【正文】 ntenna,different receiving antenna and different signal to noise ratio. Experimental results are demonstrated..The key of this thesis is to infer the formula of the channel capacity of MIMO systems and to verify it. Key words: MIMO channel model channel capacity transmitting antenna receiving antenna 安徽理工大學(xué)電子信息工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 第一章 緒論 引言 多輸入多輸出 (MultipleInput MultipleOutput)技術(shù)是無(wú)線移動(dòng)通信領(lǐng)域智能天線技術(shù)的重大突破。 MATLAB 的語(yǔ)言結(jié)構(gòu) ....................................................................... 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 MIMO的概念 .................................................................................. 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 空時(shí)編碼技術(shù) .................................................................................. 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 第五章 總結(jié) ................................................................................................. 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 MIMO 的概念 多輸入多輸出（ MIMO）系統(tǒng)是在無(wú)線通信智能天線技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，其主要特點(diǎn)就是在通信系統(tǒng)的收發(fā)兩端采用多天線配置，以解決未來(lái)移動(dòng)通信系統(tǒng)大容量高速率傳輸和日益緊張的頻譜資源間的矛盾 .和智能天線技術(shù)不一樣的是，在MIMO 系統(tǒng)中從任意一個(gè)發(fā)送天線 到任意一個(gè)接收天線間的無(wú)線信道是相互獨(dú)立的或者具有很小的相關(guān)性 . 通常，多徑要引起衰落，因而被視為有害因素。在基站安裝大量的天線，對(duì)周圍的環(huán)境會(huì)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(gè)波長(zhǎng)，這個(gè)距離稍微偏大，之所以要這樣選擇是因?yàn)榛疽话惆惭b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。例如，終端可以通過下行鏈路的廣播信令來(lái)知道基站是否處在 MIMO模式，同時(shí)，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。這是一種近于最優(yōu)的 空域時(shí)域聯(lián)合的分集和干擾對(duì)消處理。貝爾實(shí)驗(yàn)室于 1996 年提出的分層空時(shí)碼 (LSTC)模型是最早的空時(shí)編碼方案。 (2)衡量編碼好處的行列式準(zhǔn)則 ： 如果要設(shè)計(jì) nT?nR重分集，那么對(duì)所有不同的碼字對(duì)c和 e，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡可能使矩陣 A(c,e)的行列式的最小值最大化。E 代表均值； AH表示矩陣 A的厄米特（ hermitian）轉(zhuǎn)置矩陣，即 A的復(fù)共軛轉(zhuǎn)置矩陣。在多數(shù)情況下，假定它是瑞利分布，因?yàn)閷?duì)于非視距 (NLOS)無(wú)線傳播來(lái)說(shuō)，它最具有代表性。=UHr x180。因此，信道功率增益等于 矩陣 HHH的特征值 。x180?？梢酝ㄟ^對(duì)所有信道系數(shù)的實(shí)現(xiàn)取平均得到平均信道容量。因此， Matlab 語(yǔ)言也可通俗地稱為演算紙式科學(xué)算法語(yǔ)言由于它編寫簡(jiǎn)單，所以編程效率高，易學(xué)易懂?！?就可用于數(shù)組間的運(yùn)算，另外，它不需定義數(shù)組的維數(shù)，并給出矩陣函數(shù)、特殊矩陣專門的庫(kù)函數(shù)，使之在求解諸如信號(hào)處理、建模、系統(tǒng)識(shí)別、控制、優(yōu)化等領(lǐng)域的問題時(shí)，顯得大為簡(jiǎn)捷、高效、方便，這是其它高級(jí)語(yǔ)言所不能比擬的 。 M 文件可以有很多個(gè)，它們可以互相調(diào)用，也可以調(diào)用自己。 表 31常用的矩陣函數(shù) 函數(shù)名稱 函數(shù)功能 函數(shù)名稱 函數(shù)功能 zero(m,n) m行 n列的零矩陣 eig(A) 求矩陣 A的特征值 eye(n) n階 單位 矩陣 poly(A) 求矩陣 A的特征多項(xiàng)式 ones(m,n) m行 n列的元素為 1的矩陣 trace(A) 求矩陣 A 的跡 rand(m,n) m行 n列的隨機(jī)矩陣 cond(A) 求矩陣 A的條件數(shù) randn(m,n) m行 n列的正態(tài)隨機(jī)矩陣 rref(A) 求矩陣 A的行最簡(jiǎn)形 magic(n) n階魔方矩陣 inv(A) 求矩陣 A的逆矩陣 hess(A) hess 矩陣 det(A) 求矩陣 A的行列式 sqrtm(A) 求矩陣 A的平方根 expm(A) 求矩陣 A的指數(shù)值 funm(A) 按矩陣計(jì)算的函數(shù)值 logm(A) 求矩陣 A的對(duì)數(shù)值 rank(A) 求矩陣 A的秩 morm(A,1) 求矩陣 A的范數(shù) A+B: 矩陣加法 AB: 矩陣減法 A*B: 矩陣乘法 A\B: 矩陣的左除 A/B: 矩陣的右除 transpose(A)或 A’ ： A的轉(zhuǎn)置 Ak? ：數(shù) k乘以 A det(A)： A的行列式： rank(A)： A的秩 安徽理工大學(xué)電子信息工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì) 26 “：”的說(shuō)明 j:k 表示步長(zhǎng)為 1的等差數(shù)列構(gòu)成的數(shù)組： [j, j+1, j+2,?, k] j:i:k 表示步長(zhǎng)為 i 的等差數(shù)列構(gòu)成的數(shù)組： [j,j+i,j+2*i,?, k] A(i:j) 表示 A(i)， A(i+1)， ? ， A(j) 循環(huán) 語(yǔ)句 for 循環(huán)語(yǔ)句的格式為： for i=表達(dá)式 可執(zhí)行語(yǔ)句 1 ???? 可執(zhí)行語(yǔ)句 n end 說(shuō)明：（ 1）表達(dá)式是一個(gè)向量，可以是 m:n， m:s:n，也可以是字符串、字 符串矩陣等。 程序代碼如下： SNR=0。 ylabel(39。在設(shè)計(jì)過程中，我借閱了許多現(xiàn)代移動(dòng)通信方面的資料，這不僅培養(yǎng)了我的自學(xué)能力，而且增強(qiáng)了我對(duì)現(xiàn)代移動(dòng)通信的興趣。 總之，我的畢業(yè)設(shè)計(jì)的完成不是我一個(gè)人的功勞，是集結(jié)了大家的結(jié)晶。在打破這一容量界限的技術(shù)中， 多 輸 入多 輸 出 (MIMO)是一項(xiàng)重大突破。 plot(x,y3) hold on y4=[,]。在語(yǔ)句行中百分號(hào)后面的語(yǔ)句 安徽理工大學(xué)電子信息工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì) 28 第四章 MIMO 系統(tǒng)容量仿真 仿真操作步驟 軟件 ，在桌面上會(huì)彈出兩個(gè)窗口：記事本窗口（如圖 41）和命令窗口（如圖 42） 圖 41 圖 42 安徽理工大學(xué)電子信息工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì) 29 單擊 File|New|Mfile(見 圖 43)打開編輯窗口 圖 43 ，單擊 Debug|Run 運(yùn)行。 （ 3） 組織變量名的字符長(zhǎng)度應(yīng)不大于 31 個(gè)。 M 文件有兩種運(yùn)行方式：一是在命令窗口直接寫文件名，按 Enter 鍵 。另外，為了充分利用 Fortran、 C 等語(yǔ)言的資 源，包括用戶已編好的 Fortran， C 語(yǔ)言程序，通過建立 M 調(diào)文件的形式，混合編程，方便地調(diào)用有關(guān)的 Fortran， C 語(yǔ)言的子程序。實(shí)踐證明，你可在幾十分 鐘的時(shí)間內(nèi)學(xué)會(huì) Matlab 的基礎(chǔ)知識(shí)，在短短幾個(gè)小時(shí)的使用中就能初步掌握它 .從而使你能夠進(jìn)行高效率和富有創(chuàng)造性的計(jì)算。 式（ 224）左邊的特征多項(xiàng)式 P（λ）為 安徽理工大學(xué)電子信息工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì) 20 ? ? ? ?QIp m ?? ?? det （ 2— 25） 其冪次為 m，因?yàn)樵?? ?QIm ??det 的拉普拉斯最小項(xiàng)乘積式中， ? ?QIm?? 的每一行對(duì)應(yīng)λ的一次乘積項(xiàng)。n180。將 i? 代入式（ 215）， 得到接收信號(hào)元素為 ? ?rinxr iiii ,2,1 ??????? ? ? ?Rii nrrinr ,2,1 ??????? (2— 16) 式（ 216）顯示， 接收元素 )n,2,r1,r(i R?????ir 并不依賴于發(fā)射信號(hào)，即信道增益是零。 D 的對(duì)角元素是矩陣 HHH的特征值的非負(fù)平方根。那么可以通過在接收端發(fā)射測(cè)試序列來(lái)估計(jì)信道矩陣。用 nT 1 列矩陣χ表示每個(gè)符號(hào)周期內(nèi)的發(fā)射信號(hào)，其中第 i個(gè)元素χ i表示第 i根天線發(fā)射的信號(hào)。經(jīng)過編碼后的數(shù)據(jù)被分成 n個(gè)數(shù)據(jù)流，然后通過 n個(gè)天線同時(shí)發(fā)送到無(wú)線空間。 空時(shí)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(hào)流。 圖 21 MIMO 系統(tǒng)的原理 特別是，這 N 個(gè)子流同時(shí)發(fā)送到信道，各發(fā)射信號(hào)占用同一頻帶，因而并未增加帶寬。傳統(tǒng)的無(wú)線系統(tǒng)的 傳播模型已成為了標(biāo)準(zhǔn) [5]，不過到目前為止， ITU還未制定相應(yīng)的 MIMO信道模型標(biāo) 準(zhǔn)， 3GPP已制定出了有關(guān) MIMO的信道模型標(biāo)準(zhǔn) [6]. (4) 信道狀態(tài)信息 (CSI)獲取和利用 如何準(zhǔn)確地獲取信道的狀態(tài)信息并及時(shí)地反饋給發(fā)射機(jī)是 MIMO系統(tǒng)設(shè)計(jì)中一個(gè)值得深入研究的課題，信道容量實(shí)際上是信道特征模式的函數(shù)， MIMO信道容量的實(shí)現(xiàn) 將得益于知道 信道狀態(tài)信息的發(fā)射機(jī)，因?yàn)榘l(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(jì) 9 反饋信息依據(jù)注水原理而不是平均分配發(fā)射功率。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(shí)驗(yàn)，并于 去年成功地測(cè)試了兩款 BLAST芯片，芯片的最高速度達(dá)到了 ，而且 BLAST研究小組最近取得了以前難以想象的無(wú)線頻譜效率 :2040bps/Hz，比較而言，使用傳統(tǒng)的無(wú)線調(diào)制技術(shù)，對(duì)于蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)取得的頻譜效率為 :15bps/Hz，對(duì)于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)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(shí)驗(yàn)室在上述的頻譜效率上實(shí)現(xiàn)了 載荷數(shù)據(jù)速率。在 70 年代有人提出將多入多出技術(shù)用于通信系統(tǒng)，但是對(duì)無(wú)線移動(dòng)通信系統(tǒng)多入多出技術(shù)產(chǎn)生巨大推動(dòng)的奠基工作則是 90年代由 ATamp。 第四章 MIMO 系統(tǒng)容量仿真 ........................................................................ 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 尚存在的問題 ......................................................................... 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 本論文的主要內(nèi)容 ........................................................................... 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 仿真操作步驟 .................................................................................. 錯(cuò)誤 !未定義書簽。T Bell 實(shí)驗(yàn)室學(xué)者完成的。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。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。若各發(fā)射接收天線間的通道響應(yīng)獨(dú)立，則多入多出系統(tǒng)可以創(chuàng)造多個(gè)并行空間信道。為了消除由于無(wú)線信道衰落和噪聲干擾帶來(lái)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?hào)包含的信息具有一定的關(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(jià)于中斷容量最大化，這是空時(shí)編碼研究的目的。在接收端，可以用單一天線，也可用多個(gè)天線進(jìn)行接收，每一個(gè)接收天線接收到的是 n個(gè)發(fā)送信號(hào)與干擾噪聲線性的疊加，然后通過最大似然檢測(cè)的方法，正確地識(shí)別出發(fā)送信號(hào)。 x1 r1 x2 r2 xnT rnR 圖 22 MIMO 系統(tǒng)框圖 對(duì)于高斯信道，按照信息論，發(fā)射信號(hào)的最佳分布也是高 斯分布。再通過可靠的反饋信道將估計(jì)的信道狀態(tài)信息（ CSI） 發(fā)送到發(fā)射端。 HHH的特征值（ 用λ表示 ）定義為 HHHy=λ y, y≠ 0 （ 2— 12） 式中， y 是與 λ 相對(duì)應(yīng)的 nR 1 維矢量，稱為特征矢量。另一方面，接收元素 ),2,1(i rri ??? 僅僅取決 于發(fā) 射元素 Xi’。=UHRnnU tr(Rr180。由于復(fù)系數(shù) m 次多項(xiàng)式剛好有 m 個(gè)零點(diǎn)，因此特征多項(xiàng)式可以寫成 ? ? ? ??? ?? mi iP 1 ??? （ 2— 26） 式中， i? 是特征多項(xiàng)式 P（λ）的根，等于信道矩陣的奇異值