【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(shí)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(jì)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(jì)概率分布曲線 上圖反映了 MIMO 系統(tǒng)的信道容量累計(jì)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(lái)等效，相對(duì)本來(lái)單獨(dú)的單天線系統(tǒng)獲到了 RTNN 倍的分集增益，這時(shí)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(cè)合并技術(shù)的接收機(jī)，因?yàn)樵谔幚硪院螅扛炀€上的信號(hào)產(chǎn)生相異，在每根接收天線上得到的信號(hào)噪聲能量之比還是 ? ，在接收的這一端總的信號(hào)與噪聲能量比為 ?RN ，相比于原來(lái)純粹的單天線體系相比，此時(shí)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(lái)解釋 )1(log 2 ?RNC ?? (46) 對(duì)于多個(gè)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?yàn)橹灰懒?CSI，就可以在發(fā)送功率約束的條 件下，實(shí)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(shí)， 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(lái)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(gè)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(wú)線信道的基本特征類型，并對(duì)大尺度衰 落和小尺度衰落模型中的進(jìn)行詳細(xì)研究。所以說(shuō)，當(dāng)主信號(hào)分量減弱時(shí)，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(lái)的多徑分量疊加在靜態(tài)主要信號(hào)。 。 信號(hào)帶寬 多普勒擴(kuò)展 角度擴(kuò)展 標(biāo)量信道 單天線系統(tǒng) 矢量信道 角度擴(kuò)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(wú)線通信的信號(hào)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(hào)是多個(gè)路徑信號(hào)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(shí)延擴(kuò)展 平坦衰落信道 信號(hào)帶寬 相干帶寬 。角度擴(kuò)展告訴了接收信號(hào)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(shuō)信號(hào)幅值與天線的空間地位有一定的聯(lián)系。多普勒擴(kuò)展和相干時(shí)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(shí)間選擇性衰落和空間選擇性衰落。 小尺度衰落 在無(wú)線信號(hào)的傳輸過(guò)程中，因?yàn)椴煌窂降碾姶挪▊鬏數(shù)木嚯x不同，所以不同路徑的電磁波到達(dá)接收方的時(shí)間和相位都不一樣。它是由大尺度衰落模型來(lái)衡量的，統(tǒng)計(jì)特性往往服從的是對(duì)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(shí)，不管室內(nèi)信道還是室外信道，接收信號(hào)的平均功率值都與信號(hào)經(jīng)過(guò)距離 d 的 n 次方成反比。信號(hào)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(hào)傳輸?shù)牧硗庖环N重要的方式，信號(hào)傳輸過(guò)程中往往要經(jīng)過(guò)建筑物、地面以及高山的反射；在無(wú)線通信模型中，一般不考慮折射現(xiàn)象，這是因?yàn)樾盘?hào)經(jīng)過(guò)障礙物的邊界時(shí)發(fā)生折射時(shí)的衰減太大的緣故；當(dāng)信號(hào)碰到小的障礙物時(shí)便會(huì)分成多個(gè)方向隨機(jī)的信號(hào)即是產(chǎn)生散射現(xiàn)象。電磁波在傳播過(guò)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(guò)這些傳輸路徑之后，到達(dá)接收端的接收信號(hào)和發(fā)射信號(hào)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(jì)量工作中，是一個(gè)重要的性能指標(biāo)。只有將這幾路信號(hào)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(gè)發(fā)射天線發(fā)出同樣的信號(hào)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(gè)信號(hào)在多徑信號(hào)中，能夠升高接收端天線的瞬時(shí)的信號(hào)噪生比率和平均的信號(hào)噪聲比率，提升2030dB[13]的幅度。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō) 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(gè)并行的數(shù)據(jù)流，之后在多根天線上各自進(jìn)行同時(shí)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^(guò)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(diǎn)，為新一代無(wú)線通信系統(tǒng)開辟了更廣闊的前景。子幀 2 和 UpPTS 將來(lái)認(rèn)為朝上的傳輸，子幀 9 和子幀 7 將來(lái)認(rèn)為朝下的傳輸。 子 幀 0 子 幀 2 子 幀 3 子 幀 5子 幀一 個(gè) 時(shí) 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(gè) 無(wú) 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(zhǎng)能夠由系統(tǒng)配置，這三個(gè)物理量的總長(zhǎng)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(gè) 子 幀一 個(gè) 時(shí) 隙 1 5 3 6 0 0 . 5s l o t dT T m s? ? ?一 個(gè) 無(wú) 限 幀10fT m s? 圖 23 幀結(jié)構(gòu)類型 1 在同一頻道不同時(shí)隙發(fā)送和接收信號(hào)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(wú)線幀結(jié)構(gòu) 在物理層規(guī)范，時(shí)間域通常是由時(shí)間單位多表示，它被定義為時(shí)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?。?3GPP 制訂的 LTE/LTEA 技術(shù)準(zhǔn)則中， 對(duì)物理層舉行了完全的描繪 [7]， 則解釋說(shuō)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(hào) 等 [8]。 HFDD 在接收處接收信號(hào)和在發(fā)送處發(fā)送信號(hào)的方法和 TDD 類似。 TDD 能夠使用信道的對(duì)稱性，這給系統(tǒng)的信道估計(jì)的簡(jiǎn)便，信號(hào)測(cè)量和多天線技術(shù)帶來(lái)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(dú)特的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)， 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(jī)信號(hào)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(duì)來(lái)說(shuō)比較寬的頻帶分解成許多個(gè)相對(duì)較窄的子載波來(lái)并行傳輸，在相鄰子載波之間保留較大的間隔，以此來(lái)避免各個(gè)子載波之間形成的串?dāng)_ [20]。 LTE 的關(guān)鍵技術(shù) LTE 項(xiàng)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(shí)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(yùn)營(yíng)商的選擇。能夠完成高速率傳輸，語(yǔ)音業(yè)務(wù)及寬帶多媒體，無(wú)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(dú)的，繼而對(duì) MIMO 信道性能進(jìn)行模擬，這與現(xiàn)實(shí)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(lái)無(wú)線移動(dòng)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(huì)把無(wú)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(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化的學(xué)術(shù)交流活動(dòng)，積極組織國(guó)內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化工作。國(guó)際研究和標(biāo)準(zhǔn)化工作，從促進(jìn) LTE 項(xiàng)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(shí)現(xiàn)與 LTE 的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)提供參考學(xué)習(xí)。早在第二十世紀(jì)末，貝爾實(shí)驗(yàn)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(guó)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(jìn)無(wú)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(chǔ)藏的底子之上。在保持蜂窩轉(zhuǎn)移實(shí)力的同步要求， 3GPP 和 3GPP2 越來(lái)越看重低速的局部域場(chǎng)景下的進(jìn)入能力，移動(dòng)通信寬帶化的趨勢(shì)帶來(lái)了移動(dòng)通信業(yè)從傳統(tǒng)的語(yǔ)音服務(wù)擴(kuò)展到寬帶數(shù)據(jù)服務(wù)領(lǐng) 域的一個(gè)新的機(jī)會(huì)。從 2020 年以后，技能人員對(duì)更為優(yōu)越的 LTEA 系統(tǒng)舉行了更深入體系的鉆研，在本來(lái)的已經(jīng)妥帖研究 LTE 技能的根本基礎(chǔ)之上，通過(guò)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(duì)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(shí)上，更確切地說(shuō)， 4G 系統(tǒng)指的是 LTE 系統(tǒng)的 Release10。其中，第一代的移動(dòng)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(shí)現(xiàn)了可以通訊的原始要求，這是一種基于模擬的信號(hào)方式的移動(dòng)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(wú)線幀結(jié)構(gòu)關(guān)鍵技術(shù) MIMO，得出 MIMO系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn) MIMO 技術(shù)利用多天線配置，充分利用時(shí)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(wú)線通信業(yè)務(wù)的不斷發(fā)展，無(wú)線資源，特別是頻譜資源變得越來(lái)越緊張，高效地利用有限的通訊資源已經(jīng)成為了無(wú)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