基于MATLAB的MIMO系統(tǒng)信道容量與性能分析畢業(yè)論文

1、I / 42 畢業(yè)畢業(yè) 設(shè)設(shè) 計(jì)（論計(jì)（論 文）文）題 目：基于 MATLAB 的 MIMO 系統(tǒng)信道容量 與性能分析 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）誠(chéng)信聲明書畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）誠(chéng)信聲明書本人聲明：本人所提交的畢業(yè)論文基于 MATLAB 的 MIMO 系統(tǒng)信道與其性能分析是本人在指導(dǎo)教師指導(dǎo)下獨(dú)立研究、寫作的成果，論文中所引用他人的文獻(xiàn)、數(shù)據(jù)、圖件、資料均已明確標(biāo)注；對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式注明并表示感。II / 42本人完全意識(shí)到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。論文 （簽字）時(shí)間：2015 年 6 月 5 日指導(dǎo)教師已閱：（簽字） 時(shí)間：2015 年 6 月 5 日郵電大學(xué)畢業(yè)

2、設(shè)計(jì)(論文)開題報(bào)告通信與信息工程 學(xué)院電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè) 10 級(jí) 03 班III / 42課題名稱：基于 MATLAB 的 MIMO 系統(tǒng)信道 容量與其新能分析學(xué)生： 易海博 學(xué)號(hào)：03102085指導(dǎo)教師： 高佛設(shè)報(bào)告日期：2015 年 3 月 26 日郵電大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告學(xué)號(hào)03102085易海博導(dǎo)師高佛設(shè)題目基于 MATLAB 的 MIMO 系統(tǒng)信道容量與其性能分析IV / 42選題目的（為什么選該課題） 多輸入多輸出(MIMO)系統(tǒng)是近十年來現(xiàn)代數(shù)字通信領(lǐng)域最重大的技術(shù)突破之一。該技術(shù)催生了許多先進(jìn)通信技術(shù)，被認(rèn)為是解決未來無(wú)線通信領(lǐng)域信道容量和頻譜傳輸速率的的

3、關(guān)鍵技術(shù)之一。MIMO 系統(tǒng)發(fā)明之后，在短短幾年被廣泛應(yīng)用，其優(yōu)勢(shì)在于潛在容量巨大，且隨著收發(fā)天線數(shù)目較小的一方呈線性增長(zhǎng)。MIMO 通信系統(tǒng)可以在不需要增加額外帶寬和額外功率的條件下，顯著地提高信道容量和頻譜利用率，這一特性使它成為無(wú)線通信領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。但由于使用多根天線同時(shí)發(fā)射信號(hào)，這就增加了接收端信號(hào)檢測(cè)的難度，信號(hào)檢測(cè)的好壞直接關(guān)系到該系統(tǒng)的整體性能，所以信號(hào)檢測(cè)技術(shù)的研究是該領(lǐng)域研究的一個(gè)熱點(diǎn)之一。然而，MIMO 系統(tǒng)大容量的實(shí)現(xiàn)和系統(tǒng)其它性能的提高以與 MIMO 系統(tǒng)中用的各種信號(hào)處理算法的性能優(yōu)劣都極依賴于 MIMO 信道的特性，特別是個(gè)天線之間的相關(guān)性。最初對(duì) MIMO系統(tǒng)性

4、能的研究與仿真通常都是在獨(dú)信道的假設(shè)下進(jìn)行的，這與實(shí)際的 MIMO 信道大多數(shù)情況下具有一定的空間相性是不太符合的。MIMO 系統(tǒng)的性能在很大程度上會(huì)受到信道相關(guān)性的影響。因此，建立有效的能反映 MIMO 信道空間相關(guān)特性并且適用于系統(tǒng)級(jí)和鏈路級(jí)仿的 MIMO 信道模型對(duì)于選擇合適的處理算法來評(píng)估系統(tǒng)性能就顯得相當(dāng)重要。前期基礎(chǔ)（已學(xué)課程、掌握的工具，資料積累、軟硬件條件等）已學(xué)課程：線性代數(shù) A，概率論與隨機(jī)過程 B，基于 Simulink 的通信系統(tǒng)，信號(hào)分析仿真，數(shù)字信號(hào)處理 A，信息論與編碼 A，數(shù)字信號(hào)處理器原理 B，數(shù)字通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)，信號(hào)檢測(cè)與估值，軟件無(wú)線電掌握工具：VC+6.0

5、 和 visual studio 編譯器，Matlab資料積累：1.熟悉 MATLAB2.4G LTE 物理層的 MIMO 技術(shù)3.SISO、SIMO、MISO、MIMO 系統(tǒng)在慢衰落瑞利信道條件下的信道容量表達(dá)式進(jìn)行理論推導(dǎo)4.MIMO 系統(tǒng)信道容量的分析和計(jì)算機(jī)仿真軟件條件：Windows 系統(tǒng) ,matlab硬件條件：PC 機(jī)一臺(tái)（為軟件提供基礎(chǔ)）V / 42要解決的問題（做什么）1.對(duì) MIMO 無(wú)線衰落信道模型和衰落統(tǒng)計(jì)特性的研究是設(shè)計(jì)空時(shí)處理和編碼法、進(jìn)行 MIMO無(wú)線鏈路性能仿真和系統(tǒng)容量評(píng)估的首要問題。目前的研究主包括兩個(gè)方面：一方面是對(duì)MIMO 信道衰落空時(shí)統(tǒng)計(jì)特性的測(cè)量和理

6、論分析；一方面是對(duì) MIMO 信道建模方法的研究。2.MIMO 信道模型的多天線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和擺放方式已不僅局限于陣列形式，還包括小尺度圍的分集形式和擴(kuò)展到大尺度的分散布置形式。此外，影響 MIMO 信道衰落特征的因素將同時(shí)包括接收和發(fā)送端周圍的空間和時(shí)間的衰落統(tǒng)計(jì)特性，這導(dǎo)致了從理論上描述 MIMO 信道空時(shí)衰落特征的統(tǒng)計(jì)特性的困難，也引發(fā)了 MIMO 信道建模的合理性、準(zhǔn)確性和復(fù)雜度等問題。因此，如何構(gòu)建準(zhǔn)確的 MIMO 信道模型來仿真現(xiàn)實(shí)的信道環(huán)境成為目前研究的重點(diǎn)。工作思路和方案（怎么做）1.本課題主要研究 MIMO 球形譯碼檢測(cè)算法性能，主要的技術(shù)指標(biāo)如下：信道容量：它代表每秒或每個(gè)信

7、道符號(hào)能傳送的最大信息量，或者說小于這個(gè)數(shù)的信息率必能在此信道中無(wú)錯(cuò)誤地傳送。是描述系統(tǒng)有效性的標(biāo)準(zhǔn)。2.選定題目，并開始查找相關(guān)資料了解題目含義；確定研究容并完成開題報(bào)告；重點(diǎn)學(xué)習(xí) MIMO 相關(guān)知識(shí)，對(duì)基于瑞利信道的多天線系統(tǒng)進(jìn)行建模，并著手論文的相關(guān)部分容。3.查閱相關(guān)文獻(xiàn)，了解無(wú)線衰落信道的基本特征，分析無(wú)線通信系統(tǒng)的大尺度衰落和小尺度衰落的類型，同時(shí)完成此部分論文。查閱相關(guān)文獻(xiàn)，研究發(fā)生頻率選擇性衰落時(shí)間選擇性衰落和空間選擇性衰落的條件，以與慢衰落和快衰落的概念，同時(shí)完成此部分論文。4.在 MATLAB 仿真軟件上實(shí)現(xiàn) SISO、SIMO、MISO、MIMO 系統(tǒng)在慢衰落瑞利信道條件

8、下的信道容量仿真。5.完成論文，并仔細(xì)修改，準(zhǔn)備答辯；畢業(yè)答辯。指導(dǎo)教師意見簽字： 2015 年 3 月 30 日VI / 42郵郵電電大大學(xué)學(xué)畢畢業(yè)業(yè)設(shè)設(shè)計(jì)計(jì) ( (論論文文) )成成績(jī)績(jī)?cè)u(píng)評(píng)定定表表學(xué)生易海博性別男學(xué)號(hào)03102085專 業(yè)班 級(jí)電科 1003 班課題名稱 基于 MATLAB 的 MIMO 系統(tǒng)信道容量與其性能分析指導(dǎo)教師意見評(píng)分（百分制）：指導(dǎo)教師( (簽字) )：年月日評(píng)閱教師意見評(píng)分（百分制）：評(píng)閱教師(簽字)：年月日驗(yàn)收小組意見評(píng)分（百分制）：驗(yàn)收教師(組長(zhǎng))(簽字)：年月日答辯小組意見評(píng)分（百分制）： 答辯小組組長(zhǎng)(簽字)：年月日評(píng)分比例指導(dǎo)教師評(píng)分 20() 評(píng)

9、閱教師評(píng)分 30() 驗(yàn)收小組評(píng)分 30() 答辯小組評(píng)分 20()學(xué)生總評(píng)成績(jī)百分制成績(jī)等級(jí)制成績(jī)答辯委員會(huì)意見畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))最終成績(jī)(等級(jí))：學(xué)院答辯委員會(huì)主任( (簽字) )：年月日頁(yè)碼為阿拉伯?dāng)?shù)字，引言為第一頁(yè)VII / 42目錄目錄摘要摘要 I IABSTRACTABSTRACT -IIII引言引言 1 11 1緒論緒論 2 21.1選題背景 21.2LTE 的研究背景 21.3MIMO 的研究意義 31.4論文的主要工作和貢獻(xiàn) 42LTE2LTE 系統(tǒng)介紹系統(tǒng)介紹 5 52.1LTE 的關(guān)鍵技術(shù) 52.1.1LTE 系統(tǒng)和物理層相關(guān)的性能指標(biāo) 52.1.2多載波技術(shù) 52.2LT

10、E 的工作方式 62.2.1FDD 雙工方式 62.2.2TDD 雙工方式 62.2.3H-FDD 雙工方式 72.3無(wú)線幀結(jié)構(gòu) 82.3.1幀結(jié)構(gòu)類型 182.3.2幀結(jié)構(gòu)類型 292.4LTE 的關(guān)鍵技術(shù) MIMO102.4.1MIMO 系統(tǒng)的概念 102.4.2MIMO 系統(tǒng)常見的幾種傳輸模式 112.4.3MIMO 系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn) 123 3無(wú)線衰落信道的基本特征無(wú)線衰落信道的基本特征 14143.1大尺度衰落 143.1.1路徑損耗 143.1.2陰影衰落 143.2小尺度衰落 153.2.1頻率選擇性衰落 153.2.2時(shí)間選擇性衰落 153.2.3空間選擇性衰落 153.2.4Ray

11、leigh 和 Rice 衰落 173.3本章小結(jié) 184MIMO4MIMO 信道建模信道建模 19194.1信道容量的分類 194.2發(fā)送端未知信道 CSI 時(shí) MIMO 信道容量 21VIII / 424.3SISO、SIMO 和 MISO 信道容量 234.3.1單輸入單輸出 SISO 系統(tǒng) 234.3.2單輸入多輸出 SIMO 系統(tǒng) 244.3.3多輸入單輸出 MISO 系統(tǒng) 255 5結(jié)束語(yǔ)結(jié)束語(yǔ) 2828致致 2929參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn) 3030I / 42摘要摘要近年來，隨著無(wú)線通信的迅猛發(fā)展，多輸入多輸出(MultipleInput MultipleOutput，MIMO)技術(shù)已

12、逐漸成為核心技能之一。首先不加多帶寬，其次不增加分外發(fā)射功率的前提條件下，信息的傳輸可以實(shí)現(xiàn)高速率，因而在有限的頻率帶寬上可以完成更高速度信息傳輸?shù)囊螅@對(duì)稀缺的頻譜資源的解決方案提供了強(qiáng)有力的技術(shù)條件，因此具有廣闊的應(yīng)用前景的移動(dòng)通訊體系。不過，在現(xiàn)實(shí)通訊情況中 MIMO 的通訊機(jī)能長(zhǎng)受到無(wú)線信道衰落特色的影響，是以 MIMO 的大圍使用仍面臨著大批尚待解決的問題。故需要對(duì)無(wú)線 MIMO 容量進(jìn)行深入的研究。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

13、吐量。本論文調(diào)查研究了 4G LTE 物理層的 MIMO技術(shù)，包括 LTE 體系網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)和幀結(jié)構(gòu)等。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。文章還分析了無(wú)線信道的基本特征和無(wú)線信道的多徑效應(yīng)，推導(dǎo)和描述了多徑衰落的頻率選擇性和信道響應(yīng)時(shí)變特性的參數(shù)，推導(dǎo)了萊斯信道模型和瑞利信道模型的使用條件，并且要給出典型模型的具體數(shù)學(xué)表達(dá)。關(guān)鍵字：多輸入多輸出；衰落II / 42ABSTRACTABSTRACTMIMO(Multiple-Input

14、Multiple-Output)technology is one of the key technologies to realize the high-speed broadband wireless communication in the future，with a broad application prospectHowever, compared to the conventional single-antenna communication system，the multi-antenna application of MIMO encounters with a large

15、number of issues to be examinedThe performance of MIMO communication depends largely on the fade characteristics of the radio channelsHence，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 M

16、IMO communication techniquesThe 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 c

17、ase of doesnt increase the frequency and antenna transmit power. This paper studied the MIMO technology of 4G LTE physical layer, including the network structure, key technology and frame structure of LTE system. In this paper, the channel capacity of MIMO system is analyzed and simulated, SISO, SIM

18、O, MISO, MIMO system channel capacity expressions under conditions of the slow fading Rayleigh channel are derived and be analyzed and compared. We also analyzed the basic characteristics and the multipath effect of wireless channel; derived and described the frequency selective of multipath fading

19、and the parameters of channel response time-varying characteristics; deduced the Ricean channel model and Rayleigh channel model using conditions; and given a detailed mathematical expression of a typical model.Keywords:MIMO fade 1 / 42引言引言未來移動(dòng)通信要滿足在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)、向任何人提供快速可靠的通信服務(wù)的要求，將擁有高的數(shù)據(jù)傳輸率、高的頻譜利用效率、低

20、的發(fā)射功率、靈活的業(yè)務(wù)支撐能力，會(huì)把無(wú)線通信的傳輸容量和速率提高十倍乃至數(shù)百倍。隨著各種寬帶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和無(wú)線通信業(yè)務(wù)的不斷發(fā)展，無(wú)線資源，特別是頻譜資源變得越來越緊，高效地利用有限的通訊資源已經(jīng)成為了無(wú)線通信技術(shù)發(fā)展的關(guān)注所在。研究表明，多天線的 MIMO 技術(shù)可以在不增加系統(tǒng)帶寬和天線總發(fā)送功率的情況下，充分使用空間資源，有效的對(duì)抗無(wú)線信道的衰落，大大提高系統(tǒng)的信道容量和頻譜利用率。第 1 章設(shè)置為緒論，主要述了 LTE 的研究背景與 MIMO 是研究意義。在第 1 章的最后討論了本篇文章的各章的主要研究容與論文的主要架構(gòu)與其貢獻(xiàn)。第 2 章主要講述了 LTE 的關(guān)鍵技術(shù)和工作方式，無(wú)線幀結(jié)構(gòu)

21、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。第 3 章主要介紹了無(wú)線衰落信道的基本特征，小尺度衰落影響著本地區(qū)域接收機(jī)天線上的時(shí)延和信號(hào)電平動(dòng)態(tài)衰落圍。無(wú)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。本章著重描述了無(wú)線信道的基本特征類型，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。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 4 章是 MIMO 信道建模，并分別對(duì) SISO,SIMO,MISO 系統(tǒng)進(jìn)行仿真。第 5 章致。2 / 421 1緒論緒論1.11.1選題背景選題背景通過幾十年的發(fā)展演進(jìn)的

22、移動(dòng)通信系統(tǒng)，從開始到現(xiàn)在已經(jīng)過了幾次。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。從 2G 開始,移動(dòng)通信系統(tǒng)開始了第一次重大變革，引入了數(shù)字化的概念。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。長(zhǎng)期演進(jìn)(LTE, Long Term Evolution)系統(tǒng)12是 4G 系統(tǒng)。事實(shí)上，更確切地說，4G 系統(tǒng)指的是 LTE 系統(tǒng)的 Release10。這個(gè)版本也被稱為 LTE-Advanced，并有很多的傳輸速率的提高，等等。3GPP (3rd Generation Partn

23、er 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(zhǎng)期演進(jìn)項(xiàng)目） 。源委大批高級(jí)優(yōu)秀的技術(shù)人才進(jìn)行研發(fā)和考證，LTE 項(xiàng)目在許多方面都符合了第四代通訊技能的要求和具有第四代通信技巧的特征，我們稱之為“準(zhǔn) 4G”技能。從 2008 年以后，技能人員對(duì)更為優(yōu)越的 LTE-A 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) LTE-A 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。在眾多 4G 標(biāo)準(zhǔn)中,LTE 系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)占據(jù)了一個(gè)舉足輕

24、重的位置。1.21.2LTELTE 的研究背景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(zhēng)，在高層面上，為了融合寬帶無(wú)線接入與移動(dòng)通訊，3GPP 驅(qū)動(dòng)了 LTE 項(xiàng)目。早期的寬帶無(wú)線接入定位于替換有線寬帶接入（如數(shù)字用戶線（Digital Subscriber Line） ）技術(shù)，它的發(fā)展經(jīng)歷了固定本地接入，游牧城域接入到廣域移動(dòng)接入的過程，體現(xiàn)出了明顯的“寬帶接入移動(dòng)化”的趨勢(shì)，以因特網(wǎng)（Internet）為代表的信息技術(shù)（IT）行業(yè)移動(dòng)普與帶來了新的機(jī)遇，也為傳統(tǒng)的移動(dòng)通信行業(yè)已經(jīng)形成了競(jìng)爭(zhēng)和挑戰(zhàn)。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

25、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(yǔ)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)。基于“移動(dòng)通訊寬帶化”的認(rèn)識(shí)以與應(yīng)答“寬帶接入移動(dòng)化”挑釁的要求，3GPP 起頭了“長(zhǎng)期演進(jìn)”的過程3。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)。但是一次偉大的技術(shù)變革，不是一朝一夕就能夠?qū)崿F(xiàn)的。先進(jìn)無(wú)線通信技能的鉆研一定要佇立在學(xué)術(shù)界和基礎(chǔ)鉆研領(lǐng)域豐富的技術(shù)儲(chǔ)藏的底子之上。包括相關(guān)的數(shù)學(xué)，物理，無(wú)線電工程，也是3 / 42通信理論、信號(hào)處理、無(wú)線資源管理和其他方面的理論積累。OFDM 和 MIMO 技術(shù)一直被認(rèn)為是 B3G/4G 的關(guān)鍵技術(shù)。在 IMT-Advanced

26、名目開動(dòng)以前，國(guó)際上曾經(jīng)對(duì)B3G 進(jìn)行了寬泛的鉆研，并得到了一期期重大進(jìn)展。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(guó)北部，在 MIMO 技術(shù)的研究和開發(fā)一直處于領(lǐng)先地位。日本 NTT DoCoMo 公司在 2003 年的外場(chǎng)試驗(yàn)選用 OFDM技能，在 100MHZ 帶寬中抵達(dá)了 100Mbits/s 數(shù)據(jù)傳輸速度，表現(xiàn)出了 OFDM/MIMO 技能在供應(yīng)高的帶寬傳輸和岑嶺速度方面的巨強(qiáng)本領(lǐng)。2000 年，F(xiàn)larion 公司研發(fā)了Flash-OFDM 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)。2006 年，數(shù)學(xué)國(guó)外移動(dòng)通訊運(yùn)

27、營(yíng)商共同建樹了下一代移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)（Next Generation Mobile Network,NGMN）論壇，它引頸了新一代寬帶移動(dòng)通信的趨勢(shì)，促進(jìn) NGMN 論壇變?yōu)闊o(wú)線通訊領(lǐng)域最具影響非標(biāo)準(zhǔn)化組織。國(guó)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)。同時(shí)，在全球?qū)拵б苿?dòng)通信的研究，我們也組織相關(guān)的研究，并積極參與國(guó)際交流和標(biāo)準(zhǔn)化工作。在“十五”期間，以高校為主的國(guó)家的“863”計(jì)劃在未來的大學(xué)為基礎(chǔ)的國(guó)家已表現(xiàn)出對(duì)中國(guó) B3G 關(guān)鍵技術(shù)的研究實(shí)現(xiàn)。在實(shí)施基礎(chǔ)研究項(xiàng)目的同時(shí)，我國(guó)十分重視 B3G 等寬帶移動(dòng)

28、通信的標(biāo)準(zhǔn)化工作。在隨訪中，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化的學(xué)術(shù)交流活動(dòng)，積極組織國(guó)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化工作。我國(guó)踴躍投身于中國(guó)，日本和國(guó)(CJK)準(zhǔn)則的共同項(xiàng)目。我國(guó)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。1.3MIMO1.3MIMO 的研究意義的研究意義未來移動(dòng)通訊要滿足無(wú)論何時(shí)、無(wú)論何地、向無(wú)論何人供給迅速牢靠的通訊辦事的要求。未來無(wú)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(wú)線通信的傳輸容量和速率提高十倍乃至數(shù)百倍。跟隨各類寬帶數(shù)據(jù)交易和無(wú)線通訊業(yè)務(wù)的不停開發(fā)，通訊資源，特別是頻帶資源變得愈來愈重要，高速效率地使用數(shù)量稀少的通訊條件已

29、經(jīng)變成了無(wú)線通訊技能變化的關(guān)注點(diǎn)。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(wú)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。然而，MIMO 體系高容量目標(biāo)實(shí)現(xiàn)和體系其它本能指標(biāo)和 MIMO 體系使用的各類信息計(jì)算方法的好壞很高程度上仰仗 MIMO 信道特色，特別是各個(gè)天線之間的相關(guān)性00。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)中的MIMO 信道肯定具有空間上的相互關(guān)性是矛盾的。信道相關(guān)聯(lián)的性質(zhì)很高深度上會(huì)改4 / 42變 MIMO 體系的機(jī)能。1.41.4論文的主要工作和貢獻(xiàn)論文的

30、主要工作和貢獻(xiàn)本文重點(diǎn)研究 LTE-A 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。分析了無(wú)線信道的基本特征和無(wú)線信道的多徑效應(yīng)，推導(dǎo)了描述多徑衰落的頻率選擇性和信道響應(yīng)時(shí)變特性的參數(shù)，推導(dǎo)了萊斯信道模型和瑞利信道模型的使用條件，并且給出了典型模型的具體數(shù)學(xué)表達(dá)。2LTE2LTE 系統(tǒng)介紹系統(tǒng)介紹1G使用蜂窩組網(wǎng)，標(biāo)準(zhǔn)：AMPS、TACS 等。采用模擬技術(shù)和頻域劃分多址(FDMA)等技術(shù)。5 / 422GIS-95，數(shù)

31、字技術(shù)，GSM，使 TDM、FDM、CDMA 提供數(shù)字語(yǔ)音業(yè)務(wù)和低速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。3GTD-SCDMA、CDMA2000、WIMAX、WCDMA、 ，技能指示標(biāo)準(zhǔn)：室的速度達(dá)到2Mbps，室外的速度達(dá)到 385kbps，行車的速度達(dá)到 144kbps。能夠完成高速率傳輸，語(yǔ)音業(yè)務(wù)與寬帶多媒體，無(wú)線接入 Internet 等服務(wù)。4G(LTE)使用正交頻分復(fù)用與多輸入多輸出技術(shù)。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 50MHZ18。提供 IMS 等高速數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)。2.1LTE2.1LTE 的關(guān)鍵技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)LTE 項(xiàng)目是 4G 標(biāo)準(zhǔn)(4th-Gener

32、ation)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 LTE-A 技術(shù)研究的前提和基礎(chǔ)，也是目前全球主流運(yùn)營(yíng)商的選擇。2.1.12.1.1LTELTE 系統(tǒng)和物理層相關(guān)的性能指標(biāo)系統(tǒng)和物理層相關(guān)的性能指標(biāo)（1）對(duì)變通系統(tǒng)支持寬帶圍 1.4-20MHZ。（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。（3）同時(shí)支持 FDD 和 TDD 系統(tǒng)，并要求兩種系統(tǒng)的設(shè)計(jì)差異盡量小。2.1.22.1.2多載波技術(shù)多載波技術(shù)傳統(tǒng)意義上的頻分復(fù)用(FDM)和頻分

33、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。正交頻分復(fù)用(OFDM)的子載波間堆疊分布，并且子載波之間相互正交，用來防止各個(gè)子載波之間形成的干預(yù)。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。LTE 的上下行鏈路分別采納單載波頻分多址(SC-FDMA)技能21和正交頻分多址(OFDMA)技能。LTE 物理層下行接收機(jī)信號(hào)處理框圖如圖 2-1 所示。其中接收端處理流程可以認(rèn)為是發(fā)射端反向操作。6 / 42碼字解調(diào)解擾解資源粒子映射信道估計(jì)OFDM解調(diào)并串變換MIMO檢測(cè)O

34、FDM解調(diào)圖 2-1 LTE 下行鏈路接受端信號(hào)處理示意框圖2.2LTE2.2LTE 的工作方式的工作方式定義 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。是以，LTE體系需求支撐 TDD 和 FDD 兩雙工模式。同時(shí)，LTE 還考慮支持半雙工 FDD(Half-duplex FDD, H-FDD)這種特殊的雙工方式。2.2.12.2.1FDDFDD 雙工方式雙工方式FDD 雙工方式是指在蜂窩通信系統(tǒng)中的上行鏈路信號(hào)

35、下兩不同頻段的信號(hào)分別發(fā)送，某些特定頻段保護(hù)間隔是上行和下行頻段之間留。為了避免干擾之間的上行鏈路和下行鏈路信號(hào)。HDD 使用上下行成對(duì)頻段，信號(hào)的發(fā)射與接收可以同時(shí)進(jìn)行，因而減少了上下行信號(hào)間的反饋時(shí)延。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)。2.2.22.2.2TDDTDD 雙工方式雙工方式TDD 雙工方式中，發(fā)射與接收信號(hào)在同一頻帶，上行信號(hào)和下行信號(hào)由不同的時(shí)間段的發(fā)送來識(shí)別。TDD 雙工方式的信號(hào)能夠在不是成對(duì)的頻段發(fā)送，因而相比于 FDD 系統(tǒng)擁有配置靈活的特點(diǎn)。同時(shí)，因?yàn)樯舷滦行盘?hào)占用的無(wú)線信道資源能夠通過調(diào)節(jié)上下行時(shí)隙間的比例靈活更改，非常適應(yīng)

36、于 3G 和 B3G 等以 IP 分組業(yè)務(wù)為主要特性的移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)。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(jiǎn)便，信號(hào)測(cè)量和多天線技術(shù)帶來了益處。近年來隨著 TD-SCDMA(Time Division-Synchronous Code Division Multiple Access，時(shí)分同步碼分多址)產(chǎn)業(yè)的不斷完善以與 TDD 設(shè)備的日趨成熟，蜂窩移動(dòng)通信領(lǐng)域加大了對(duì) TDD 系統(tǒng)的研究力度，在隨后的演進(jìn)系統(tǒng)中 TDD 雙工模式將會(huì)扮演更加重要的作用。7 / 422.2.3H-FDD2.2.3H-FDD 雙工方式雙工方式H-FDD 是相對(duì)于現(xiàn)有的 FDD 而言的另一種雙工方式。在

37、半雙工 FDD 中，基站應(yīng)用全雙工 FDD 形式，盡管采用成對(duì)頻譜終端的發(fā)射信號(hào)與接收信號(hào)在不同的頻帶上傳輸，但其接收和發(fā)射信號(hào)卻不能夠同時(shí)進(jìn)行。H-FDD 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。在 LTE 中采納 H-FDD 的法子基于以下幾點(diǎn)思考。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 H-FDD 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，H-FDD 方式可以減少功率損耗，延長(zhǎng)電池的使用時(shí)間。LTE-A 引入了多輸入多輸出、正交頻分多址復(fù)用/S

38、C-FDMA 等技能，因而物理層布局相比于原來的其它通信準(zhǔn)繩有太大的分歧，主要體現(xiàn)在無(wú)線幀結(jié)構(gòu)、參考信號(hào)配置等方面。在 3GPP 制訂的 LTE/LTE-A 技術(shù)準(zhǔn)則中，TS36.201 對(duì)物理層舉行了完全的描繪7，TS36.211 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 SC-FDMA 信號(hào)等8。對(duì) LTE-A 物理層技術(shù)的介紹，結(jié)合以上規(guī)格。LTE 無(wú)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 2-2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)。無(wú)線資源控制（RRC）

39、物理層介質(zhì)訪問控制（MAC）層1層2層3傳輸信道邏輯信道圖 2-2物理層周圍的無(wú)線接口協(xié)議架層 2 的介質(zhì)訪問控制(MAC，Medium Access Control)子層與層 1 的物理層和層3 的無(wú)線資本掌管(RRC，Radio Resource Control)子層之間具有接口。MAC 子層的8 / 42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?。而層 2 的無(wú)線鏈路控制(RLC，Radio Link Control)亞層的邏輯信道則由MAC 亞層提供，邏輯信道描述了信息的類型，即定義了“傳輸?shù)氖鞘裁葱畔ⅰ?。物理層完成了傳輸通道向物理傳輸通道的映

40、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)。為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，物理層將提供下面的一些功能9：在傳輸信道進(jìn)行差錯(cuò)檢測(cè)并向高層提供提示信息；前向糾錯(cuò)（FEC，F(xiàn)orward Error Correction）編碼/解碼的傳輸通道；混合自愿重傳(HARQ)申請(qǐng)；編碼的傳輸通道與物理信道之間的速度配合；編碼的傳輸通道向物理通道的映射；物理通道的功率相加；物理通道的調(diào)制與解調(diào)；頻率同步和時(shí)間同步；無(wú)線功能(radio characteristics)測(cè)量朝上提供指示信息；多輸入多輸出(MIMO)天線處理；傳輸分集；波束賦形；射頻處理等等。2.32.3無(wú)線幀結(jié)構(gòu)無(wú)線幀結(jié)構(gòu)在物理層規(guī)，時(shí)間域通常

41、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/(15000 2048)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 204810。LTE-A 系統(tǒng)的上行和下行信道都以無(wú)線幀結(jié)構(gòu)傳輸數(shù)據(jù)，一個(gè)無(wú)線子幀的長(zhǎng)度為：30720010fdTTms。LTE-A 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。所以 LTE-A 分別設(shè)計(jì)了用于 FDD 的幀構(gòu)造例 1 和用于 TDD 的幀構(gòu)造例 2。2.3.12.3.1 幀結(jié)構(gòu)類型幀結(jié)構(gòu)類型 1 1

42、幀構(gòu)造例 1 用于全雙工和半雙工的 FDD 模式。每個(gè)無(wú)線報(bào)文共有 20 個(gè)時(shí)隙，是時(shí)隙 0 到 19，它們的總長(zhǎng)為 10ms，每個(gè)長(zhǎng)為153600.5slotdTTms。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。如圖 2-3 所示11。#1#3#2#4#19#18一個(gè)子幀一個(gè)時(shí)隙153600.5slotdTTms一個(gè)無(wú)限幀10fTms圖 2-3幀結(jié)構(gòu)類型 19 / 42在同一頻道不同時(shí)隙發(fā)送和接收信號(hào)的 FDD 模式。所以對(duì)于每一幀，10 幀可以分為下行也可以用來傳送上行，依靠 FDD 頻分和資源下行單方向在時(shí)間上是連續(xù)的。2.3.22.3.2 幀結(jié)構(gòu)類型幀結(jié)構(gòu)類型 2

43、 2如圖 2-4 所示，幀結(jié)構(gòu)類型 2 適用于 TDD 模式。每個(gè)無(wú)盡的數(shù)據(jù)幀包括兩個(gè)半幀，每一半幀長(zhǎng)是1536005sdTTms，含有 8 個(gè)時(shí)隔（即 4 個(gè)子幀）和一個(gè)特別地域12，這個(gè)特殊的地域由下行導(dǎo)入頻時(shí)隔(DwPTS，Downlink Pilot Time Slot)、上行導(dǎo)入頻時(shí)隔(UpPTS，Uplink Pilot Time Slot)和保護(hù)間隔(GP，Guard Period)組成的。子幀#0子幀#2 子幀#3子幀#5子幀一個(gè)時(shí)隙15360slotdTT半幀1536005dTms子幀#4子幀#7子幀#9子幀#830720dT一個(gè)無(wú)線幀30720010fdTTms30720d

44、TDwPTSDwPTSGPGPUpPTSUpPTS圖 2-4幀結(jié)構(gòu)類型 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1 毫秒。在 LTE-A 中，上、下行子幀報(bào)文切換時(shí)間蘊(yùn)含 5ms 和 10ms 兩種情形，此中U 示意用于朝上傳輸?shù)淖訄?bào)文，D 是以朝下傳輸?shù)淖訄?bào)文，蘊(yùn)含 GP、UpPTS 以與DwPTS 的特別子報(bào)文用 S 來表現(xiàn)。當(dāng)切換周期為 5ms 時(shí)，子幀 2、子幀 7 和 UpPTS 將用來進(jìn)行上行傳輸。當(dāng)切換周期是 10ms 時(shí)，DwPTS 在兩個(gè)半報(bào)文中生存，然而 UpPTS 和 GP 僅僅在第一個(gè)半報(bào)文中生存，在

45、第二個(gè)半報(bào)文中的 DwPTS 計(jì)量尺度為 1ms。子幀 2 和 UpPTS 將來認(rèn)為朝上的傳輸，子幀 9 和子幀 7 將來認(rèn)為朝下的傳輸。在上面的兩種開關(guān)周期處境中，子幀 0 和子幀 5 以與 DwPTS 牢固的用于下行傳輸。10 / 422.4LTE2.4LTE 的關(guān)鍵技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù) MIMOMIMOMIMO 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。MIMO 無(wú)線通信體系是使用時(shí)空處置為根本方式對(duì)信號(hào)舉行剖析的。該系統(tǒng)在多徑傳輸?shù)倪^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)線通信系統(tǒng)開辟了

46、更廣闊的前景。MIMO 技巧因?yàn)榭臻g中具備多個(gè)發(fā)射的天線和接收的天線，因此在信道模式、信道系統(tǒng)的容量等方面都有其特別獨(dú)到的復(fù)雜性。介紹了 MIMO 系統(tǒng)的 MIMO 結(jié)構(gòu)。2.4.1MIMO2.4.1MIMO 系統(tǒng)的概念系統(tǒng)的概念MIMO 技術(shù)的出現(xiàn)為無(wú)線移動(dòng)通信開創(chuàng)了一個(gè)嶄新的領(lǐng)域，可以在很大程度上提高系統(tǒng)的頻譜效率。簡(jiǎn)單來說 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)射端天線的總共發(fā)射功率保持不變。然后，再由接收端的多條天線單獨(dú)的收到多個(gè)不同的數(shù)據(jù)流，在接收終端將其辨認(rèn)判別，而且是使用 MIMO 解調(diào)技巧，最后規(guī)

47、復(fù)出來發(fā)射端天線的原數(shù)據(jù)流。（1）分集增益多徑衰落信道的傳輸?shù)目煽啃钥梢酝ㄟ^由每個(gè)天線的空間分集改善。一個(gè)發(fā)射天線的傳送途徑中的數(shù)據(jù)體驗(yàn)了深度削弱的假設(shè)的情況下，其他一個(gè)相對(duì)來說獨(dú)立的傳送途徑很可能有一個(gè)較強(qiáng)烈的信號(hào)輸送。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20-30dB13的幅度。（2）陣列增益就是通過預(yù)編碼技術(shù)或是波束成形技術(shù)，把一個(gè)甚至多個(gè)指定方向上的能量集合起來。（3）空間復(fù)用增益它使用了空間道彼此之間的強(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?/p>

48、。2.4.2MIMO2.4.2MIMO 系統(tǒng)常見的幾種傳輸模式系統(tǒng)常見的幾種傳輸模式（1）單天線模式11 / 42單天線模式就是傳統(tǒng)無(wú)線傳播信道，也就是理解意義上的一發(fā)一收，即單個(gè)發(fā)射天線發(fā)送數(shù)據(jù)流，經(jīng)由信道，再由單個(gè)接收天線接收。11發(fā)射端接收端圖 2-5單天線模式（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。122h22h11h12h2111發(fā)射端接收端圖 2-6天線發(fā)射端口的發(fā)射分集（3）空間復(fù)用模式空間復(fù)用就是發(fā)射端的多根天線同時(shí)發(fā)送不同的信號(hào)，接收端的多根天線分別接收，提高了傳輸數(shù)據(jù)量和系統(tǒng)的有效性。1122發(fā)射端接收端圖 2-7空間復(fù)用

49、模式MIMO 體系在輸入訊息的過程中，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，然后在一樣頻率下通過不同天線發(fā)送出去。在體系的回收端，12 / 42因?yàn)樾盘?hào)的傳輸途徑不止一條，因此不光要保證天線組數(shù)不少于發(fā)射天線數(shù)目，還應(yīng)該準(zhǔn)確地估算出來信道的特色和子碼流間的干系。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。它的工作原理如圖 2-8 所示。空時(shí)處理RXRXRX空時(shí)處理TXTXTX多徑信道圖2-8MIMO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

50、較好。2.4.3MIMO2.4.3MIMO 系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)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。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)。當(dāng)傳輸信道為瑞利衰落和單獨(dú)存在，MIMO 收發(fā)器是 N M，其容量可表示為式（2-1）:HzbpsHHMICHN/detlog2(2-1)上式中，是接收端收到信息的平均信噪比，MNnmhH是信道的系數(shù)矩陣，其元素nmh是其中一條路徑的衰落系數(shù)。如果M，N很大，那么信道容量可以近似為：2/log,min2NMC (2-2)由式（2-2）知，當(dāng) minM,N線性增大

51、時(shí)，MIMO 體系的信道容量也會(huì)相互對(duì)應(yīng)的呈線性增長(zhǎng)的趨勢(shì)變大。13 / 423 3無(wú)線衰落信道的基本特征無(wú)線衰落信道的基本特征無(wú)線通信都是通過電磁波來傳遞消息的。電磁波在傳播過程中有直射、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)不再一樣。無(wú)線通信鏈路對(duì)信息傳輸?shù)挠绊懼饕ù蟪叨人ヂ浜托〕叨人ヂ?，而大尺度衰落又包括路徑損耗和陰影衰落，小尺度衰落包括頻域選擇性衰落、時(shí)間選擇性衰落和空間選擇性衰落。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。無(wú)線通信條件下，信號(hào)傳播過程中可能會(huì)經(jīng)過很多的障礙，比如建筑物、街道、大樹以與移動(dòng)的汽

52、車等等。信號(hào)的傳播路徑大致可以分為以下 4 種，在較開闊的地區(qū)，如草原和村莊，直線傳播比較常見；反射是信號(hào)傳輸?shù)牧硗庖环N重要的方式，14 / 42信號(hào)傳輸過程中往往要經(jīng)過建筑物、地面以與高山的反射；在無(wú)線通信模型中，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。3.13.1大尺度衰落大尺度衰落該模型適用于描述發(fā)送方和接收方之間的距離達(dá)到幾百或幾千米的信號(hào)強(qiáng)度的改變。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)間隨著傳輸距離和環(huán)境的變化而展現(xiàn)出來的緩慢的變化。無(wú)線通信信道對(duì)傳輸信號(hào)的大尺度

53、形象是通過途徑損耗和陰影衰落一起反映出來的。3.1.13.1.1 路徑損耗路徑損耗當(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)過距離 d 的 n 次方成反比。不管收發(fā)距離取何值，大尺度的路徑損耗都可以用下面的式子表示 Error!Error! ReferenceReference sourcesource notnot found.found.。 0010 logdPL ddBPL dnd(3-1) N 表示路徑損耗指數(shù)，表征了路徑損耗隨著距離增長(zhǎng)的速度，n 的值取決于傳輸環(huán)境。在自由空間條件下，n 的值取為 2。0d代表了近

54、地參考距離，d 表示收發(fā)雙方之間的距離。式(3-1)中的上劃線的含義是對(duì)于給定的 d 的全部可能路徑損耗的綜合平均值。3.1.23.1.2 陰影衰落陰影衰落電磁信號(hào)在傳輸過程中由于受到高山、高大建筑物等的的阻礙，在這些障礙物后面會(huì)產(chǎn)生電磁場(chǎng)的陰影，引起場(chǎng)強(qiáng)中值的波動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致信號(hào)的衰減，這種現(xiàn)象就被稱作是陰影衰落。它是由大尺度衰落模型來衡量的，統(tǒng)計(jì)特性往往服從的是對(duì)數(shù)正態(tài)分布。表達(dá)式(2-1)沒有考慮到收發(fā)距離一樣情況下不同位置環(huán)境不同。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。 0010 logdPL ddBPL dnXtd (3-2)其中，X是單位為 dB

55、 的均值為零的高斯隨機(jī)變量；是標(biāo)準(zhǔn)差，單位 dB。3.23.2小尺度衰落小尺度衰落在無(wú)線信號(hào)的傳輸過程中，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。具有不同相位的多個(gè)信號(hào)在接收方的疊加結(jié)果也不一樣：同相信號(hào)疊加的結(jié)果是使使信號(hào)幅度增強(qiáng)，反向信號(hào)的疊15 / 42加則會(huì)使信號(hào)幅度衰減。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)象被稱作小尺度衰落。由以上定義可知，小尺度衰落反映的是在較短的距離或者時(shí)間接收信號(hào)所呈現(xiàn)的快速起伏特性。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。3.2.13.2.1 頻率選擇性衰落

56、頻率選擇性衰落頻率選擇性衰落產(chǎn)生的原因是信號(hào)的多徑效應(yīng)，由于傳輸過程中的多徑效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生時(shí)延擴(kuò)展，在頻域發(fā)生頻率選擇性衰落，信號(hào)在不同頻率上的衰減特性不同，有的頻率上急劇衰減而有的頻率上具有緩慢衰減的特性。3.2.23.2.2 時(shí)間選擇性衰落時(shí)間選擇性衰落無(wú)線通信中發(fā)射方和接收方的相對(duì)運(yùn)動(dòng)或無(wú)線信道中其它物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致無(wú)線通信信道具有時(shí)變性。而無(wú)線通信信道是時(shí)變性引起了時(shí)間選擇性衰落，信號(hào)的頻帶寬度被展寬。多普勒擴(kuò)展和相干時(shí)間是描述信道事變性的參數(shù)。3.2.33.2.3 空間選擇性衰落空間選擇性衰落信息在當(dāng)?shù)厣⑸潴w作用下出現(xiàn)角度上的擴(kuò)大，招致天線之間生成必然的相互關(guān)聯(lián)性，這稱為空間上的選擇性的衰

57、落，相干距離往往來描述。多徑信號(hào)到天線陣列的到達(dá)的角度的擴(kuò)展變寬稱之為接收機(jī)的角度擴(kuò)展。一樣，多徑的反射和散射造成的發(fā)射角的擴(kuò)展變寬被認(rèn)為發(fā)射機(jī)的角度的擴(kuò)展。角度擴(kuò)展告訴了接收信號(hào)的集中能量的角度疇，發(fā)生空間的選擇性的衰落，也就是說信號(hào)幅值與天線的空間地位有一定的聯(lián)系。相干距離定義為兩根天線上的最大空間距離，當(dāng)信道響應(yīng)的保持很強(qiáng)的相關(guān)性的時(shí)候。較短的相干距離，角度擴(kuò)展越大，相反，較長(zhǎng)的相干距離，角度擴(kuò)展越小。表 3-1衰落信道的特性信道選擇性信道擴(kuò)展相干參數(shù)頻率選擇性時(shí)延擴(kuò)展相干帶寬時(shí)間選擇性多普勒擴(kuò)展相干時(shí)間空間選擇性角度擴(kuò)展相干距離16 / 42綜合三種小尺度衰落特性，表 3-1 歸納了三

58、種衰落信道的特性，表 3-2 歸納了三種衰落信道的分類。表 3-2 衰落信道的分類基于參數(shù)衰落信道分類滿足條件平坦衰落信道信號(hào)帶寬時(shí)延擴(kuò)展時(shí)延擴(kuò)展頻率選擇性衰落信道信號(hào)帶寬相干帶寬; 信號(hào)周期相干時(shí)間; 信號(hào)帶寬多普勒擴(kuò)展多普勒擴(kuò)展慢衰落信道信號(hào)周期多普勒擴(kuò)展標(biāo)量信道單天線系統(tǒng)角度擴(kuò)展矢量信道角度擴(kuò)展不為零的多天線系統(tǒng)3.2.4Rayleigh3.2.4Rayleigh 和和 RiceRice 衰落衰落無(wú)線通信的信號(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。下面的式子表示信道矩陣 H 的元素:,1,.,;1,.,pqjpqpqrtHr epMqM (3

59、-3)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一樣的衰落分布，比如萊斯衰落分布和銳利衰落分布 Error!Error! ReferenceReference sourcesource notnot found.found.Error!Error! ReferenceReference sourcesource notnot found.found.。1) Rayleigh 衰落接收信號(hào)可以看作是由很多的平面波組合而成的，這種接收信號(hào)即是廣義平穩(wěn)復(fù)高斯的平穩(wěn)隨機(jī)過程，所以可以利用廣義平穩(wěn)復(fù)高斯隨機(jī)過程對(duì)信道進(jìn)行建模。瑞利分布的概率密

60、度函數(shù):17 / 42 222exp02rrp rr (3-4)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。小于等于 R 的接收信號(hào)的包絡(luò)由下面的式子(CDF)給出： 2201 exp2RrRP RP rRp r dr (3-5)2) Rice 衰落當(dāng)傳播路徑中存在直射波時(shí)，小尺度衰落的包絡(luò)服從萊斯分布。在這種情況下，從不同的角度而來的多徑分量疊加在靜態(tài)主要信號(hào)。包絡(luò)檢波器的檢波輸出就會(huì)多出一個(gè)直流分量。主要的信號(hào)到來是伴隨著許多薄弱的多徑信號(hào)，形成萊斯分布。當(dāng)主信號(hào)減弱，混合信號(hào)包絡(luò)服從瑞利分布。所以說，當(dāng)主信號(hào)分量減弱時(shí)，萊斯分布轉(zhuǎn)換為瑞利分布。Rice 分布