立同分布，則可以將公式（34）變換為： （36）矩陣特征值數(shù)量等于的矩陣H的秩，用 表示，則其最大值為： （37） 即最多有m個(gè)非零的奇異值。 由于等價(jià)MIMO信道中的子信道是去耦平行的，所以求總得的容量可以直接相加。則式（315）可以寫為： （318） 將式（315）與式（318）聯(lián)立可以得到 （319）將帶入可得： （320）所以可以得到MIMO通信系統(tǒng)信道容量C[12] ： （321）第二節(jié) 仿真與結(jié)果分析根據(jù)上一節(jié)對(duì)MIMO通信系統(tǒng)信道容量的推導(dǎo)可得單位帶寬上的信道容量： （322）其中：與分別是發(fā)射機(jī)的天線數(shù)與接收機(jī)的天線數(shù)； H是的數(shù)值服從正態(tài)分布的隨機(jī)矩陣； 為階單位矩陣。在發(fā)射天線數(shù)從1增加到5過程中，信道容量顯著并幾乎呈直線增加，當(dāng)發(fā)射天線數(shù)從5增加到10過程中，信道容量增加逐漸放緩，從10增加到30過程中信道容量趨于飽和，幾乎沒有增加。 三、不同信噪比、相同發(fā)射天線下的仿真為了研究發(fā)射天線與接收天線的不同組合對(duì)信道容量的影響，我們將仿真條件設(shè)定為：信道為瑞利衰落信道模型，SNR分別取0dB、5dB、10dB、15dB，發(fā)射天線為4，接收天線取值從1到30，每種天線配置都計(jì)算1000次求平均值。這說明了：如果讓其中一端的天線數(shù)為定值，則若另一端的天線數(shù)增加但仍小于該定值時(shí)，信道容量的增加幅度明顯，一旦超過該定值，信道容量的增加幅度將會(huì)變緩。而且由于本次研究沒有考慮到一些實(shí)際信道中的其他參量，如用戶移動(dòng)速度、天線相關(guān)性等，對(duì)于這些參數(shù)產(chǎn)生的影響需要進(jìn)一步研究。天線1 信源 調(diào)制器 天線2 Alamouti方案的理念圖接收過程不再詳細(xì)論述，就可獲得想要發(fā)射的信息了[13] 。將矩陣X寫成下面的形式[14] ： （41）其中與是N矩陣， 是發(fā)射的符號(hào)。若假設(shè)接收端第j根接收天線的第k個(gè)單位間隔時(shí)接收到的信號(hào)表示為，有 （43）其中為發(fā)射端到第j根接收天線的信道響應(yīng)，是高斯白噪聲。如果認(rèn)為不同的天線之間的子信道是獨(dú)立的，則可以利用線性處理得到的判決變量： （48）由于本次研究使用的是線性正交設(shè)計(jì)的空時(shí)分組碼，所以可以使用線性正交的性質(zhì)得到[17] ： （49）其中噪聲 是服從零均值高斯分布，方差為 。其中該系統(tǒng)的仿真參數(shù)設(shè)置如下。所以在誤碼率方面4QAM調(diào)制更加適合MIMO通信系統(tǒng)。綜合對(duì)仿真結(jié)果各方面的分析比較，我們可以得出結(jié)論：針對(duì)基于正交空時(shí)分組編碼的MIMO通信系統(tǒng)，使用4QAM調(diào)制比使用4PAM調(diào)制具有更好的性能。結(jié) 論自從MIMO技術(shù)被應(yīng)用到通信系統(tǒng)以來，在提升通信系統(tǒng)容量、改善信號(hào)傳輸性能方面起到了重要的作用。由于本次研究的方面較多，不能面面俱到，在以下方面還存在不足：對(duì)基于MIMO的通信系統(tǒng)建模與信道建模時(shí)，由于本文篇幅有限，沒有考慮在不同的信號(hào)傳輸環(huán)境下選用的模型有一定的出入的問題；在對(duì)MATLAB/Simulink仿真軟件進(jìn)行介紹時(shí)，主要介紹了該軟件具有的特點(diǎn)與仿真流程，沒有對(duì)仿真步驟進(jìn)行詳細(xì)闡述；對(duì)MIMO通信系統(tǒng)信道容量計(jì)算數(shù)學(xué)推導(dǎo)與仿真過程中，為了降低研究的復(fù)雜程度，對(duì)一些在實(shí)際信道中會(huì)對(duì)信道容量產(chǎn)生影響的參數(shù)進(jìn)行了省略，并且只研究了在瑞利衰落信道模型進(jìn)行了推導(dǎo)與仿真，在接下來的研究中還應(yīng)該對(duì)萊斯衰落信道模型進(jìn)行更進(jìn)一步的仿真研究；對(duì)基于正交空時(shí)分組編碼的MIMO通信系統(tǒng)進(jìn)行Simulink仿真時(shí)，只列舉了兩種調(diào)制下的誤碼率性能分析，在接下來的研究中，還應(yīng)該對(duì)其他調(diào)制下的誤碼率性能進(jìn)行研究，并且對(duì)信道參數(shù)對(duì)誤碼率的影響進(jìn)行研究分析也是很有必要的。我也要在這里將最真摯的感謝獻(xiàn)給辛勤培育我的老師們，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，沒有母校和老師的栽培，就不會(huì)有我的知識(shí)和能力。我還要感謝和我同組的同學(xué)們。我要向那些幫助我順利完成畢業(yè)設(shè)計(jì)的老師和同學(xué)表示衷心的感謝