【正文】 SISO、 SIMO 和 MISO 信道容量 本節(jié)論述 MIMO 系統(tǒng)的幾種特殊情況 ，包含了 SISO 系統(tǒng)， MISO 系統(tǒng)和 SIMO系統(tǒng)。 21 l o g 1 /mii rC b p s H zN? ?? ??? ? ????????(44) 信道的特征數(shù)值用 i? 表示。 發(fā)送端未知信道 CSI 時 MIMO 信道容量 通常情況下，發(fā)送方的情況比較復(fù)雜，不能夠通過信道估計還獲得信道的狀態(tài)消息，而接收端則可以獲得。這句話的意思是說，無線通信系統(tǒng)信道容量大于 outC 的概率為 1 outP? ，信道容量小于 outC 的概率為 outP ，所以說中斷概率 outP 和中斷容量 outC 是一一對應(yīng)的。 基于 MATLAB 的 MIMO 系統(tǒng)信道容量及性能分析 19 4 MIMO 信道建模 信道容量是無線信道中一個非常重要的性能指標(biāo)，也是評價 MIMO 信道模型好壞的一個參考指標(biāo)，所以研究 MIMO 信道，信道容量也同樣重要。主要的信號到來是伴隨著許多薄弱的多徑信號，形成萊斯分布。 1 , . . . ,pqjp q p q r tH r e p M q M?? ??? ? ?? ? (33) pqr 代表信道增益； pq? 代表相位，假設(shè)相位服從 ? ?,??? 上的均勻分布，由于幅度分布的不同，信道又可以劃分服從不相同的衰落分布，比如萊斯衰落分布和銳利衰落分布 錯誤 !未找到引用源。較短的相干距離，角度擴展越大，相反，較長的相干距離，角基于 MATLAB 的 MIMO 系統(tǒng)信道容量及性能分析 16 度擴展越小。 時間選擇性衰落 無線通信中發(fā)射方和接收 方的相對運動或無線信道中其它物質(zhì)的運動導(dǎo)致無線通信信道具有時變性。經(jīng)測試可知，對于隨意的 d，特定位置的路徑損耗的統(tǒng)計特性將服從隨機正態(tài)分布。 。這些衰落并非獨立的，大尺度衰落和小尺度衰落往往是同時存在的。 圖 28 MIMO系統(tǒng)的原理圖 恰是基于 MIMO 體系通道能夠為多數(shù)并行子通道的突出特點，抵抗信息衰落和抵抗信息干擾的能力體系能夠提高，傳輸速率和利用帶寬率比較好。 （ 3）空間復(fù)用增益 它使用了空間中信道彼此之間的強和弱的互相關(guān)聯(lián)性，同時傳輸有差別的信號數(shù)據(jù)流分別在多個彼此獨立的空間信道上，如此能夠使數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆逯邓俣却蟠蟮纳摺＝榻B了 MIMO 系統(tǒng)的 MIMO 結(jié)構(gòu)。 當(dāng)切換周期為 5ms 時，子幀 子幀 7 和 UpPTS 將用來進行上行傳輸。每個子幀由兩個連續(xù)的時隙組成，即子幀 i 包括第 2i 和第 21i? 時隙。 物理層完成了傳輸通道向物理傳輸通道的映照，落成了經(jīng)歷傳輸通道為接入口朝上層提供數(shù)據(jù)傳送的服務(wù)。首先，從能帶結(jié)構(gòu)的角度來看，因為很多零碎的頻段的存在，全雙工 FDD 方法是不可能滿足所有的部署；其次，在 HFDD 終端收發(fā)雙工模式?jīng)]有 FDD 嚴格，所以最終的價格相對較低；再次，對于一些業(yè)務(wù)，數(shù)據(jù)傳輸速率相對較低， HFDD 方式可以減少功率損耗，延長電池的使用時間。 TDD 雙工方式的信號能夠在不是成對的頻段內(nèi)發(fā)送，因而相比于 FDD 系統(tǒng)擁有配置靈活的特點。 碼 字 解 調(diào)解 擾解資源粒子映射信 道 估 計O F D M解 調(diào)并串變換MIMO檢測O F D M解 調(diào) 圖 21 LTE 下行鏈路接受端信號處理示意框圖 LTE 的工作方式 定義 LTE 項目為 3G 技術(shù)的演進，按照 3GPP 的要求， LTE 既要支持在成對頻譜中的部署，又要支持在非成對頻譜中的部署，以此來使用現(xiàn)在所有的 3G 頻段，并在未來當(dāng)?shù)诙苿油ㄓ嶓w系退出網(wǎng)絡(luò)后，它可以重復(fù)使用留出的頻段。 （ 2）支撐下行峰值速度高達 100Mbit/s，上行峰值速度也達 50Mbit/s。 2G—— IS95，數(shù)字技術(shù)， GSM，使 TDM、 FDM、 CDMA 提供數(shù)字語音業(yè)務(wù) 和低速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。研究表明，多根天線的 MIMO 技術(shù)可以在不加多系統(tǒng)帶寬和天線總發(fā)送功率的情形下，充分使用空間資源，有用的抗衡無線信道的衰敗，大幅度提升體系的信道數(shù)據(jù)容量和頻譜條件利用率。在“十五”期間，以高校為主的國家的“ 863”計劃在未來的大學(xué)為基礎(chǔ)的國家已表現(xiàn)出對中國 B3G 關(guān)鍵技術(shù)的研究實現(xiàn)。 OFDM 和 MIMO技術(shù)一直被認為是 B3G/4G 的關(guān)鍵技術(shù)。 LTE 的研究背景 在低層面上，為了對付 WIMAX 標(biāo)準(zhǔn)的市場之間的競爭，在高層面上，為了融合寬帶無線接入與移動通訊， 3GPP 驅(qū)動了 LTE 項目。 3G 移動通信系統(tǒng)是一種創(chuàng)新，這種創(chuàng) 新具有寬帶高速移動通信的世界。無論信號帶寬為多少，本地區(qū)域的平均信號電平都是不變的。 deduced the Ricean channel model and Rayleigh channel model using conditions。不過，在現(xiàn)實通訊情況中MIMO 的通訊機能長受到無線信道衰落特色的影響，是以 MIMO 的大范圍使用仍面臨 著大批尚待解決的問題。是描述系統(tǒng)有效性的標(biāo)準(zhǔn)。 MIMO 系統(tǒng)的性能在很大程度上會受到信道相關(guān)性的影響。 本人完全意識到 本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。但由于使用多根天線同時發(fā)射信號，這就增加了接 收端信號檢測的難度，信號檢測的好壞直接關(guān)系到該系統(tǒng)的整體性能，所以信號檢測技術(shù)的研究是該領(lǐng)域研究的一個熱點之一。此外，影響 MIMO 信道衰落特征的因素將同時包括接收和發(fā)送端周圍的空間和時間的衰落統(tǒng)計特性，這導(dǎo)致了從理論上描述 MIMO 信道空時衰落特征的統(tǒng)計特性的困難，也引發(fā)了 MIMO 信道建模的合 理性、準(zhǔn)確性和復(fù)雜度等問題。 ，并仔細修改，準(zhǔn)備答辯；畢業(yè)答辯。文章還分析了無線信道的基本特征和無線信道的多徑效應(yīng)，推導(dǎo)和描述了多徑衰落的頻率選擇性和信道響應(yīng)時變特性的參數(shù)，推導(dǎo)了萊斯信道模型和瑞利信道模型的使用條件，并且要給出典型模型的具體數(shù)學(xué)表達。在第 1章的最后討論了本篇文章的各章的主要研究內(nèi)容與論文的主要架構(gòu)及其貢獻。基于 MATLAB 的 MIMO 系統(tǒng)信道容量及性能分析 2 1 緒論 選題背景 通過幾十年的發(fā)展演進的移動通信系統(tǒng)，從開始到現(xiàn)在已經(jīng)過了幾次。源委大批高級優(yōu)秀的技術(shù)人才進行研發(fā)和考證， LTE 項目在許多方面都符合了第四代通訊技能 的要求和具有第四代通信技巧的特征，我們稱之為“準(zhǔn) 4G”技能。但是一次偉大的技術(shù)變革，不是一朝一夕就能夠?qū)崿F(xiàn)的。 2020 年，數(shù)學(xué)國 外移動通訊運營商共同建樹了下一代移動網(wǎng)絡(luò)（ Next Generation Mobile Network,NGMN）論壇，它引頸了新一代寬帶移動通信的趨勢，促進 NGMN 論壇變?yōu)闊o線通訊領(lǐng)域最具影響非標(biāo)準(zhǔn)化組織。 MIMO 的研究意義 未來移動通訊要滿足無論何時、無論何地、向無論何人供給迅速牢靠的通訊辦事的要求。分析了無線信道的基本特征和無線信道的多徑效應(yīng)，推導(dǎo)了描述多徑衰落的頻率選擇性和信道響應(yīng)時變特性的參數(shù)，推導(dǎo)了萊斯信道模型和瑞利信道模型的使用條件，并且給出了典型模型的具體數(shù)學(xué)表達。提供 IMS 等高速數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)。 LTE 的上下行鏈路分別采納單載波頻分多址 (SCFDMA)技能 [21]和正交頻分多址 (OFDMA)技能。 HDD 使用上下行成對頻段，信號的發(fā)射與接收可以同時進行，因而減少了上下行信號間的反饋時延。在半雙工 FDD 中，基站應(yīng)用全雙工 FDD 形式，盡管采用成對頻譜終端的發(fā)射信號與接收信號在不同的頻帶上傳輸，但其接收和發(fā)射信號卻不能夠同時進行。 無 線 資 源 控 制 （ R R C ）物 理 層介 質(zhì) 訪 問 控 制 （ M A C ）層 1層 2層 3傳 輸 信 道邏 輯 信 道 基于 MATLAB 的 MIMO 系統(tǒng)信道容量及性能分析 8 圖 22 物理層周圍的無線接口協(xié)議架 層 2 的介質(zhì)訪問控制 (MAC， Medium Access Control)子層與層 1 的物理層和層3 的無線資本掌管 (RRC， Radio Resource Control)子層之間具有接口。所以 LTEA 分別設(shè)計了用于 FDD 的幀構(gòu)造范例 1 和用于 TDD 的幀構(gòu)造范例 2。每個無盡的數(shù)據(jù)幀包括兩個半幀，每一半幀長是 1 5 3 6 0 0 5sdT T m s? ? ?，含有 8 個時隔（即 4 個子幀）和一個特別地域 [12]，這個特殊的地域由下行導(dǎo)入頻時隔 (DwPTS， Downlink Pilot Time Slot)、上行導(dǎo)入頻時隔 (UpPTS， Uplink Pilot Time Slot)和保護間隔 (GP， Guard Period)組成的。 MIMO 無線通信體系是使用時空處置為根本方式對信號舉行剖析的。一個發(fā)射天線的傳送途徑中的數(shù)據(jù)體驗了深度削弱的假設(shè)的情況下，其他一個相對來說獨立的傳送途徑很可能有一個較強烈的信號輸送。在體系的回收端，因為信號的傳輸途徑不止一條，因此不光要保證天線組數(shù)不少于發(fā)射天線數(shù)目，還應(yīng)該準(zhǔn)確地估算出來信道的特色和子碼流間的干系。 基于 MATLAB 的 MIMO 系統(tǒng)信道容量及性能分析 14 3 無線衰落信道的基本特征 無線通信都是通過電磁波來傳遞消息的。無線通信信道對傳輸信號的大尺度形象是通過途徑損耗和陰影衰落一起反映出來的。 陰影衰落 電磁信號在傳輸過程中由于受到高山、高大建筑物等的的阻礙，在這些障礙物基于 MATLAB 的 MIMO 系統(tǒng)信道容量及性能分析 15 后面會產(chǎn)生電磁場的陰影，引起場強中值的波動，進而導(dǎo)致信號的衰減，這種現(xiàn)象就被稱作是陰影衰落。由以上定義可知，小尺度衰落反映的是在較短的距離或者時間內(nèi)接收信號所呈現(xiàn)的快速起伏特性。一樣，多徑的反射和散射造成的發(fā)射角的擴展變寬被認為發(fā)射機的角度的擴展。 信號帶寬 多普勒擴展 慢衰落信道 信號周期 相干時間 。小于等于 R 的接收信號的包絡(luò)由下面的式子 (CDF)給出： ? ? ? ? ? ? 220 1 e x p 2Rr RP R P r R p r d r ???? ? ? ? ? ? ??????(35) 2) Rice 衰落 當(dāng)傳播路徑中存在直射波時，小尺度衰落的包絡(luò)服從萊斯分布。無論信號帶寬為多少，本地區(qū)域的平均信號電平都是不變的。所以信道的性能往往要使用兩個物理量來描述，分別是平均容量和中斷容量。 ? ? ? ?HxMRTR HHRIBC rxrx ?? ? d e tlo g 2:m a x ? (42) 由圖中可以看出，多天線的遍歷容量要優(yōu)于單天線的遍歷容量。此時 MIMO 信道容量為 錯誤 !未找到引用源。在這些條件下，我們可以得到： ? ?? ?? ? ? ? ? ?????????????????? ?????? ???????? ?????? ??1l og1l og1d e tl ogd e tl ogd e tl og22222Ld i agLILIHHLICLLLHL(47) 由上面得式子，正交傳輸 MIMO 系統(tǒng)和單天線相比較，信道容量可以得到 L 倍的增益，這個增益得益于天線子信道直接的解耦和。在確定性的 SISO 信道中，即 1?? RT NN ，代入上面的式子（），可知 SISO 的信道容量為： 基于 MATLAB 的 MIMO 系統(tǒng)信道容量及性能分析 24 ? ?22l o g 1 | | /S I S OC h b p s H z?? ? ?????(48) 。假設(shè)發(fā)送方和接收方都有 L 個天線。然而如前所述，很多時候，發(fā)送方并不知道相關(guān)的信道狀態(tài)信息，所以發(fā)送端不知道信道狀態(tài)信息的條件下，對 MIMO 信道容量的研究具有重要意義。 基于 MATLAB 的 MIMO 系統(tǒng)信道容量及性能分析 20 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 200123456789S N R ( d B )10%中斷容量（bits/s/Hz）不同系統(tǒng)的 10% 中斷容量 1 X 12 X 11 X 22 X 2 圖 41 不同系統(tǒng)的 10%中斷容 量 所有信道取平均后的可以達到的最大信息傳輸速度被稱為遍歷容量，遍歷容量的大小由 H 的分布決定。 下文中將對平均功率分配下的 SISO、 SIMO、 MISO 和 MIMO 系統(tǒng)的信道容量進行分析、比較，并且對正交信道和全 1 信道 這兩種特別的 MIMO 信道容量進