【文章內(nèi)容簡介】 過添加一些先進(jìn)的通信技術(shù)和原有技術(shù)的提高，在速度上相對于原 LTE 系統(tǒng) LTEA 系統(tǒng)的性能有很大的提高，真正根據(jù) 4G 系統(tǒng)的要求完成。在眾多 4G 標(biāo)準(zhǔn)中 ,LTE 系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)占據(jù)了一個舉足輕重的位置。 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。 早期的寬帶無線接入定位于替換有線寬帶接入（如數(shù)字用戶線（ Digital Subscriber Line））技術(shù)，它的發(fā)展經(jīng)歷了固定本地接入，游牧城域接入到廣域移動接入的過程，體現(xiàn)出了明顯的“寬帶接入移動化”的趨勢，以因特網(wǎng)（ Inter）為代表的信息技術(shù)（ IT）行業(yè)移動普及帶來了新的機遇，也為傳統(tǒng)的移動通信行業(yè)已經(jīng)形成了競爭和挑戰(zhàn)。在保持蜂窩轉(zhuǎn)移實力的同步要求， 3GPP 和 3GPP2 越來越看重低速的局部域場景下的進(jìn)入能力，移動通信寬帶化的趨勢帶來了移動通信業(yè)從傳統(tǒng)的語音服務(wù)擴展到寬帶數(shù)據(jù)服務(wù)領(lǐng) 域的一個新的機會?；凇耙苿油ㄓ崒拵Щ钡恼J(rèn)識以及應(yīng)答“寬帶接入移動化”挑釁的要求， 3GPP 起頭了“長期演進(jìn)”的過程 [3]。 在 LTE 項目的推出是對移動通信的寬帶行業(yè)的共識。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。先進(jìn)無線通信技能的鉆研一定要佇立在學(xué)術(shù)界和基于 MATLAB 的 MIMO 系統(tǒng)信道容量及性能分析 3 基礎(chǔ)鉆研領(lǐng)域豐富的技術(shù)儲藏的底子之上。包括相關(guān)的數(shù)學(xué)，物理，無線電工程，也是通信理論、信號處理、無線資源管理和其他方面的理論積累。 OFDM 和 MIMO技術(shù)一直被認(rèn)為是 B3G/4G 的關(guān)鍵技術(shù)。在 IMTAdvanced 名目開動以前，國際上曾經(jīng)對 B3G 進(jìn)行了寬泛的鉆研，并得到了一期期重大進(jìn)展。早在第二十世紀(jì)末，貝爾實驗室，北電等企業(yè)開始應(yīng)用 MIMO 技術(shù)的研究和開發(fā)，在美國北部，在 MIMO技術(shù)的研究和開發(fā)一直處于領(lǐng)先地位。日本 NTT DoCoMo 公司在 2020 年的外場試驗選用 OFDM 技能，在 100MHZ 帶寬中抵達(dá)了 100Mbits/s 數(shù)據(jù)傳輸速度，表現(xiàn)出了 OFDM/MIMO 技能在供應(yīng)高的帶寬傳輸和岑嶺速度方面的巨強本領(lǐng)。 2020 年，F(xiàn)larion 公司研發(fā)了 FlashOFDM 系統(tǒng)，經(jīng)歷商用組網(wǎng)測試初步考證了 OFDM 系統(tǒng)具有大規(guī)模組網(wǎng)本領(lǐng)。 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(jìn) 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。國際研究和標(biāo)準(zhǔn)化工作，從促進(jìn) LTE 項目的開發(fā)，或用于 LTE 的技術(shù)指標(biāo)，或 LTE 認(rèn)證設(shè)備可以實現(xiàn)與 LTE 的經(jīng)驗教訓(xùn)提供參考學(xué)習(xí)。 同時，在全球?qū)拵б苿油ㄐ诺难芯?，我們也組織相關(guān)的研究，并積極參與國際交流和標(biāo)準(zhǔn)化工作。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)。在實施基礎(chǔ)研究項目的同時，我國十分重視 B3G 等寬帶移動通信的標(biāo)準(zhǔn)化工作。在隨訪中，國際標(biāo)準(zhǔn)化的學(xué)術(shù)交流活動，積極組織國內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化工作。我國踴躍投身于中國，日本和韓國 (CJK)準(zhǔn)則的共同項目。我國的一些單位還參與了歐洲 winner 項目，并且承擔(dān)了部分的研究工作 [4]。 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。未來無線移動通信系統(tǒng)將擁有高的數(shù)據(jù)傳輸率、高的頻譜利用效率、低的發(fā)射功率、靈活的業(yè)務(wù)支撐能力，會把無線通信的傳輸容 量和速率提高十倍乃至數(shù)百倍。跟隨各類寬帶數(shù)據(jù)交易和無線通訊業(yè)務(wù)的不停開發(fā)，通訊資源，特別是頻帶資源變得愈來愈重要，高速效率地使用數(shù)量稀少的通訊條件已經(jīng)變成了無線通訊技能變化的關(guān)注點。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。 然而， MIMO 體系高容量目標(biāo)實現(xiàn)和體系其它本能指標(biāo)和 MIMO 體系使用的各類信息計算方法的好壞很高程度上仰仗 MIMO 信道特色，特別是各個天線之間的相關(guān)性 00。每每假如傳輸信道是單獨的，繼而對 MIMO 信道性能進(jìn)行模擬，這與現(xiàn)實中基于 MATLAB 的 MIMO 系統(tǒng)信道容量及性能分析 4 的 MIMO 信道肯定具有空間上的相互關(guān)性是矛盾的。信道相關(guān)聯(lián)的性質(zhì)很高深度上會改變 MIMO 體系的機能。 論文的主要工作和貢獻(xiàn) 本文重點研究 LTEA 系統(tǒng)中的 MIMO 信道容量，文中對 MIMO 系統(tǒng)的信道容量進(jìn)行分析和計算機仿真，在理論角度上推導(dǎo)和剖析對比了 SISO、 SIMO、 MISO、 MIMO系統(tǒng)信道容量表達(dá)式，這個推導(dǎo)的過程是在在慢衰落瑞利信道條件下進(jìn)行的。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(dá)。 基于 MATLAB 的 MIMO 系統(tǒng)信道容量及性能分析 5 2 LTE 系統(tǒng)介紹 1G—— 使用蜂窩組網(wǎng)，標(biāo)準(zhǔn)： AMPS、 TACS 等。采用模擬技術(shù)和頻域劃分多址 (FDMA)等技術(shù)。 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)。 3G—— TDSCDMA、 CDMA20 WIMAX、 WCDMA、技能指示標(biāo)準(zhǔn)：室內(nèi)的速度達(dá)到 2Mbps，室外的速度達(dá)到 385kbps，行車的速度達(dá)到 144kbps。能夠完成高速率傳輸，語音業(yè)務(wù)及寬帶多媒體，無線接入 Inter 等服務(wù)。 4G(LTE)—— 使用正交頻分復(fù)用及多輸入多輸出技術(shù)。在 200MHZ 體系帶寬下，下行峰值速度達(dá)到 100Mbps，上行峰值速度達(dá)到 50MHZ[18]。提供 IMS 等高速數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)。 LTE 的關(guān)鍵技術(shù) LTE 項目是 4G 標(biāo)準(zhǔn) (4thGeneration)技術(shù)，這是優(yōu)于現(xiàn)有的 3G 技術(shù)，具體表現(xiàn)方面如下：抬高了峰值速度和頻譜效用、系統(tǒng)帶寬安排十分變通、保障了服務(wù)質(zhì)量而且很高程度上減小了網(wǎng)絡(luò)時延等 [19]，這是 LTEA 技術(shù)研究的前提和基礎(chǔ)，也是目前全球主流運營商的選擇。 LTE 系統(tǒng)和物理層相關(guān)的性能指標(biāo) （ 1）對變通系統(tǒng)支持寬帶范圍 。 （ 2）支撐下行峰值速度高達(dá) 100Mbit/s，上行峰值速度也達(dá) 50Mbit/s。 （ 3）同時支持 FDD 和 TDD 系統(tǒng)，并要求兩種系統(tǒng)的設(shè)計差異盡量小。 多載波技術(shù) 傳統(tǒng)意義 上的頻分復(fù)用 (FDM)和頻分多址 (FDMA)技術(shù)把相對來說比較寬的頻帶分解成許多個相對較窄的子載波來并行傳輸，在相鄰子載波之間保留較大的間隔，以此來避免各個子載波之間形成的串?dāng)_ [20]。正交頻分復(fù)用 (OFDM)的子載波間堆疊分布，并且子載波之間相互正交，用來防止各個子載波之間形成的干預(yù)。有一部分重疊分布的子載波能夠在很大程度上增進(jìn)進(jìn)頻譜效率的提升。 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。 基于 MATLAB 的 MIMO 系統(tǒng)信道容量及性能分析 6 LTE 物理層下行接收機信號處理框圖如圖 21 所示。其中 接收端處理流程可以認(rèn)為是發(fā)射端反向操作。 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(jìn)，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。是以， LTE體系需求支撐 TDD和 FDD兩雙工模式。同時， LTE還考慮支持半雙工 FDD(Halfduplex FDD, HFDD)這種特殊的雙工方式。 FDD 雙工方 式 FDD 雙工方式是指在蜂窩通信系統(tǒng)中的上行鏈路信號下兩不同頻段的信號分別發(fā)送，某些特定頻段保護(hù)間隔是上行和下行頻段之間留。為了避免干擾之間的上行鏈路和下行鏈路信號。 HDD 使用上下行成對頻段，信號的發(fā)射與接收可以同時進(jìn)行，因而減少了上下行信號間的反饋時延。 FDD 雙工方式在功率控制、鏈路自適應(yīng)、信道和干擾反饋等方面有獨特的優(yōu)勢。 TDD 雙工方式 TDD 雙工方式中，發(fā)射與接收信號在同一頻帶，上行信號和下行信號由不同的時間段內(nèi)的發(fā)送來識別。 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。同時，因為上下行信號占用的無線信道資源能夠通過調(diào)節(jié)上下行時隙間的比例靈活更改，非常適應(yīng)于 3G 和 B3G 等以 IP 分組業(yè)務(wù)為主要特性的移動蜂窩網(wǎng)絡(luò)。 TDD 能夠使用信道的對稱性，這給系統(tǒng)的信道估計的簡便，信號測量和多天線技術(shù)帶來了益處。近年來隨著 TDSCDMA(Time 基于 MATLAB 的 MIMO 系統(tǒng)信道容量及性能分析 7 DivisionSynchronous Code Division Multiple Access，時分同步碼分多址 )產(chǎn)業(yè)的不斷完善以及 TDD 設(shè)備的日趨成熟，蜂窩移動通信領(lǐng)域加大了對 TDD 系統(tǒng)的研究力度，在隨后的演進(jìn)系 統(tǒng)中 TDD 雙工模式將會扮演更加重要的作用。 HFDD 雙工方式 HFDD 是相對于現(xiàn)有的 FDD 而言的另一種雙工方式。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(jìn)行。 HFDD 在接收處接收信號和在發(fā)送處發(fā)送信號的方法和 TDD 類似。在 LTE 中采納 HFDD 的法子基于以下幾點思考。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(yán)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。 LTEA 引入了多輸入多輸出、正交頻分多址復(fù)用 /SCFDMA 等技能，因而物理層布局相比于原來的其它通信準(zhǔn)繩有太大的分歧，主要體現(xiàn)在無線幀結(jié)構(gòu)、參考信號配置等方面。在 3GPP 制訂的 LTE/LTEA 技術(shù)準(zhǔn)則中， 對物理層舉行了完全的描繪 [7]， 則解釋說明了發(fā)送和接收物理信道、參考信息，介紹了框架結(jié)構(gòu)，調(diào)制的方法和如何生成 OFDM 和 SCFDMA 信號 等 [8]。對 LTEA 物理層技術(shù)的介紹，結(jié)合以上規(guī)格。 LTE 無線接口是指用戶與網(wǎng)絡(luò)之間的接口，包括三個亞層，協(xié)議結(jié)構(gòu)如圖 22所示，子層環(huán)說服務(wù)接入點之間的不同的層或?qū)?(SAPs， Service Access Points)。 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。 MAC 子層的傳輸信道由物理層提供，傳輸信道描述了信息的 傳輸方式，即定義了“信息是如何傳輸?shù)摹薄６鴮?2 的無線鏈路控制 (RLC， Radio Link Control)亞層的邏輯信道則由MAC 亞層提供，邏輯信道描述了信息的類型，即定義了“傳輸?shù)氖鞘裁葱畔ⅰ薄? 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)。為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，物理層將提供下面的一些功能[9]：在傳輸信道進(jìn)行差錯檢測并向高層提供提示信息；前向糾錯（ FEC， Forward Error Correction）編碼 /解碼的傳輸通道；混合自愿重傳 (HARQ)申請；編 碼的傳輸通道與物理信道之間的速度配合；編碼的傳輸通道向物理通道的映射；物理通道的功率相加；物理通道的調(diào)制與解調(diào)；頻率同步和時間同步；無線功能 (radio characteristics)測量朝上提供指示信息；多輸入多輸出 (MIMO)天線處理；傳輸分集；波束賦形；射頻處理等等。 無線幀結(jié)構(gòu) 在物理層規(guī)范，時間域通常是由時間單位多表示，它被定義為時間單位，在15000 者之間的間隔為 15KHz，該定義為 1 / (1 5 0 0 0 2 0 4 8 )dTs??，其中，子載波之間的間隔是 15kHz，具有最高的帶寬分配和數(shù)為 2048[10]。 L