8多输入多输出系统的研究与设计调研报告

1本科生毕业论文(设计)调研报告题目：多输入多输出系统的研究与设计学生姓名：魏克文学号：200615020317专业班级：通信06103班指导教师：侯清莲完成时间：2009年12月15日2多输入多输出系统的研究与设计一、主要目标任务通过实验室已有设备，从多输入多输出无线通信系统的基本概念入手，介绍多输入多输出系统，分析了其结构和工作原理，给出多输入多输出系统的硬件实现及必须的软件实现。通过该课题的设计，使我们在调查研究、文献资料查阅及综述、系统分析、系统设计、系统调试和论文及技术文件撰写等环节上完成工程师的基本训练。并培养我们在解决实际问题过程中，独立制订方案、独立思考、独立分析和解决问题的能力。二、设计的主要要求①掌握Visio、Protel等软件的使用。②研究多输入多输出系统，并对其容量情况进行仿真实现。③实现多输入多输出系统的硬件设计和软件设计。三、简要工作原理对于未来移动通信系统而言，如何能够在非视距和恶劣信道下保证高服务质量(QoS)是一个关键问题，也是移动通信领域的研究重点。对于单输入单输出(SinglelnputSingleOutput，SISO)系统，如果要满足上述要求，就需要较多的频谱资源和复杂的编码调制技术，而频谱资源的有限和移动终端的特性都制约着SISO系统的发展，因而MI—MO是未来移动通信的关键技术。MIMO技术主要有两种表现形式，即空间复用和空时编码，这两种形式在WiMAX中都得到了应用。WiMAX还给出了同时使用空间复用和空时编码的形式，支持MIMO是协议中的一种可选方案。一方面，在传统的SISO系统中，一组N条下行物理信道(代码)将在许多用户之间共享传输；另一方面，当使用具有M副发射天线的开环MIMO体系结构时，使用同一组代码，每个代码可以重用n次，且每个代码可以调制不同的子流。更准确地说，高速数据源可以进行编码、速率匹配和交织。MIMO发射机的工作原理是把该数据流被解复用为MN个数据子流，且M个数据子流的第n组(n＝1，．．．，N)子流可以使用第n个扩展码进行扩展。每组的第m个数据子流(m＝1，．．，M)可以进行相加，并通过第m副天线传送出去，这样共享同一扩展码的子流就可通过不同的天线进行3发送。对于M＝2或M＝4的天线，我们可以使用导频符号序列2或序列4天线的STTD(SpaceTimetransmitDiversity，空时发送分集)闭环发射分集。用户站(SS)使用多副天线和空间信号处理，来区分共享同一扩展码M个子流。现介绍MIMO接收机的工作原理，每对发射／接收天线对都需要UE端的一致性检测和复杂的幅度信道估计。MP复杂信道系数代表了平滑衰落信道的特点，而LMP系数(其中L为RAKE接收机数)则代表了频率选择性信道的特点。我们通过计算接收信号与M个正交导频序列的相关性来获取信道估计结果，与传统单天线接收机相比，该接收机具有较高的复杂性(因子为M)。为了对数据进行检测，每副天线需要用到一组与N个扩展码匹配的滤波器，如每副天线需要一个LN解扩器。空时RAKE操作(即通过对相应信道估计值进行复杂的共轭运算，得到对应的LP解扩器输出，进行相加形成充分统计量)，可应用于每个不同的MN数据子流中。通过其他代码传输的子流，即多址干扰(Multi-accessInterference，MAl)，确实会对平滑衰落信道中共享同一扩展码的M个子流的充分统计量产生影响，因为代码的正交性可以由信道在保持。对于每组M个同码子流来说，多用户检测仪通常用于消除MAI的影响。四、课题文献综述1、《多天线自适应OFDM系统[J]》1）作者：李振东2）自适应OFDM(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing)系统根据信道情况自适应地分配各个子载波发送的比特和功率,在频率选择性衰落信道条件下,它比传统的OFDM系统有更好的误比特性能。将自适应OFDM系统与MIMO(MultipleinputMultipleoutput)技术相结合,并充分利用发送端知道信道信息的条件,提出了一种多天线自适应OFDM系统,仿真结果表明,该系统与没有采用自适应算法的多天线OFDM系统相比,误比特性能有了显著提高2、《下一代宽带无线通信OFDM与MIMO技术[M]》1）作者：周恩2）摘要：本书系统地阐述了下一代宽带移动通信两大核心技术（OFDM、MIMO）的基本原理、关键点以及两者融合等相关问题。全书共分12章，主要探讨了物理4层上的一些关键技术，包括OFDM系统的峰均比（PAPR）问题、同步技术、信道估计以及多址接入技术等，阐述了MIMO信道模型与容量分析、MIMO检测算法以及MIMO-OFDM系统等相关技术，并对OFDM系统中资源调度、MIMO系统中空时调度问题进行了探讨。3、《TD-SCDMA第三代移动通信系统协议体系与信令流程[M]》1）作者：段红光，毕敏，罗一静2）摘要：本书从信令角度全面介绍TD-SCDMA系统的基本知识，包括TD-SCDM协议体系的发展进程、网络结构及其发展趋势、各个模块之间的接口信令、系统的安全策略、系统组网以及TD-SCDMA系统的一些增强技术内容。其中，重点介绍接入网信令，即Uu、Iub、Iur、Iu接口的结构和与之相应的信令流程，以及和这些流程相关的基本知识，对TD-SCDMA中的物理层暂不做详细介绍。本书拟以通俗易懂的方式，将复杂的TD-SCDMA系统信令进行有机统一的介绍，使读者能在很短的时间内对TD-SCDMA系统信令有一个比较全面的认识。本书可供从事或即将从事TD-SCDMA系统开发、研究、工程工作的技术人员阅读，也可作为技术培训的参考书籍。4、《基于TDD的第四代移动通信技术[M]》1)作者：谢显中2）本书主要探讨B3G/4G移动通信系统的无线传输技术（RTT）,特价强调中国具有自主知识产权和雄厚基础的LAS技术、TDD技术和VENO技术，并侧重与TDD模式相关的物理层技术，主要包括：TDD模式及相关的Pre-RAKE和JT技术、OFDM技术、智能天线（SA）、空时处理（STP）、MIMO技术、AMC技术、HARQ技术、无线资源管理、LAS-CDMA、定位技术等部分。本书系统性强，注重理论与实际应用的结合，不仅包括最新的理论原理，还有几天的性能分析和仿真结果。5、《MIMO相关技术与应用[M]》1）作者：黄韬2）摘要：统地阐述了MIMO（多输入多输出）多天线收发技术的基本原理、关键技术以及最新的理论和研究成果。本书从MIMO信道模型及这从量适应症手，5对编码设计准则和主要的空间编程了技术作了详细介绍，并引入了相关领域知识。本书主要围绕MIMO的基本理论及在无线通信系统中的相关应用进行介绍，既有各种性能分析与仿真结果，又有生动的应用举例。本书内容新颖、系统性强，适用对象为无线通信工程及相关专业的研究生、工程师和科研人员。6、《MIMO通信系统编码[M]》1）作者：（美）多曼，（加）格拉耶布2）摘要：本书重点论述了MIMO通信系统编码技术的基础和最新应用。全书共分11章，首先简单回顾了MIMO技术的进展；介绍了衰落信道与分集技术、MIMO系统的信道容量和信息速率问题；系统、深入地阐述了MIMO系统中的空时分组码、空时格形码、分层空时码、级联码及迭代译码、酉空时码和差分空时码、频率选择性衰落信道下的空时编码，并详尽地探讨了MIMO通信系统中的天线选择等一些实际问题。全书概念清晰，事例详实，取材新颖，充分反映了近年来关于MIMO通信编码的新理论。7、《多输入多输出系统信道容量研究[J]》1)作者：王君,朱世华,王磊2）摘要：该文研究接收端采用均圆阵天线阵放置空间有限的条件下,存在相关衰落时MIMO系统的信道容量。建立了衰落相关模型,分析了散射角大小及天线数对信道容量的影响,采用随机理论推导了M×N的MIMO系统信道容量的闭式解。分析结果表明,MIMO系统信道容量主要由衰落相关矩阵的特征值决定。仿真结果表明,在接收端窄间有限的情况下,天线数增大到一定程度时,信道容量达到饱和,再增加天线数,对信道容量的影响很小。8、《多输入多输出(MIMO)系统信道容量技术[J]》1）作者：张丽果,陈建安2）摘要：本文讨论了在多输入多输出(Multiple—InputMultiple—Output，MIMO)信道上传输的基本容量极限。首先假设信道矩阵是独立的复高斯变量，按熙这种理想环境推导出MIMO信道容量；最后通过对几种固定系数信道容量进行分析得出MIMO系统可以大大提高系统的信道容量。69、《基于多径时延跟踪的MIMO-OFDM系统信道估计》1）作者：井雅,王东明,陈明,程时昕2）摘要：针对MIMO-OFDM系统，提出了一种低复杂度的基于多径时延跟踪的信道估计算法，并分析了信道估计的均方误差和计算复杂度．分析和仿真结果表明，这种算法通过对多径的跟踪降低了需要估计参数的维数，从而提高了信道估计的性能，并且降低了运算复杂度。10)《ChannelemulationsupportsmobileMIMO》1）作者：Nelson,Rick2)摘要：Thearticlerepoutsonthesignificantroleplayedbychannelemulatorsintestingandmeasuringtheeffectivenessofmultiple-inputmultiple-output(MIMO)broadbandwirelesstechnology.Itrevealsthatchannelemulatorsutilizeschannelmodelsandprogramsthatefficientlyassesspropagationofsignalsinmultipleantennas.TheinstrumentshasalsobeenfoundtoenhancetheMIMO’scomunicationpenformance.五、总体方案设计1、多输入多输出系统（MIMO）的概念传统的天线通信系统是采用一个发射天线和一个接收天线的通信系统，即所谓的单输入单输出（SISO）天线系统。但该系统在信道容量上具有一个通信上不可突破的瓶颈——Shannon容量限制。而多输入多输出（MIMO）系统的出现则较好的解决了这一问题。MIMO系统是在无线通信智能天线技术的基础上发展起来的，其主要特点就是在通信系统的收发两端采用多天线配置，以解决未来移动通信系统大容量高速率传输和日益紧张的频谱资源间的矛盾。和智能天线技术不一样的是，在MIMO系统中从任意一个发射天线到任意一个接收天线间的无线信道是相互独立的或者具有很小的相关性。在通信领域，MIMO并不是一个新的概念，Salz在1985年就首先讨论了加性噪声MIMO信道中存在耦合的优化问题，而后被拓展到数字环路中消除码间干扰的判决反馈均衡问题，以及联合收发的优化问题。但是对无线移动通信系统中多入多出技术产生巨大推动的奠基工作则是在90年代由AT&TBell实验室的学者完成的。1995年Telatar给7出了在Rayleigh衰落情况下的MIMO容量；1996年Foschini提出了一种MIMO处理算法——对角-贝尔实验室分层空时（D-BLAST）算法；1998年Tarokh等讨论了用于MIMO系统的空时码；1998年Wolniansky等人采用垂直-贝尔实验室分层空时（V-BLAST）算法建立了一个MIMO实验系统，在室内试验中达到了20bps/Hz以上的频谱利用率，这一频谱利用率在普通系统中极难实现。多径通常会引起衰落，这在普通的通信系统中是非常不利的。但对于MIMO系统来说，多径却可以作为一个有力因素加以利用。MIMO技术于发射端和接收端使用多根天线，在发射端串行数据符号流经过一些必要的空时处理后被送到天线进行发射，在接收端通过各种空时检测技术进行数据符号的恢复。通常为了保证各个子数据符号流能够有效分离，各个天线之间必须保持足够大的距离（通常要求半个载波波长以上），以防止接收信号间过大的相关性。由于各子数据符号流同时发送到信道，它