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基于matlab的mimo系統(tǒng)信道容量及性能分析畢業(yè)論文-閱讀頁(yè)

2024-09-16 15:22本頁(yè)面
  

【正文】 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(lèi)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(lèi)型 2 如圖 24 所示,幀結(jié)構(gòu)類(lèi)型 2 適用于 TDD 模式。 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(xiàn) 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(lèi)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。 當(dāng)切換周期為 5ms 時(shí),子幀 子幀 7 和 UpPTS 將用來(lái)進(jìn)行上行傳輸。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。 LTE 的關(guān)鍵技術(shù) MIMO MIMO 是 LTE 的關(guān)鍵技術(shù)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。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(xiàn)通信系統(tǒng)開(kāi)辟了更廣闊的前景。介紹了 MIMO 系統(tǒng)的 MIMO 結(jié)構(gòu)。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(xiàn)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(xiàn)的總共發(fā)射功率保持不變。 ( 1)分集增益 多徑衰落信道的傳輸?shù)目煽啃钥梢酝ㄟ^(guò)由每個(gè)天線(xiàn)的空間分集改善。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(xiàn)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。 ( 3)空間復(fù)用增益 它使用了空間中信道彼此之間的強(qiáng)和弱的互相關(guān)聯(lián)性,同時(shí)傳輸有差別的信號(hào)數(shù)據(jù)流分別在多個(gè)彼此獨(dú)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摺? 11 圖 25 單天線(xiàn)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(xiàn)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。 發(fā)射端 發(fā)射端 接收端 接收端 基于 MATLAB 的 MIMO 系統(tǒng)信道容量及性能分析 12 1122 圖 27 空間復(fù)用模式 MIMO 體系在輸入訊息的過(guò)程中,首先利用空時(shí)的處理的技術(shù)將串行比特流變換為幾個(gè)并行子數(shù)據(jù)流,然后在相同頻率下通過(guò)不同天線(xiàn)發(fā)送出去。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。 圖 28 MIMO系統(tǒng)的原理圖 恰是基于 MIMO 體系通道能夠?yàn)槎鄶?shù)并行子通道的突出特點(diǎn),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。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)。 如果 M , N 很大,那么信道容量可以近似為: ? ? ? ?2/lo g,m in 2 ?NMC ? (22) 由式( 22)知,當(dāng) min{M,N}線(xiàn)性增大時(shí), MIMO 體系的信道容量也會(huì)相互對(duì)應(yīng)的呈線(xiàn)性增長(zhǎng)的趨勢(shì)變大。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。這些衰落并非獨(dú)立的,大尺度衰落和小尺度衰落往往是同時(shí)存在的。信號(hào)的傳播路徑大致可以分為以下 4 種,在較開(kāi)闊的地區(qū),如草原和村莊,直線(xiàn)傳播比較常見(jiàn);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(xiàn)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。一般而言,大尺度衰落表示的是接收信號(hào)的平均值在一定的時(shí)間 內(nèi)隨著傳輸距離和環(huán)境的變化而展現(xiàn)出來(lái)的緩慢的變化。 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。 。在自由空間條件下, n 的值取為 2。式 (31)中的上劃線(xiàn)的含義是對(duì)于給定的 d 的全部可能路徑損耗的綜合平均值。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。經(jīng)測(cè)試可知,對(duì)于隨意的 d,特定位置的路徑損耗的統(tǒng)計(jì)特性將服從隨機(jī)正態(tài)分布。 小尺度衰落 在無(wú)線(xiàn)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。如果發(fā)送方和接收方的距離在小尺度上變化能引起接收信號(hào)功率的劇烈變化,這種現(xiàn)象被稱(chēng)作小尺度衰落。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。 時(shí)間選擇性衰落 無(wú)線(xiàn)通信中發(fā)射方和接收 方的相對(duì)運(yùn)動(dòng)或無(wú)線(xiàn)信道中其它物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致無(wú)線(xiàn)通信信道具有時(shí)變性。多普勒擴(kuò)展和相干時(shí)間是描述信道事變性的參數(shù)。多徑信號(hào)到天線(xiàn)陣列的到達(dá)的角度的擴(kuò)展變寬稱(chēng)之為接收機(jī)的角度擴(kuò)展。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(xiàn)的空間地位有一定的聯(lián)系。較短的相干距離,角度擴(kuò)展越大,相反,較長(zhǎng)的相干距離,角基于 MATLAB 的 MIMO 系統(tǒng)信道容量及性能分析 16 度擴(kuò)展越小。 表 32 衰落信道的分類(lèi) 基于參數(shù) 衰落 信道分類(lèi) 滿(mǎn)足條件 時(shí)延擴(kuò)展 平坦衰落信道 信號(hào)帶寬 相干帶寬 。 信號(hào)周期 時(shí)延擴(kuò)展 多普勒擴(kuò)展 快衰落信道 信號(hào)周期 相干時(shí)間 。 信號(hào)帶寬 多普勒擴(kuò)展 角度擴(kuò)展 標(biāo)量信道 單天線(xiàn)系統(tǒng) 矢量信道 角度擴(kuò)展不為零的多天線(xiàn)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(xiàn)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。 1 , . . . ,pqjp q p q r tH r e p M q M?? ??? ? ?? ? (33) pqr 代表信道增益; pq? 代表相位,假設(shè)相位服從 ? ?,??? 上的均勻分布,由于幅度分布的不同,信道又可以劃分服從不相同的衰落分布,比如萊斯衰落分布和銳利衰落分布 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 。瑞利分布的概率密度函數(shù) : ? ? 222e x p 02rrp r r????? ? ?????? ?????(34) 公式中, ? 是接收機(jī)接收到的電壓信號(hào)的 RMS 值, 2? 即是接 收信號(hào)的平均功率。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)。主要的信號(hào)到來(lái)是伴隨著許多薄弱的多徑信號(hào),形成萊斯分布。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。 基于 MATLAB 的 MIMO 系統(tǒng)信道容量及性能分析 18 本章小結(jié) 小尺度衰落影響著本地區(qū)域接收機(jī)天線(xiàn)上的時(shí)延和信號(hào)電平動(dòng)態(tài)衰落范圍。本章著重描述了無(wú)線(xiàn)信道的基本特征類(lèi)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。 基于 MATLAB 的 MIMO 系統(tǒng)信道容量及性能分析 19 4 MIMO 信道建模 信道容量是無(wú)線(xiàn)信道中一個(gè)非常重要的性能指標(biāo),也是評(píng)價(jià) MIMO 信道模型好壞的一個(gè)參考指標(biāo),所以研究 MIMO 信道,信道容量也同樣重要。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。 信道容量的分類(lèi) 受傳輸環(huán)境的多徑效應(yīng)和時(shí)變性的影響,無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的信道容量不是一個(gè)定值,而是成為隨機(jī)變量。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(chēng) outP 為中斷概率,而稱(chēng) outC 為中斷容量。這句話(huà)的意思是說(shuō),無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)信道容量大于 outC 的概率為 1 outP? ,信道容量小于 outC 的概率為 outP ,所以說(shuō)中斷概率 outP 和中斷容量 outC 是一一對(duì)應(yīng)的。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。發(fā)送方通過(guò)在特定的功率約束條件下對(duì)信道輸入?yún)f(xié)方差矩陣進(jìn)項(xiàng)優(yōu)化可以使系統(tǒng)達(dá)到遍歷容量。 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。 發(fā)送端未知信道 CSI 時(shí) MIMO 信道容量 通常情況下,發(fā)送方的情況比較復(fù)雜,不能夠通過(guò)信道估計(jì)還獲得信道的狀態(tài)消息,而接收端則可以獲得。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。 在接收端可以獲得信道的狀態(tài)信息且信道為獨(dú)立同分布的瑞利衰落信道時(shí),在發(fā)送端對(duì)發(fā)送功率進(jìn)行等功率分配發(fā)。 , 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。 21 l o g 1 /mii rC b p s H zN? ?? ??? ? ????????(44) 信道的特征數(shù)值用 i? 表示。因而多天線(xiàn)系統(tǒng)可以用某種單天線(xiàn)系統(tǒng)來(lái)等效,相對(duì)本來(lái)單獨(dú)的單天線(xiàn)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?,每根天線(xiàn)上的信號(hào)產(chǎn)生相異,在每根接收天線(xiàn)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(xiàn)體系相比,此時(shí)等效的多天線(xiàn)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(xiàn)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)。此時(shí),信道矩陣為: LILH? , LI為 LL? 階的單位陣, L 是為了做歸一化處理而引入的系數(shù)。 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(xiàn) , 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(xiàn) 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(xiàn)數(shù)的變化關(guān)系。 SISO、 SIMO 和 MISO 信道容量 本節(jié)論述 MIMO 系統(tǒng)的幾種特殊情況 ,包含了 SISO 系統(tǒng), MISO 系統(tǒng)和 SIMO系統(tǒng)。 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(xiàn)同時(shí)接收端只有一根接收天線(xiàn)的
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