MIMO系統(tǒng)無線信道容量的實(shí)驗(yàn)仿真.pdf

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1、科技創(chuàng)新與應(yīng)用l2o14~18期科技創(chuàng)新MIMO系統(tǒng)無線信道容量的實(shí)驗(yàn)仿真侯大志t燕國云z(1、海軍裝備技術(shù)研究所,上海2000832、92608部隊(duì),上海200083)摘要:介紹了MIMO系統(tǒng)信道容量的計(jì)算方法,分析了天線數(shù)目對(duì)MIMO系統(tǒng)信道容量的影響,MIMO系統(tǒng)容量隨最小天線數(shù)目的增加而增加,極大地提高了系統(tǒng)容量。利用Matlab對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證和仿真,驗(yàn)證對(duì)比了SISO、SIMO、MISO和MIMO系統(tǒng)在不同條件下的信道容量。關(guān)鍵詞:MIMO;信道容量;Matlab;信噪比引言下面說明信道容

2、量與信道矩陣H的相關(guān)。假定m=min(nn0,定隨著通信技術(shù)的發(fā)展,人們開始在收、發(fā)端使用多個(gè)天線進(jìn)行義空域信號(hào)的處理,并發(fā)現(xiàn)通過增加空間維數(shù)獲得系統(tǒng)的容量增加,于是得到了多人多出(MIMO)系統(tǒng)信道容量的表達(dá)式,這對(duì)傳統(tǒng)的Q=1fH日Hs,<二(7)信道容量概念是一個(gè)巨大的發(fā)展。文章介紹了MIMO系統(tǒng)的信道容量算法,并利用Matlah仿真了天線數(shù)目增多對(duì)信道容量的影響,對(duì)是Q的一個(gè)特征值,可得:提高飛行器測(cè)控系統(tǒng)整體性能有較好的借鑒意義。兀(一入)=det(Al~一Q)1MIMO系統(tǒng)模型(8)假設(shè)

3、一個(gè)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的MIMO系統(tǒng)由n個(gè)發(fā)射天線、n個(gè)接收天線同時(shí),通過式(6)將一ncr2/P替換式(8)中的得到:組成,則系統(tǒng)的信道模型如下圖1所示。該系統(tǒng)信道的線性模型可以描述為:珥(1+等de“¨壽fq]v=Hx+n(1)若信道系數(shù)盯為隨機(jī)變量,則式(6)、(9)表示的是瞬時(shí)容量,再通過對(duì)所有信道系數(shù)取均值得到平均容量。另外,當(dāng)n不斷增大時(shí),使得Q—I,可以得到信道容量的近似式:ntz耋∞一于5導(dǎo)oPC:Wmlog2(1+-LT)Bit/sr1n、從式(10)可以看出,當(dāng)發(fā)射天線數(shù)目很多時(shí),信道容量隨

4、的增大而線性增大,也就是說可以在不增加帶寬和發(fā)射功率的情況下成倍地提高信道容量。3Matlab實(shí)驗(yàn)仿真分析及討論3.1SISO、SIMO和MISO的仿真比較與分析零均值、方差為1的加性高斯噪聲變量。下面對(duì)SISO(1x1)、SIMO(2x1)、SIM0(4x1)、MISO(1x3)和2MIMO系統(tǒng)信道容量的導(dǎo)出MISO(1x6)的確定性信道容量進(jìn)行了仿真比較,仿真結(jié)果如下圖2所示。分析比較仿真結(jié)果可知:當(dāng)信道無衰落時(shí),可對(duì)信道矩陣H進(jìn)行奇異值分解,得到:Y=Hx+n—UDV+r/(2)其中,u與u∞

5、為酉矩陣,O(n×nJ的對(duì)角線上包含H的奇.]”。。。“u異值,上標(biāo)+表示矩陣的共軛轉(zhuǎn)置。將式(2)左乘得:UY=DV++n=嚆+五(3){,一矩陣HH+的非零特征值的數(shù)量等于矩陣H的秩,用表示。對(duì)jnr)(n的矩陣H,秩的最大值為m=min(nn0。用、/表示矩陣H的奇二........_..一一-’.-.1_._.__.

6、異值。將、/i代入式(3)中,得到接收信號(hào)為:O51020M30SNR(dB):一,{l√置+,(=,2,‘·‘7)(41曩,(一+1,吖+2,···nr)圖2SISO、SIM

7、O和MISO信道圖3SISO和MIMO信道容量比較圖接收元素(,丫+1,+2,?n,)與發(fā)射信號(hào)無關(guān),即信道增益容量比較圖為零。可以認(rèn)為,通過式(4)得到的等效MIMO信道是由個(gè)去耦平(1)在同一信噪比條件下,SIMO系統(tǒng)比SISO系統(tǒng)容量有一定行子信道組成的,為每個(gè)子信道分配的矩陣H的奇異值相當(dāng)于信道的提高,其中SIMO(1×2)容量約為SISO容量的1.2倍,sIM0(1x4)幅度增益。所以,并行獨(dú)立信道的總?cè)萘繛楦髯有诺赖娜萘恐?,從容量約為SISO容量的1.6倍,這和理論結(jié)果基本一致。而得出

8、MIMO系統(tǒng)容量為:(2)在同一信噪比條件下,MISO系統(tǒng)較SISO系統(tǒng)的容量幾乎沒有提高,這主要是因?yàn)榘l(fā)射總功率被平均分到所有發(fā)射天線上,c:喜:c+㈦導(dǎo)致各發(fā)射天線的功率有所下降,在此情況下,其信道容量變化就不明顯。式中,w為各子信道的帶寬;P是在第i個(gè)子信道中接收的信3.2SISO和MIMO的仿真比較與分析號(hào)功率,P。P/n,其中、/為信道矩陣H的奇異值,P為發(fā)射總功下面對(duì)S1SO、MIMO(2x2)和MIMO(4x4)的確定性信道容量進(jìn)率,盯為信道系數(shù),則信道容量可寫成:行了仿真比較。假設(shè)發(fā)

9、射天線和接收天線互不相關(guān),仿真結(jié)果如下圖3所示。通過仿真結(jié)果分析比較可知:在M=N=2和M=N=4的情c:1og~(1+)Bit/(6)況下,MIMO系統(tǒng)的信道容量近似為SISO的2倍和4倍,這一結(jié)果nto-是由于MIMO系統(tǒng)通過空間復(fù)用在空間產(chǎn)生了M條并行的子空間從式(6)可以看出,MIMO鏈路的信道容量很大程度上取決于矩信道,其總的容量等于各個(gè)子信道之和,從而大大地提高了信道容陣H的秩^y??烧J(rèn)為,MIMO系統(tǒng)可利用多徑這種在傳統(tǒng)通信中被量。認(rèn)為是有害的因素,創(chuàng)造

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