MIMO无线信道仿真分析

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1、·南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文第一章绪论第一章绪论移动通信技术的发展可谓日新月异，从1G、2G、3G，直到最近刚刚取得牌照的4G技术，可以说移动通信正不断与我们平日的生活息息相关。随着移动通信的无线接入需求的广泛应用，未来将会需要更大，更快，更强的宽带通信系统。1.1MIMO系统的研究背景与意义在过去，无线通信的系统配置为，发射端与接收端的部分各配置一根天线。这种单天线系统成为单输入单输出（SingleInputSingleOutput,SISO）系统。对于SISO系统，C.E.Shannon提出了香农定理，这个定理帮助我们能够方便地计算出信道容量，即：WCæç+Sö2è

2、Nø其中W为带宽，SN为接收端的SNR。用W归一化后，得到宽带的使用率hæç+Sö=log1÷2èNø，上式给出了在有噪声的一般条件下，能够进行可靠通信的上限速度。一般说来，要提高移动通信的信道容量，设置更多的基站是比较普遍的方法之一，还有就是让频谱更加有效地加以利用。但设置更多的基站就要增加更多的蜂窝小区，付出的成本颇高。有些专家提出采用分集技术，可以对频谱的使用率进行显著的提高。单输入多输出（SingleInputMultipleOutput,SIMO）系统则在接收端设置了多条天线进行分集接收，并利用最大合并比在一定程度上优化了SNR。而多输入单输出（MultipleInput

3、SingleOutput,MISO）的系统，则是在发射端设置多条天线，这样的信道在未知信道状态的条件下，发射天线的功率便只能平均分配到每一根天线上，从而不能采用波束形成技术和自适应分配发射功率，对于信道容量没有实质性的改善。随着技术不断发展，SIMO系统和MISO系统逐渐合二为一，成了现在应用非常广泛的MIMO技术。所谓MIMO技术，即是在发射端与接收端均使用多根天线的系统。图1.1为其系统原理图。···2万方数据···南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文第一章绪论发送端发送端发送端多径信道发送端空时空时处理处理发送端发送端图1.1MIMO系统原理图与目前已实现的信道容量相比，M

4、IMO的信道容量比起其他系统有了很大的扩充，在未来移动通信系统中，MIMO系统无疑成为了目前最先进系统的关键技术之一。要想充分体现该系统的性能以及大容量的优势，它的信道特性则是重中之重。所以，建立信道模型，分析影响信道容量的因素并在此之上选择合适的算法来估计系统的性能就非常关键了。1.1MIMO系统的研究现状以及存在的问题1.2.1MIMO系统的研究现状上世纪90年代，贝尔实验室的学者E.Telatar和J.Foshini[21][23]证明了MIMO系统可以取得巨大的信道容量，也突破了传统SISO信道容量的瓶颈，推广了C.E.Shannon信道容量。1996年，Foschini研

5、究出一种实现最大空间复用的MIMO方案[7]，也就是对角—贝尔实验室分层空时（D-BLAST）算法。1998年，Tarokh等研究出空时分组码（STBC），它能实现MIMO系统的最大分集方案[19]。同年，Wolniansky构建了MIMO试验系统，采用垂直—贝尔实验室分层空时（V-BLAST）算法。10年前，美国朗讯（Lucent）公司成功地测试了两款BLAST芯片，其最高速度达到了19.2Mbit/s[7]，BLAST研究小组去掉了难以想象的无线频谱效率：20~40bit/s/Hz。使用传统的无线调制技术，对于蜂窝移动通信系统取得的频谱效率为1~5bit/s/Hz；对于点对点的

6、微波通信系统取得的频谱效率为10~12bit/s/Hz。在30kHz的带宽···3万方数据···南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文第一章绪论内，Bell实验室在上述的频谱效率上实现了0.5~1Mbit/s的有效载荷数据速率，而使用传统的技术，在改带宽内取得的数据速率仅为50bit/s。而如今，随着MIMO系统不断被大家所认可，各大学术体系以及企业对MIMO无线通信系统的发掘越来越深入。国内外从算法技术，平台搭建，芯片开发等等项目上，对MIMO系统进行着不断地开发。在算法技术方面，主要采取的是分集最大化方案以及数据率最大化方案[59]。前者是利用了天线分集来对抗系统的衰落，MIM

7、O系统是一个矩阵信道，矩阵中的每一个因子都体现了天线之间的衰落系数，所以，联合多维的天线分集可以提高无线链路的可靠性，有效地应对信道衰落产生的不利环境。后者则是利用了MIMO系统所实现的空分复用。前文所提到的BLAST结构，就是将待发射的信息流分解为多路并行子流，对各路独立地进行编码，调制，而后映射到对应的发射天线上，接收端采用迫零或迫零结合干扰消除等技术奖多路子数据流分离。在平台搭建方面，从贝尔实验室验证了V-BLAST的可行性之后，人们便进行了开发MIMO测试平台