【正文】 、工程設計圖紙 47四、源程序 49 56 前 言隨著無線通信的發(fā)展，人們已經(jīng)基本實現(xiàn)了三個“W”（Wherever, Whenever, Whoever，即能夠?qū)崿F(xiàn)用戶在任意地點，任意時間，與任意用戶進行即時通信）。并且如何才能在復雜惡劣的信道環(huán)境（多徑衰落與多普勒頻移等問題）和有限的帶寬下提高傳輸質(zhì)量和速率，變?yōu)榱藷o線通信技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵點。其中空間分集是使用天線陣列，利用“空間”資源，在不可靠的無線鏈路中實現(xiàn)可靠通信的分集技術(shù)。眾所周知，新技術(shù)不能再在頻域上增加負擔，而空時編碼和空間分集相結(jié)合的技術(shù)（MIMO技術(shù)）就是在不占用額外頻譜資源的前提下，將信號在信道傳輸過程中的不利因素變?yōu)橛欣蛩亍６铱偟膩碚f，它并沒有在原來的系統(tǒng)上做太大的變化，只是在空中接口的地方進行了小的改進。目前對MIMO技術(shù)的研究主要分為四個方面：MIMO信道的建模與測量，MIMO信道容量的分析，基于MIMO的空時編碼與解碼，對MIMO接收機的研究，如信道估計問題。第一章主要是對MIMO通信系統(tǒng)的概述，在簡要介紹了MIMO的發(fā)展、現(xiàn)狀和趨勢后，詳細介紹了MIMO技術(shù)應用到的兩個核心思想：陣列天線技術(shù)與空時編碼技術(shù)。第二章主要介紹了本論文使用的仿真工具：MATLAB/Simulink。通過簡單介紹該仿真工具，為后面的仿真打下基礎(chǔ)，后面在使用到該工具時將不再贅述。第四章首先詳細介紹了空時分組編碼與解碼，然后給出在不同調(diào)制下MIMO通信系統(tǒng)的仿真?？偨Y(jié)中將會指出本次對MIMO通信系統(tǒng)研究具有的局限性和應該如何進一步對MIMO技術(shù)深入研究，并總結(jié)MIMO技術(shù)巨大的發(fā)展前景。隨后MIMO技術(shù)的信道容量計算在1995年被提出，然后第二年就有學者提出了對角BLAST算法。在接下來的第三代和第四代移動通信系統(tǒng)中，MIMO技術(shù)被多個通信標準所采用。二、現(xiàn)狀由于其具有很大的發(fā)展前景，MIMO通信系統(tǒng)已經(jīng)應用到了多個未來無線通信系統(tǒng)的標準中（尤其是無線局域網(wǎng)和蜂窩網(wǎng)），（3rd Generation Partnerhsip Project）標準。，能夠使用多天線使用戶的信息高速傳輸。寬帶碼分多址的3GPP技術(shù)的第七版和第八版（LTE）都采用了MIMO配置，使其能夠更好地應對多徑效應，獲得更高的頻譜利用效率：第七版采用了21和42的MIMO構(gòu)造，第八版采用了22和44的MIMO構(gòu)造。 各種MIMO結(jié)構(gòu)的峰值數(shù)據(jù)速率(M,N)技術(shù)碼速調(diào)制方式速率/子數(shù)據(jù)流子數(shù)據(jù)流數(shù)量數(shù)據(jù)速率(1,1)傳統(tǒng)3/464QAM540kbps20(2,2)MIMO3/416QAM360kbps40(2,2)MIMO3/4QPSK180kbps80(4,4)MIMO1/28PSK540kbps80硬件方面：于2003年，世界上第一個集成了MIMO技術(shù)的芯片組AGN100被批量生產(chǎn)，隨后由于MIMO技術(shù)在第三代與第四代移動通信系統(tǒng)中的普及，大量融合了MIMO技術(shù)的移動終端將被批量生產(chǎn)，并以驚人的速度更新?lián)Q代。1．天線的數(shù)量和間距為了使陣列天線的各個陣元接收信號不相關(guān)，天線數(shù)量和間距都會影響到傳輸速率的提高。首先由于使用了多天線，為了消除空間產(chǎn)生的干擾就需要加入更加復雜的信號檢測裝置。由于MIMO的性能受到很多參數(shù)的影響，所以根據(jù)用戶不同的環(huán)境需要使用不同的信道模型，才能使研究人員的仿真結(jié)果具有參考性，實現(xiàn)最大限度地接近實際應用。不過至今ITU都還沒有出臺系統(tǒng)全面的MIMO信道模型適用標準信道狀態(tài)信息（CSI）能否及時準確地發(fā)送給發(fā)射機，直接影響到該系統(tǒng)是否能夠適應環(huán)境的變化從而保證信息保質(zhì)保量地傳輸。除了這些問題，還有一些實際問題需要考慮，例如天線陣元之間的相關(guān)度、較高的頻譜偏移等。全世界許多機構(gòu)和公司（主要位于歐洲與北美）正不斷對MIMO技術(shù)進行著更加深入的探索?？傊磥鞰IMO技術(shù)必將在各個領(lǐng)域中大展拳腳。傳統(tǒng)的無線通信系統(tǒng)是使用單天線，即利用單輸入單輸出（Single Input Single Output, SISO）技術(shù)。隨著移動通信的普及，通信系統(tǒng)的傳統(tǒng)天線逐漸被智能天線代替。智能天線的出現(xiàn)打破了傳統(tǒng)天線在信道容量的瓶頸，能夠使信道容量隨著天線數(shù)目的增長呈現(xiàn)指數(shù)增長。而MIMOMU（多用戶多輸入多輸出）的出現(xiàn)更是極大地增加了頻譜資源的使用效率。所謂的衰落，就是指由于復雜的信道環(huán)境，信號強度出現(xiàn)隨機波動，從而引起傳輸誤比特率增加。接收發(fā)射Y1S1信道空時編碼空時譯碼S2Y2信源信宿SnYm MIMO通信系統(tǒng)原理圖如果將天線S1與Y1間距離設為，Sn與Ym間距離設為，則對于44的MIMO通信系統(tǒng)可以得到傳輸矩陣H： （12） 設發(fā)送信號為X， n為加性噪聲，則接收信號Y就可以表示為： （13）MIMO通信系統(tǒng)中的發(fā)送端可以分為M個數(shù)據(jù)流（M是小于等于發(fā)送端與接收端中最小的天線數(shù)），且這些數(shù)據(jù)流相互獨立。在第三章第一節(jié)我們將詳細分析計算信道容量的方法，并通過仿真的方法研究不同天線數(shù)下MIMO通信系統(tǒng)的信道容量有何變化。空時編碼技術(shù)最早是為了研究陣列天線的信道容量而提出來的?？諘r編碼系統(tǒng)的工作步驟：設發(fā)射與接收天線數(shù)分別為n與m，即一個nm的MIMO通信系統(tǒng)，信號在發(fā)射前先經(jīng)過信道編碼器進行編碼，然后經(jīng)過串并轉(zhuǎn)換器分成幾個相同碼元的數(shù)據(jù)流，所有數(shù)據(jù)流分開調(diào)制然后發(fā)射出去，同時發(fā)射的信號被稱為是空時碼元（SpaceTime Symbol）[2] 。 空時編碼系統(tǒng)的基本模型因為空時編碼技術(shù)在實驗研究過程中出色的表現(xiàn)，被通信界認為是最具有潛力的技術(shù)之一，已經(jīng)被納入了3G標準(CDMA2000與WCDMA)中。這三種編碼方式各有優(yōu)劣之處，并且隨著研究的不斷加深每種編碼都逐漸成熟復雜[2] ，這里不再一一詳細論述。本文第四章將會對空時分組碼進行詳細分析，并且采用正交空時分組編碼對MIMO通信系統(tǒng)進行Simulink仿真。在一個周期發(fā)射出去的信號，可以用具有個元素的列矩陣X表示。X1r1r2X2空時編碼器 空時譯碼器 rnRXnT 簡要MIMO通信系統(tǒng)示意圖由于在建模時選用了瑞利衰落信道模型，所以根據(jù)第一章第四節(jié)我們可以知道X是服從于獨立高斯分布的零均值變量，將發(fā)射信號用協(xié)方差矩陣來表示，就有： （15）其中表示取均值，AH是A的復共軛轉(zhuǎn)置矩陣。如果將從第j根發(fā)射天線傳輸?shù)降趇根接收天線的信道衰落系數(shù)組成一個矩陣H，每個元素用 表示，則可以得到可以表述信道衰落特性的的復矩陣。由于衰落系數(shù)是隨機數(shù)，那么我們就可以用期望的形式來表示有確定系數(shù)的矩陣H中的元素為： （1 8）由于發(fā)射端的不確定性，所以我們需要通過對接收到的信號進行計算，估計出信道矩陣，再發(fā)射信道狀態(tài)信息（CSI）來調(diào)整發(fā)射端的發(fā)射狀態(tài)。由于在非視距無線傳播(NLOS)中，瑞利衰落模型更具有代表性，所以在本次研究中，信道矩陣選用瑞利分布。如果用1的列矩陣n來表示接收到的噪聲，則其元素是服從獨立的零均值高斯分布，則用協(xié)方差矩陣表示噪聲[4] ： （19）若假設n個元素間無相關(guān)性，且每個接收天線的噪聲功率都相等，那么該協(xié)方差矩陣可以表示為： （110） 其中表示接收天線接收到的噪聲功率。設每根接收天線接收的平均功率為，則每個接收天線的平均信噪比為： （111） 如果我們認為每個接收天線的總功率都等于總發(fā)射功率，那么接收天線的平均信噪比就是總發(fā)射功率與接收天線噪聲功率之比，即： （112）用1的列矩陣r 來表示接收信號，每個復元素都表示該接收天線，則有： （113）則接收信號的協(xié)方差矩陣可以表示為： （114）總接收信號的功率為。所以要想找到適合MIMO通信系統(tǒng)信道的模型就要先了解無線信道的特性。而在使用陣列天線的MIMO通信系統(tǒng)中，信道模型就復雜了許多，確定型與隨機型的建模方法有很大出入。簡單來講，這種信道模型用h（t,）來表示信道的脈沖響應，t表示時間，表示時延，表示接收端到達角，表示發(fā)射端的離開角。 無線信道：h（t,）傳播信道h（t,）發(fā)射端接收端 雙向傳輸信道的模型對于MIMO通信系統(tǒng)信道如何建模的問題，一直都值得學者們深入研究，但由于本論文的重點不在此，所以將不會花費大量的篇幅對如何為不同環(huán)境下MIMO通信系統(tǒng)信道建立合適模型的問題進行研究，感興趣者可以自己查詢相關(guān)資料，這里只會對后面仿真所需要的瑞利衰落信道建模問題進行研究。大尺度模型一般用于收發(fā)間距達到幾百上千米的情況，而相對應的小尺度模型一般適用于距離短信號變化小的情況。在建立數(shù)學模型時，我們設有一個等效低通信號，經(jīng)過了L條路徑傳輸?shù)浇邮斩?接收信號為x(t)，則我們可以表示為： （116）若設復乘系數(shù)為： （117）當收發(fā)間的多徑數(shù)超過了6條時，則根據(jù)中心極限定理可以知道與近似于高斯隨機過程，a(t)是一個零均值復高斯隨機變量，所以接收信號可以表示為： （118）我們對與進行采樣，可以得到分別為與的采樣值，并且采樣值都服從高斯隨機變量。所以在研究實際信道時，瑞利衰落信道模型大多適合于發(fā)送端與接收端間存在許多障礙（或者說兩端間沒有直接到達的信號）的情況，其中一個隨機變量服從瑞利分布，它的平均功率為： （123） （124）令P為1，則可以得到歸一化的平均功率： （125）當存在一條路徑是從發(fā)送端直接傳到接收端時，將不能使用瑞利信道模型，而改用萊斯信道模型，在此不作詳細推導。相信MIMO技術(shù)會吸引越來越多優(yōu)秀的研究者，解決目前存在的問題，使其更加完美。然后詳細介紹了MIMO通信系統(tǒng)的建模與MIMO通信系統(tǒng)信道建模，這是MIMO通信系統(tǒng)的研究基礎(chǔ)和后面仿真工作的理論來源。MATLAB為通信系統(tǒng)仿真，尤其是通信系統(tǒng)的鏈路仿真，提供了非常豐富的資源和強大的功能模塊，許多常見的通信系統(tǒng)鏈路仿真都能夠通過幾個MATLAB通信工具箱中的模塊或者Simulink通信模塊（Comm）來實現(xiàn)，節(jié)省工作人員很多時間和精力[8] 。利用MATLAB仿真共有兩種方法：一種是利用MATLAB中通信函數(shù)進行數(shù)據(jù)流仿真，另一種是用Simulink模型庫進行動態(tài)流仿真。MATLAB的通信工具箱和Simulink的通信模塊集的功能很強大，下面將會從通信系統(tǒng)的基本模型出發(fā)，針對通信鏈路的基本功能模塊進行介紹。用仿真進行研究的步驟大致為：首先應根據(jù)研究的系統(tǒng)建立數(shù)學模型，在模型的基礎(chǔ)上進行計算機仿真，對仿真的結(jié)果進行分析，最后根據(jù)結(jié)論和推理對實驗系統(tǒng)進行優(yōu)化。糾 錯 編 碼信 源 編 碼多址接入發(fā)送濾波器調(diào)制信源其他信源信道其他信宿信源譯碼糾錯譯碼解調(diào)多址接入信宿接收濾波器演示應用技巧同步教程 通信系統(tǒng)仿真模型流程第三節(jié) Simulink仿真概述Simulink是用于在MATLAB下建立系統(tǒng)框圖和仿真的環(huán)境，是實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真以及分析的一個集成環(huán)境，它既可以用于計算機仿真，也可以將一系列的復雜的模塊按照要求進行連接，從而構(gòu)成更加復雜的系統(tǒng)鏈路模型。利用Simulink仿真模塊可以對通信系統(tǒng)進行誤碼率的計算、同步電路仿真、擴頻通信系統(tǒng)模型仿真、碼分多址通信系統(tǒng)仿真等等。就是說研究者可以直接使用MATLAB的工具對Simulink進行優(yōu)化。 Simulink3模塊庫界面 Simulink模塊庫界面第四節(jié) Simulink通信工具箱仿真模塊與S函數(shù)一、通信工具箱模塊是Simulink仿真的基本元素，如果想要掌握Simulink，就必須了解模塊的性質(zhì)。Toolboxes Library）：許多工具箱模塊的集合，包括附加信宿、附加離散庫、附加線性模塊、傳送模塊、觸發(fā)器模塊、線性模塊。二、S函數(shù)MATLAB之所以強大而且受到廣大用戶的歡迎很大部分原因是它的開放性。S函數(shù)就是為了修改和編寫源文件而存在的。當仿真框圖建立好后，Simulink就會根據(jù)該框圖生成一個S函數(shù)，能夠作為一個模塊直接使用。每個Simulink模塊都有三個基本參量：輸入u、輸出y和狀態(tài)x。三者的數(shù)學關(guān)系如下[9] ：