MIMO無線信道仿真分析

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1、·南京郵電大學(xué)專業(yè)學(xué)位碩士研究生學(xué)位論文第一章緒論第一章緒論移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展可謂日新月異，從1G、2G、3G，直到最近剛剛?cè)〉门普盏?G技術(shù)，可以說移動(dòng)通信正不斷與我們平日的生活息息相關(guān)。隨著移動(dòng)通信的無線接入需求的廣泛應(yīng)用，未來將會(huì)需要更大，更快，更強(qiáng)的寬帶通信系統(tǒng)。1.1MIMO系統(tǒng)的研究背景與意義在過去，無線通信的系統(tǒng)配置為，發(fā)射端與接收端的部分各配置一根天線。這種單天線系統(tǒng)成為單輸入單輸出（SingleInputSingleOutput,SISO）系統(tǒng)。對(duì)于SISO系統(tǒng)，C.E.Shannon提出了香農(nóng)定理，這個(gè)定理幫助我們能夠方便地計(jì)算出信道容量，即：WC??+S?2è

2、N?其中W為帶寬，SN為接收端的SNR。用W歸一化后，得到寬帶的使用率h??+S?=log1÷2èN?，上式給出了在有噪聲的一般條件下，能夠進(jìn)行可靠通信的上限速度。一般說來，要提高移動(dòng)通信的信道容量，設(shè)置更多的基站是比較普遍的方法之一，還有就是讓頻譜更加有效地加以利用。但設(shè)置更多的基站就要增加更多的蜂窩小區(qū)，付出的成本頗高。有些專家提出采用分集技術(shù)，可以對(duì)頻譜的使用率進(jìn)行顯著的提高。單輸入多輸出（SingleInputMultipleOutput,SIMO）系統(tǒng)則在接收端設(shè)置了多條天線進(jìn)行分集接收，并利用最大合并比在一定程度上優(yōu)化了SNR。而多輸入單輸出（MultipleInput

3、SingleOutput,MISO）的系統(tǒng)，則是在發(fā)射端設(shè)置多條天線，這樣的信道在未知信道狀態(tài)的條件下，發(fā)射天線的功率便只能平均分配到每一根天線上，從而不能采用波束形成技術(shù)和自適應(yīng)分配發(fā)射功率，對(duì)于信道容量沒有實(shí)質(zhì)性的改善。隨著技術(shù)不斷發(fā)展，SIMO系統(tǒng)和MISO系統(tǒng)逐漸合二為一，成了現(xiàn)在應(yīng)用非常廣泛的MIMO技術(shù)。所謂MIMO技術(shù)，即是在發(fā)射端與接收端均使用多根天線的系統(tǒng)。圖1.1為其系統(tǒng)原理圖。···2萬方數(shù)據(jù)···南京郵電大學(xué)專業(yè)學(xué)位碩士研究生學(xué)位論文第一章緒論發(fā)送端發(fā)送端發(fā)送端多徑信道發(fā)送端空時(shí)空時(shí)處理處理發(fā)送端發(fā)送端圖1.1MIMO系統(tǒng)原理圖與目前已實(shí)現(xiàn)的信道容量相比，M

4、IMO的信道容量比起其他系統(tǒng)有了很大的擴(kuò)充，在未來移動(dòng)通信系統(tǒng)中，MIMO系統(tǒng)無疑成為了目前最先進(jìn)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。要想充分體現(xiàn)該系統(tǒng)的性能以及大容量的優(yōu)勢(shì)，它的信道特性則是重中之重。所以，建立信道模型，分析影響信道容量的因素并在此之上選擇合適的算法來估計(jì)系統(tǒng)的性能就非常關(guān)鍵了。1.1MIMO系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀以及存在的問題1.2.1MIMO系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀上世紀(jì)90年代，貝爾實(shí)驗(yàn)室的學(xué)者E.Telatar和J.Foshini[21][23]證明了MIMO系統(tǒng)可以取得巨大的信道容量，也突破了傳統(tǒng)SISO信道容量的瓶頸，推廣了C.E.Shannon信道容量。1996年，F(xiàn)oschini研

5、究出一種實(shí)現(xiàn)最大空間復(fù)用的MIMO方案[7]，也就是對(duì)角—貝爾實(shí)驗(yàn)室分層空時(shí)（D-BLAST）算法。1998年，Tarokh等研究出空時(shí)分組碼（STBC），它能實(shí)現(xiàn)MIMO系統(tǒng)的最大分集方案[19]。同年，Wolniansky構(gòu)建了MIMO試驗(yàn)系統(tǒng)，采用垂直—貝爾實(shí)驗(yàn)室分層空時(shí)（V-BLAST）算法。10年前，美國朗訊（Lucent）公司成功地測(cè)試了兩款BLAST芯片，其最高速度達(dá)到了19.2Mbit/s[7]，BLAST研究小組去掉了難以想象的無線頻譜效率：20~40bit/s/Hz。使用傳統(tǒng)的無線調(diào)制技術(shù)，對(duì)于蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)取得的頻譜效率為1~5bit/s/Hz；對(duì)于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的

6、微波通信系統(tǒng)取得的頻譜效率為10~12bit/s/Hz。在30kHz的帶寬···3萬方數(shù)據(jù)···南京郵電大學(xué)專業(yè)學(xué)位碩士研究生學(xué)位論文第一章緒論內(nèi)，Bell實(shí)驗(yàn)室在上述的頻譜效率上實(shí)現(xiàn)了0.5~1Mbit/s的有效載荷數(shù)據(jù)速率，而使用傳統(tǒng)的技術(shù)，在改帶寬內(nèi)取得的數(shù)據(jù)速率僅為50bit/s。而如今，隨著MIMO系統(tǒng)不斷被大家所認(rèn)可，各大學(xué)術(shù)體系以及企業(yè)對(duì)MIMO無線通信系統(tǒng)的發(fā)掘越來越深入。國內(nèi)外從算法技術(shù)，平臺(tái)搭建，芯片開發(fā)等等項(xiàng)目上，對(duì)MIMO系統(tǒng)進(jìn)行著不斷地開發(fā)。在算法技術(shù)方面，主要采取的是分集最大化方案以及數(shù)據(jù)率最大化方案[59]。前者是利用了天線分集來對(duì)抗系統(tǒng)的衰落，MIM

7、O系統(tǒng)是一個(gè)矩陣信道，矩陣中的每一個(gè)因子都體現(xiàn)了天線之間的衰落系數(shù)，所以，聯(lián)合多維的天線分集可以提高無線鏈路的可靠性，有效地應(yīng)對(duì)信道衰落產(chǎn)生的不利環(huán)境。后者則是利用了MIMO系統(tǒng)所實(shí)現(xiàn)的空分復(fù)用。前文所提到的BLAST結(jié)構(gòu)，就是將待發(fā)射的信息流分解為多路并行子流，對(duì)各路獨(dú)立地進(jìn)行編碼，調(diào)制，而后映射到對(duì)應(yīng)的發(fā)射天線上，接收端采用迫零或迫零結(jié)合干擾消除等技術(shù)獎(jiǎng)多路子數(shù)據(jù)流分離。在平臺(tái)搭建方面，從貝爾實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證了V-BLAST的可行性之后，人們便進(jìn)行了開發(fā)MIMO測(cè)試平臺(tái)