【文章內(nèi)容簡介】 業(yè)的不斷完善以及 TDD 設備的日趨成熟，蜂窩移動通信領域加大了對 TDD 系統(tǒng)的研究力度，在隨后的演進系統(tǒng)中 TDD 雙工模式將會扮演更加重要的作用?！FDD 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。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，從能帶結構的角度來看，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，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、正交頻分多址復用/SCFDMA 等技能，因而物理層布局相比于原來的其它通信準繩有太大的分歧，主要體現(xiàn)在無線幀結構、參考信號配置等方面。在 3GPP 制訂的 LTE/LTEA 技術準則中， 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，介紹了框架結構，調(diào)制的方法和如何生成 OFDM 和 SCFDMA 信號等[8]。對 LTEA 物理層技術的介紹，結合以上規(guī)格。LTE 無線接口是指用戶與網(wǎng)絡之間的接口，包括三個亞層，協(xié)議結構如圖 22所示，子層環(huán)說服務接入點之間的不同的層或層(SAPs，Service Access Points)。無線資源控制 （ R R C ）物理層介質訪問控制 （ 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?。而層 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?。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。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]：在傳輸信道進行差錯檢測并向高層提供提示信息；前向糾錯（FEC，F(xiàn)orward 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。　無線幀結構在物理層規(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/(50248)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]。LTEA 系統(tǒng)的上行和下行信道都以無線幀結構傳輸數(shù)據(jù)，一個無線子幀的長度為： 30710f dTms??。LTEA 系統(tǒng)支持 TDD 和 FDD 雙工模式，由于 TDD 使用向上和向下之間的時間差，資源是不連續(xù)的，有必要引入保護間隔避免上下之間的干擾。所以 LTEA 分別設計了用于 FDD 的幀構造范例 1 和用于 TDD 的幀構造范例 2。　幀結構類型 1幀構造范例 1 用于全雙工和半雙工的 FDD 模式。每個無線報文共有 20 個時隙，是時隙 0 到 19，它們的總長為 10ms，每個長為 ??。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 i?時隙。如圖 23 所示[11]?；?MATLAB 的 MIMO 系統(tǒng)信道容量及性能分析9 1 3 2 4 1 9 1 8一個子幀一個時隙 ??一個無限幀 10fTs?圖 23　幀結構類型 1在同一頻道不同時隙發(fā)送和接收信號的 FDD 模式。所以對于每一幀，10 幀可以分為下行也可以用來傳送上行，依靠 FDD 頻分和資源下行單方向在時間上是連續(xù)的?！Y構類型 2如圖 24 所示，幀結構類型 2 適用于 TDD 模式。每個無盡的數(shù)據(jù)幀包括兩個半幀，每一半幀長是 15360sdTms??，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入頻時隔(DwPTS，Downlink Pilot Time Slot)、上行導入頻時隔(UpPTS，Uplink Pilot Time Slot)和保護間隔(GP，Guard Period)組成的。子幀 0 子幀 2 子幀 3 子幀 5子幀一個時隙 1536slotdT?半幀15360dTms?子幀 4 子幀 7 子幀 9子幀 837dT一個無線幀 7201fds372dTD w P T S D w P T SG P G PU p P T S U p P T S圖 24　幀結構類型 2（切換周期為 5ms）基于 MATLAB 的 MIMO 系統(tǒng)信道容量及性能分析10協(xié)定規(guī)定 GP、UpPTS 和 DwPTS 的長能夠由系統(tǒng)配置，這三個物理量的總長要為1 毫秒。在 LTEA 中，上、下行子幀報文切換時間蘊含 5ms 和 10ms 兩種情形，此中U 示意用于朝上傳輸?shù)淖訄笪?，D 是以朝下傳輸?shù)淖訄笪?，蘊含 GP、UpPTS 以及DwPTS 的特別子報文用 S 來表現(xiàn)。當切換周期為 5ms 時，子幀 子幀 7 和 UpPTS 將用來進行上行傳輸。當切換周期是 10ms 時，DwPTS 在兩個半報文中生存，然而 UpPTS 和 GP 僅僅在第一個半報文中生存，在第二個半報文中的 DwPTS 計量尺度為 1ms。子幀 2 和 UpPTS 將來認為朝上的傳輸，子幀 9 和子幀 7 將來認為朝下的傳輸。在上面的兩種開關周期處境中，子幀 0 和子幀 5 以及 DwPTS 牢固的用于下行傳輸?！TE 的關鍵技術 MIMOMIMO 是 LTE 的關鍵技術之一，由于本文要介紹 MIMO 信道容量，所以一下部分著重介紹 MIMO。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。該系統(tǒng)在多徑傳輸?shù)倪^程中，不僅能夠提高頻譜的利用率，還有效地加快了傳輸速率，因而被看做成核心突破點，為新一代無線通信系統(tǒng)開辟了更廣闊的前景。MIMO 技巧因為空間中具備多個發(fā)射的天線和接收的天線，因此在信道模式、信道系統(tǒng)的容量等方面都有其特別獨到的復雜性。介紹了 MIMO 系統(tǒng)的 MIMO 結構?！IMO 系統(tǒng)的概念MIMO 技術的出現(xiàn)為無線移動通信開創(chuàng)了一個嶄新的領域，可以在很大程度上提高系統(tǒng)的頻譜效率。簡單來說 MIMO 技術的工作原理：把需要傳送的數(shù)據(jù)分解成若干個并行的數(shù)據(jù)流，之后在多根天線上各自進行同時同頻率的數(shù)據(jù)傳輸，而且發(fā)射端天線的總共發(fā)射功率保持不變。然后，再由接收端的多條天線單獨的收到多個不同的數(shù)據(jù)流，在接收終端將其辨認判別，而且是使用 MIMO 解調(diào)技巧，最后規(guī)復出來發(fā)射端天線的原數(shù)據(jù)流。（1）分集增益 多徑衰落信道的傳輸?shù)目煽啃钥梢酝ㄟ^由每個天線的空間分集改善。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。因此，我們可以挑選多個信號在多徑信號中，能夠升高接收端天線的瞬時的信號噪生比率和平均的信號噪聲比率，提升2030dB[13]的幅度。 （2）陣列增益基于 MATLAB 的 MIMO 系統(tǒng)信道容量及性能分析11就是通過預編碼技術或是波束成形技術，把一個甚至多個指定方向上的能量集合起來。 （3）空間復用增益 　　　 它使用了空間中信道彼此之間的強和弱的互相關聯(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?。　MIMO 系統(tǒng)常見的幾種傳輸模式（1）單天線模式單天線模式就是傳統(tǒng)無線傳播信道，也就是理解意義上的一發(fā)一收，即單個發(fā)射天線發(fā)送數(shù)據(jù)流，經(jīng)由信道，再由單個接收天線接收。 11發(fā)射端 接收端圖 25　單天線模式（2）發(fā)射分集模式發(fā)射分集模式就是多個發(fā)射天線發(fā)出同樣的信號做復數(shù)變化，提高了系統(tǒng)的可靠性。122h 2 2h 1 1h 1 2h 2 111發(fā)射端 接收端圖 26　天線發(fā)射端口的發(fā)射分集（3）空間復用模式空間復用就是發(fā)射端的多根天線同時發(fā)送不同的信號，接收端的多根天線分別接收，提高了傳輸數(shù)據(jù)量和系統(tǒng)的有效性?；?MATLAB 的 MIMO 系統(tǒng)信道容量及性能分析12　1122發(fā)射端 接收端圖 27　空間復用模式MIMO 體系在輸入訊息的過程中，首先利用空時的處理的技術將串行比特流變換為幾個并行子數(shù)據(jù)流，然后在相同頻率下通過不同天線發(fā)送出去。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，還應該準確地估算出來信道的特色和子碼流間的干系。只有將這幾路信號聯(lián)合處理，才能將有效信息從發(fā)送子流中分離，最終轉換成串行碼輸出。它的工作原理如圖 28 所示。空時處理RXRXRX空時處理TXTXTX多徑信道圖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?！IMO 系統(tǒng)的優(yōu)點MIMO 技術利用多天線配置，充分利用時空資源，改善在衰落信道下的系統(tǒng)容量。系統(tǒng)容量[14]，它是在一定信噪比下的傳輸速率最大值，在通信系統(tǒng)的計量工作中，是一個重要的性能指標。當傳輸信道為瑞利衰落和單獨存在，MIMO 收發(fā)器是 N M，其容量可表示為式（21）: ??HzbpsMICN/detlog2?????????(21)上式中， ?是接收端收到信息的平均信噪比， ??nmhH?是信道的系數(shù)矩陣，基于 MATLAB 的 MIMO 系統(tǒng)信道容量及性能分析13其元素 nmh是其中一條路徑的衰落系數(shù)。如果 M， N很大，那么信道容量可以近似為： ????2/log,min?NMC?(22)由式（22）知，當 min{M,N}線性增大時，MIMO 體系的信道容量也會相互對應的呈線性增長的趨勢變大。基于 MATLAB 的 MIMO 系統(tǒng)信道容量及性能分析143　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。電磁波在傳播過程中有直射、反射、散射和衍射等 4 種主要的傳播方式，經(jīng)過這些傳輸路徑之后，到達接收端的接收信號和發(fā)射信號不再相同。無線通信鏈路對信息傳輸?shù)挠绊懼饕ù蟪叨人ヂ浜托〕叨人ヂ?，而大尺度衰落又包括路徑損耗和陰影衰落，小尺度衰落包括頻域選擇性衰落、時間選擇性衰落和空間選擇性衰落。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。無線通信條件下，信號傳播過程中可能會經(jīng)過很多的障礙，比如建筑物、街道、大樹以及移動的汽車等等。信號的傳播路徑大致可以分為以下 4 種，在較開闊的地區(qū)，如草原和村莊，直線傳播比較常見；反射是信號傳輸?shù)牧硗庖环N重要的方式，信號傳輸過程中往往要經(jīng)過建筑物、地面以及高山的反射；在無線通信模型中，一般不考慮折射現(xiàn)象，這是因為信號經(jīng)過障礙物的邊界時發(fā)生折射時的衰減太大的緣故；當信號碰到小的障礙物時便會分成多個方向隨機的信號即是產(chǎn)生散射現(xiàn)象?！〈蟪叨人ヂ湓撃Ｐ瓦m用于描述發(fā)送方和接收方之間的距離達到幾百或幾千米內(nèi)的信號強度的改變。一般而言，大尺度衰落表示的是接收信號的平均值在一定的時間內(nèi)隨著傳輸距離和環(huán)境的變化而展現(xiàn)出來的緩慢的變化。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?！÷窂綋p耗當發(fā)送方與接收方之間的距離在數(shù)百米或數(shù)千米的距離上變化時，不管室內(nèi)信道還是室外信道，接收信號的平均功率值都與信號經(jīng)過距離 d 的 n 次方成反比。不管收發(fā)距離取何值，大尺度的路徑損耗都可以用下面的式子表示 Error! 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