【正文】 30 I 摘要 近年來，隨著無線通信的迅猛發(fā)展，多輸入多輸出 (Multiple． Input Multiple． Output， MIMO)技術(shù)已逐漸成為核心技能之一。不過，在現(xiàn)實(shí)通訊情況中MIMO 的通訊機(jī)能長受到無線信道衰落特色的影響，是以 MIMO 的大范圍使用仍面臨 著大批尚待解決的問題。 LTE 物理層的 MIMO 技術(shù)使了用空間的自由度，在發(fā)射端和接收端采納多天線技術(shù)，充分發(fā)掘了潛在的空間資源，能夠在不增添頻率資源和天線發(fā)射功率的條件下，成倍的升高系統(tǒng)的頻帶利用率和吞吐量。對(duì) MIMO 體系的信道容量進(jìn)行了剖析和計(jì)算機(jī)仿真，在理論角度上推導(dǎo)和剖析對(duì)比了 SISO、 SIMO、 MISO、 MIMO 系統(tǒng)信道容量表達(dá)式，這個(gè)推導(dǎo)的過程是在在慢衰落瑞利信道條 件下進(jìn)行的。 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 application of MIMO encounters with a large number of issues to be examined． The performance of MIMO munication depends largely on the fade characteristics of the radio channels． Hence， researches on the modeling of the wireless MIMO fading channel and the simulation technology ale needed in order to facilitate the development of the wireless MIMO munication techniques． The MIMO technology of LTE physical layer use the spatial degrees of freedom, and utilize the multi antenna technology at transmitting end and receiving end, fully exploit the space resources, could increase the system bandwidth utilization and throughput doubled in the case of doesn’t increase the frequency and antenna transmit power. This paper studied the MIMO technology of 4G LTE physical layer, including the work structure, key technology and frame structure of LTE system. In this paper, the channel capacity of MIMO system is analyzed and simulated, SISO, SIMO, MISO, MIMO system channel capacity expressions under conditions of the slow fading Rayleigh channel are derived and be analyzed and pared. We also analyzed the basic characteristics and the multipath effect of wireless channel。 deduced the Ricean channel model and Rayleigh channel model using conditions。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。 第 1 章設(shè)置為緒論，主要陳述了 LTE 的研究背景及 MIMO 是研究意義。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(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。無論信號(hào)帶寬為多少，本地區(qū)域的平均信號(hào)電平都是不變的。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 5 章致謝。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。 3G 移動(dòng)通信系統(tǒng)是一種創(chuàng)新，這種創(chuàng) 新具有寬帶高速移動(dòng)通信的世界。事實(shí)上，更確切地說， 4G 系統(tǒng)指的是 LTE 系統(tǒng)的 Release10。 3GPP (3rd Generation Partner Project)機(jī)構(gòu)，全稱為第三代合作伙伴計(jì)劃，根本掌管促成 LTE 項(xiàng)目（通用移動(dòng)通訊體系技術(shù)的長期演進(jìn)項(xiàng)目）。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(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。 LTE 的研究背景 在低層面上，為了對(duì)付 WIMAX 標(biāo)準(zhǔn)的市場(chǎng)之間的競(jìng)爭，在高層面上，為了融合寬帶無線接入與移動(dòng)通訊， 3GPP 驅(qū)動(dòng)了 LTE 項(xiàng)目。在保持蜂窩轉(zhuǎn)移實(shí)力的同步要求， 3GPP 和 3GPP2 越來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)帶來了移動(dòng)通信業(yè)從傳統(tǒng)的語音服務(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)。 在 LTE 項(xiàng)目的推出是對(duì)移動(dòng)通信的寬帶行業(yè)的共識(shí)。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(chǔ)藏的底子之上。 OFDM 和 MIMO技術(shù)一直被認(rèn)為是 B3G/4G 的關(guān)鍵技術(shù)。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)，在美國北部，在 MIMO技術(shù)的研究和開發(fā)一直處于領(lǐng)先地位。 2020 年，F(xiàn)larion 公司研發(fā)了 FlashOFDM 系統(tǒng)，經(jīng)歷商用組網(wǎng)測(cè)試初步考證了 OFDM 系統(tǒng)具有大規(guī)模組網(wǎng)本領(lǐng)。國際研究和標(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)。在“十五”期間，以高校為主的國家的“ 863”計(jì)劃在未來的大學(xué)為基礎(chǔ)的國家已表現(xiàn)出對(duì)中國 B3G 關(guān)鍵技術(shù)的研究實(shí)現(xiàn)。在隨訪中，國際標(biāo)準(zhǔn)化的學(xué)術(shù)交流活動(dòng)，積極組織國內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化工作。我國的一些單位還參與了歐洲 winner 項(xiàng)目，并且承擔(dān)了部分的研究工作 [4]。未來無線移動(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)把無線通信的傳輸容 量和速率提高十倍乃至數(shù)百倍。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。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。 論文的主要工作和貢獻(xiàn) 本文重點(diǎn)研究 LTEA 系統(tǒng)中的 MIMO 信道容量，文中對(duì) MIMO 系統(tǒng)的信道容量進(jìn)行分析和計(jì)算機(jī)仿真，在理論角度上推導(dǎo)和剖析對(duì)比了 SISO、 SIMO、 MISO、 MIMO系統(tǒng)信道容量表達(dá)式，這個(gè)推導(dǎo)的過程是在在慢衰落瑞利信道條件下進(jìn)行的。 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。 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)。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)。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]。 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)營商的選擇。 （ 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。 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)來說比較寬的頻帶分解成許多個(gè)相對(duì)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(gè)子載波之間形成的串?dāng)_ [20]。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。 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。 碼 字 解 調(diào)解 擾解資源粒子映射信 道 估 計(jì)O F D M解 調(diào)并串變換MIMO檢測(cè)O F D M解 調(diào) 圖 21 LTE 下行鏈路接受端信號(hào)處理示意框圖 LTE 的工作方式 定義 LTE 項(xiàng)目為 3G 技術(shù)的演進(jìn)，按照 3GPP 的要求， LTE 既要支持在成對(duì)頻譜中的部署，又要支持在非成對(duì)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?dòng)通訊體系退出網(wǎng)絡(luò)后，它可以重復(fù)使用留出的頻段。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。為了避免干擾之間的上行鏈路和下行鏈路信號(hào)。 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)。 TDD 雙工方式的信號(hào)能夠在不是成對(duì)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(diǎn)。 TDD 能夠使用信道的對(duì)稱性，這給系統(tǒng)的信道估計(jì)的簡便，信號(hào)測(cè)量和多天線技術(shù)帶來了益處。 HFDD 雙工方式 HFDD 是相對(duì)于現(xiàn)有的 FDD 而言的另一種雙工方式。 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。首先，從能帶結(jié)構(gòu)的角度來看，因?yàn)楹芏嗔闼榈念l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(jià)格相對(duì)較低；再次，對(duì)于一些業(yè)務(wù)，數(shù)據(jù)傳輸速率相對(duì)較低， HFDD 方式可以減少功率損耗，延長電池的使用時(shí)間。在 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]。 LTE 無線接口是指用戶與網(wǎng)絡(luò)之間的接口，包括三個(gè)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(diǎn)之間的不同的層或?qū)?(SAPs， Service Access Points)。 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? 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)。 無線幀結(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]。 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(shí)間差，資源是不連續(xù)的，有必要引入保護(hù)間隔避免上下之間的干擾。 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。每個(gè)子幀由兩個(gè)連續(xù)的時(shí)隙組成，即子幀 i 包括第 2i 和第 21i? 時(shí)隙。 基于 MATLAB 的 MIMO 系統(tǒng)信道容量及性能分析 9 1 3 2 4