【正文】 單輸入單輸出 SISO 系統(tǒng) 單輸入單輸出系統(tǒng)就是發(fā)送端只有一根發(fā)射天線同時接收端只有一根接收天線的通信系統(tǒng)。 基于 MATLAB 的 MIMO 系統(tǒng)信道容量及性能分析 23 0 5 10 15 20 25 3000 . 10 . 20 . 30 . 40 . 50 . 60 . 70 . 80 . 91信道容量（ b i t s / s / H z ）概率分布M I M O 系統(tǒng)信道容量累計概率分布曲線 , 信噪比為 10dB7 X 75 X 53 X 31 X 19 X 9 圖 43 MIMO 系統(tǒng)信道容量累計概率分布曲線 上圖反映了 MIMO 系統(tǒng)的信道容量累計分布與發(fā)射和接收天線數(shù)的變化關(guān)系。因而多天線系統(tǒng)可以用某種單天線系統(tǒng)來等效，相對本來單獨的單天線系統(tǒng)獲到了 RTNN 倍的分集增益，這時信道容量不妨用下面的等式表示 )1(lo g 2 ?RT NNC ?? (45) 如果采用非相干檢測合并技術(shù)的接收機，因為在處理以后，每根天線上的信號產(chǎn)生相異，在每根接收天線上得到的信號噪聲能量之比還是 ? ，在接收的這一端總的信號與噪聲能量比為 ?RN ，相比于原來純粹的單天線體系相比，此時等效的多天線體系得到了 RN 倍的分集增益，信道容量不妨用下面的等式來解釋 )1(log 2 ?RNC ?? (46) 對于多個天線組成的并行信道彼此正交，子信道互不干擾的正交傳輸多輸入多輸出通信系統(tǒng)。 ， 基于 MATLAB 的 MIMO 系統(tǒng)信道容量及性能分析 22 ?????? ???????? ?? HTHHNIC ?m i n2 d etlo g (43) 其中 ??det? 表示矩陣的行列式， minI 為 minmin? 階的單位矩陣， min 為 TN 和 RN中的最小值， ? 為接 收端的平均信噪比。之所以討論信道狀態(tài)信息，是因為只要知道了 CSI，就可以在發(fā)送功率約束的條 件下，實現(xiàn)互信息的最大值。 基于 MATLAB 的 MIMO 系統(tǒng)信道容量及性能分析 21 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20024681012S N R ( d B )遍歷容量（bits/s/Hz）不同系統(tǒng)的遍歷容量 1 X 12 X 11 X 22 X 2 圖 42 不同系統(tǒng)的遍歷容量 由上圖可知，在相同信噪比的條件下， MIMO 系統(tǒng)的遍歷容量最大， SIMO 系統(tǒng)的遍歷容量小于 MIMO 系統(tǒng)， MISO 系統(tǒng)的遍歷容量小于 SIMO 系統(tǒng)， SISO 系統(tǒng)的遍歷容量則最小。而當(dāng)系統(tǒng)的中斷容量相同時， MIMO 系統(tǒng)的信噪比最小， SIMO 系統(tǒng)次之， MISO 系統(tǒng)再次之， SISO 系統(tǒng)信噪比則最大。平均容量用來衡量系統(tǒng)整體意義上的信道容量性能；中斷容量，它是指系統(tǒng)能以某一較高確定概率保證信息傳輸?shù)乃俾?，定義如下： 定義：如果系統(tǒng)信道容量小于固定值 outC 的概率是一個很小的數(shù) outP ，即有 ? ?out r outP P C C??(41) 則稱 outP 為中斷概率，而稱 outC 為中斷容量。由信道容量的定義可以看出，它定義了在特定的傳輸條件下傳信率的上界。本章著重描述了無線信道的基本特征類型，并對大尺度衰 落和小尺度衰落模型中的進行詳細研究。所以說，當(dāng)主信號分量減弱時，萊斯分布轉(zhuǎn)換為瑞利分布。在這種情況下，從不同的角度而來的多徑分量疊加在靜態(tài)主要信號。 。 信號帶寬 多普勒擴展 角度擴展 標(biāo)量信道 單天線系統(tǒng) 矢量信道 角度擴展不為零的多天線系統(tǒng) 基于 MATLAB 的 MIMO 系統(tǒng)信道容量及性能分析 17 Rayleigh和 Rice 衰落 無線通信的信號在傳輸路徑上要受到各種物體的干擾和影響，最終接受端接收到的信號是多個路徑信號的疊加。 表 32 衰落信道的分類 基于參數(shù) 衰落 信道分類 滿足條件 時延擴展 平坦衰落信道 信號帶寬 相干帶寬 。角度擴展告訴了接收信號的集中能量的角度范疇，發(fā)生空 間的選擇性的衰落，也就是說信號幅值與天線的空間地位有一定的聯(lián)系。多普勒擴展和相干時間是描述信道事變性的參數(shù)。它包括了頻率選擇性衰落、時間選擇性衰落和空間選擇性衰落。 小尺度衰落 在無線信號的傳輸過程中，因為不同路徑的電磁波傳輸?shù)木嚯x不同，所以不同路徑的電磁波到達接收方的時間和相位都不一樣。它是由大尺度衰落模型來衡量的，統(tǒng)計特性往往服從的是對數(shù)正態(tài)分布。在自由空間條件下， n 的值取為 2。 路徑損耗 當(dāng)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。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(dāng)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。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。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(biāo)。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(zhuǎn)換成串行碼輸出。 11 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(fù)數(shù)變化，提高了系統(tǒng)的可靠性。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。簡單來說 MIMO 技術(shù)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。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。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。 子 幀 0 子 幀 2 子 幀 3 子 幀 5子 幀一 個 時 隙 15360slo t dTT?半 幀153600 5dT m s?子 幀 4 子 幀 7 子 幀 9子 幀 830720 dT一 個 無 線 幀30 72 00 10fdT T m s??30720 dTD 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(jié)構(gòu)類型 2（切換周期為 5ms） 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基于 MATLAB 的 MIMO 系統(tǒng)信道容量及性能分析 10 1 毫秒。 基于 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 1 5 3 6 0 0 . 5s l o t dT T m s? ? ?一 個 無 限 幀10fT m s? 圖 23 幀結(jié)構(gòu)類型 1 在同一頻道不同時隙發(fā)送和接收信號的 FDD 模式。 幀結(jié)構(gòu)類型 1 幀構(gòu)造范例 1 用于全雙工和半雙工的 FDD 模式。 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]。 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Ｔ?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]。 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。 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。 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。同時， LTE還考慮支持半雙工 FDD(Halfduplex FDD, HFDD)這種特殊的雙工方式。 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。 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]。 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。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)。 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。每每假如傳輸信道是單獨的，繼而對 MIMO 信道性能進行模擬，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。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。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。國際研究和標(biāo)準(zhǔn)化工作，從促進 LTE 項目的開發(fā)，或用于 LTE 的技術(shù)指標(biāo)，或 LTE 認證設(shè)備可以實現(xiàn)與 LTE 的經(jīng)驗教訓(xùn)提供參考學(xué)習(xí)。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。先進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。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。從 2020 年以后，技能人員對更為優(yōu)越的 LTEA 系統(tǒng)舉行了更深入體系的鉆研，在本來的已經(jīng)妥帖研究 LTE 技能的根本基礎(chǔ)之上，通過添加一些先進的通信技術(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。事實上，更確切地說， 4G 系統(tǒng)指的是 LTE 系統(tǒng)的 Release10。其中，第一代的移動通訊系統(tǒng) (也就是 1G)產(chǎn)生在二十世紀(jì)八十年代，僅僅實現(xiàn)了可以通訊的原始要求，這是一種基于模擬的信號方式的移動通信體制。文章詳盡描述了瑞利衰落信道模型和萊斯衰落信道模型。第 2章主要講述了 LTE 的關(guān)鍵技術(shù)和工作方式，無線幀結(jié)構(gòu)關(guān)鍵技術(shù) MIMO，得出 MIMO系統(tǒng)的優(yōu)點 MIMO 技術(shù)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。隨著各種寬帶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和無線通信業(yè)務(wù)的不斷發(fā)展，無線資源，特別是頻譜資源變得越來越緊張，高效地利用有限的通訊資源已經(jīng)成為了無線通信技術(shù)發(fā)展的關(guān)注所在。 關(guān)鍵字：多輸入多輸出；衰落 II ABSTRACT MIMO(MultipleInput MultipleOutput)technology is one of the key technologies to realize the highspeed broadband wireless munication in the future， with a broad application prospect ． However, pared to the conventional singleantenna munication system， the multiantenna applicat