MIMO系统的信道容量分析 及Matlab仿真

学校代码14199学号00909002分类号密级本科毕业论文（设计）教学部信息工程教学部专业名称通信工程年级2009级学生姓名包宇坤指导教师黄威2013年5月21日MIMO系统的信道容量分析及Matlab仿真本科毕业论文(设计)MIMO系统的信道容量分析及Matlab仿真摘要：MIMO技术是在通信系统的收发两端放置多根天线的一种通信技术。多输入多输出技术是近年来无线通信领域理论研究的一个重大突破。该技术能在不增加系统带宽和发射功率的前提下大大增加系统容量、提高系统频带利用率、改善系统的性能,从而成为新一代高数据率、多数据类型无线通信系统的关键技术。众所周知,信道容量表示一个通信系统的极限传输率。由于对容量分析结果会对实际通信系统的设计提供理论依据和指导。因此,对MIMO系统信道容量的分析无疑是一个重要而基本的研究课题。本文对MIMO系统进行了研究,主要集中在MIMO系统的信道容量分析。首先从MIMO的概念入手，介绍了当前的无线通信技术。然后围绕MIMO无线通信系统进行了展开，介绍了MIMO技术的基本原理、空时编码技术和MIMO系统的模型与容量。随后对仿真软件MATLAB做了简单的介绍。最后应用MATLAB软件对不同发射天线、不同接收天线、不同信噪比下的MIMO系统容量进行计算机仿真，并对仿真结果进行了分析。关键字：MIMO技术,信道容量,空时编码,无线通信本科毕业论文(设计)ChannelcapacityofMIMOsystemsanalysisandMatlabsimulationAuthor：BaoYukunTutor：HuangWeiAbstract：Multiple-input-multiple-output(MIMO)isacommunicationtechnologythatmultipleantennasaresettransmittersandreceivers.Itisanimportantbreakthroughintheareaofwirelesscommunication.Thesystemcapacityandfrequencyspectrumefficiencyofcommunicationsystemscanbeimprovedbythistechnologywithoutextrafrequencybandwidthandwithnoadditionalpowerexpenditure.MIMOisbecomingakeytechnologyofthenewgenerationhighdataratewirelessmobilecommunicationsystem.Aswellknown,thechannelcapacityofacommunicationssystemisthelimitofthetransmissionrate.Theanalysisresultsofcapacitycanprovidethetheoreticalbasisandguidancetotheactualcapacitycommunicationssystemdesigned.Therefore,theMIMOsystemchannelcapacityanalysisisanimportantandbasicresearchtopics.ThispaperinvestigatestheMIMOsystem,mainlyconcentratedinthecapacityoftheMIMOsystem.Firstofall,fromtheperspectiveoftheconceptofMIMO,thispaperintroducesthecurrentwirelesscommunicationtechnologies.ThenrevolvesaroundMIMOwirelesscommunicationsystem,introducesthebasicprincipleofMIMOtechnologyspace-timecodingtechniqueandmodelandthecapacityofMIMOsystem.Afterthis,thepapermakesasimpleintroductionaboutthesimulationsoftwareMATLAB.Atlast,appliesMATLABsoftwaretosimulatethissystemindifferenttransmittingantenna,differentreceivingantennaanddifferentsignaltonoiseratio.Andmakesomeanalysisofthesimulationresults.Keywords：MIMOtechnology，channelcapacity，Space-TimeCoding，wirelesscommunication本科毕业论文(设计)目录第1章绪论11.1MIMO的概念11.2无线MIMO技术的研究现状21.3论文的主要内容3第2章MIMO无线通信系统42.1MIMO技术的基本原理42.2空时编码技术52.2.1空时编码技术及其分类52.2.2空时编码技术的应用前景62.3MIMO系统信道容量62.3.1MIMO系统信道模型62.3.2MIMO系统信道容量推导9第3章MIMO系统容量仿真143.1MATLAB简介143.2搭建MATLAB仿真平台143.3MIMO系统信道容量的仿真和结果分析16结论18致谢19参考文献20附录21本科毕业论文(设计)第1页第1章绪论未来移动通信的目标是，能在任何时间、任何地点、向任何人提供快速可靠的通信服务。具有高数据率、高频谱利用率、低发射功率、灵活业务支撑能力的未来无线移动通信系统应将无线通信的传输容量和速率提高十倍甚至数百倍。但是，随着各种无线通信业务和宽带数据业务的不断发展，无线资源，尤其是频谱资源变得越来越紧张。针对有限的频谱资源,如何最大限度的提高频谱利用率,是当前研究的一个热门课题。MIMO技术无疑是众多方法中最具潜力和最具优势的一项技术,也是本文的主要研究对象。1.1MIMO的概念传统的无线通信系统是采用单输入单输出（SISO）天线系统。所谓的单输入单输出（SISO）天线系统就是一个发射天线和一个接收天线的通信系统。在信道的容量上，SISO系统有一个通信上很难突破的瓶颈，那就是Shannon容量的限制。我们无论采取什么样的调制技术、不同编码的策略或是其他的办法，在实际中，无线通信工程总是被无线信道的实际物理限制。这是在现如今无线通信市场中严峻的问题。为了应对用户对更高的数据传输速率的迫切需求，因此进一步提高无线通信系统的容量是势在必行的。可以实现这个目标的方法有很多，如设置更多的基站、拓宽带宽等。增设基站意味着采用更多的蜂窝，这是提高容量代价最大的办法。由于目前实际的无线应用市场仍是在3G系统和WLAN之间，是微波频带，加大该频带的带宽，就会导致与现行系统具有非常大的兼容性问题，其代价也是很昂贵的，因此更高频段的使用在近期内不是提高无线通信系统容量问题的最佳解决方法。在单天线系统中，提高系统容量的另一个方法是加大系统的发射功率。加大系统发射功率可能引起人的健康状况的变化，对硬件设计者来说，这是非常困难的，因为功放器件在大功率下的线性工作特性是很难设计的。另外，散热及发射功率的加大所引起的功率消耗也是移动终端要考虑的问题。还有一个办法就是通过使用分集技术提高系统的容量，提高发射/接收信噪比，以增大系统的容量。这样就发展为现在的SIMO系统和MISO系统。SIMO和MISO技术的进一步发展就自然产生了收发两端同时采用阵列天线的系统——MIMO系统。1996年,贝尔实验室的G.J.Foschini提出了BLAST系统,该系统采用MIMO技术实本科毕业论文(设计)第2页现了数据的并行传输,使无线链接的容量提高了20到30倍。MIMO技术突破了香农容量的界限,使无线传输的容量达到有线传输的水平成为可能。1998年G.J.Foschni和M.J.Gans从信息论的角度分析了多天线系统在衰落环境中的信道容量。研究表明,在散射环境中,MIMO技术可以在不增加带宽和发射功率的情况下成倍提高通信系统的通信容量和频谱利用率。在瑞利衰落环境中大信噪比时,MIMO系统的信道容量与收发天线最小数目成正比。MIMO技术在提高信道容量方面获得如此的突破,其原因就在于该技术将通常不利于无线通信的多径衰落转变为有利因素,充分利用了随机衰落和可能存在的多径传播来成倍的提高数据传输速率。正是由于MIMO技术具有这些优势，因此一经提出就引起了广泛的关注,一直是无线通信技术领域的一个热门研究课题。1.2无线MIMO技术的研究现状从Winters对无线通信系统空间分集与系统容量关系的讨论，到Telatar和Foschini关于MIMO信道容量的理论分析，这些研究奠定了MIMO无线通信的信息论理论基础。而BLAST的试验结果则从实践的角度证明了MIMO——这种在无线链路的发送端和接收端同时使用多个天线的通信结构，能够在不占用额外频谱带宽的前提下，有效地提高信道容量。上述研究掀起了近几年无线通信领域对MIMO研究的热潮，也标志着MIMO无线通信研究的真正开始。在MIMO技术成为无线通信研究热点之前，智能天线及空域自适应信号处理技术一直是无线通信领域的研究热点之一，并被期望应用于第二代和第三代移动通信系统中。与智能天线技术相比较，与基于MIMO的编码和信号处理技术是对智能天线技术的继承和重大突破。一方面，从通信结构的数学模型来看，智能天线信号模型的单输入多输出（SIMO）结构可视为MIMO无线通信系统的一个特例；另一方面，从涉及通信的深度来看，MIMO技术不仅包含了智能天线技术的信号处理，其近来的发展已经涉及编码、调制和网络系统结构等方面。比如，最具代表的空时编码（STC）技术和自适应MIMO调制，以及分布式MIMO天线系统和协同空时无线通信结构等，都已经突破了智能天线技术包括的自适应空时信号处理技术。从1998年开始，跟随着Telatar、Foschini以及Rayleight等人的脚步，国内外著名的无线通信研究机构和学者们对MIMO技术开始了大量的深入研究。在近几年的国际通信与信号处理相关领域的学术会议也都将MIMO无线通信列为一个重要的主题。总本科毕业论文(设计)第3页结近几年来关于MIMO技术的研究，可以发现，MIMO技术研究的内容主要包括4个方面：（1）MIMO衰落信道的测量和建模方法；（2）MIMO信道容量的分析；（3）基于MIMO的空时编/解码方法；（4）基于MIMO的接收机关键技术，如信道估计、均衡、多用户检测等。这4个方面的相关研究涉及了MIMO无线通信的各个子问题。虽侧重角度各不相同，但都面对着一个相同的核心问题，即针对各种复杂的无线衰落信道环境，如何有效的利用MIMO通信结构抗多径衰落、增加数据传输速率以及提高系统容量。1.3论文的主要内容本论文主要研究的是MIMO无线通信系统的信道容量问题。在弄清MIMO系统的原理的基础上，简要的介绍了一下与MIMO技术有关的空时编码技术。然后从理论上分析MIMO系统的信道，推导MIMO系统的容量公式。最后用MATLAB软件对MIMO系统的容量进行计算机仿真，验证它的正确性。此外，由于本文在仿真的时候需要用到MATLAB软件，因此，我在对系统进行仿真之前，对在仿真中会用到的MATLAB知识也做了简单的介绍。本科毕业论文(设计)第4页第2章MIMO无线通信系统2.1MIMO技术的基本原理任何一个无线通信系统,当它的接收端和发射端都采用多副天线进行数据传输时,该系统就可以称为MIMO无线通信系统。MIMO系统通常使用分布式天线,天线单元间距较大,天线上信号可以认为是独立的。MIMO技术有效利用了随机衰落和多径传播来提高传输速率和质量,其优势在散射物丰富的环境中可以得到充分的体现。图2.1给出了