MIMO系统的信道容量分析

摘要MIMO技术是无线通信技术发展的一次重大飞跃，它能够突破无线频率资源限制，大幅度提高无线通信系统效率，被认为是无线通信技术未来发展的方向。然而，MIMO技术也彻底打破传统的无线通信模式，它要求系统使用多根发射和接收天线同时地发射和接收数据，使得无线通信系统结构、分析方法、调制、编码、信道估计、检测和多址方式等各个方面面临挑战。本文在国内外相关研究工作的基础上，针对MIMO信道容量理论进行深入研究。首先介绍了MIMO的研究现状，包括已取得的进展和存在的问题。并在移动无线信道特点的基础上，阐述了MIMO信道的特征，建立了数学模型。然后，仿真了数种典型恒定信道参数系统的容量以及空间相关性对信道容量的影响，进而得出结论：MIMO系统可以有效的提高信道容量,但是由于天线之间相关性的影响，MIMO系统容量也有所下降。其次，分析了STBC系统的容量，并将其与全开环MIMO系统的容量进行了比较。最后重点实现了OFDM技术的仿真，并讨论了MIMO-OFDM系统在频率选择性信道下的容量以及多径和空间相关对其系统容量的影响。关键词：多输入多输出信道容量空间相关性空时分组码正交频分复用AbstractMultiple-input-multiple-output(MIMO)technologyisasignificantbreakthroughinthedevelopmentofwirelesscommunicationtechnologies.Itcangetridoftheconstraintofradiofrequencyresourceandgreatlyincreasethespectralefficiencyofwirelesssystems,andthusisconsideredasthefuturedevelopmenttrendofwirelesscommunicationtechnologies.However,MIMOtechnologythoroughlybreaksthemodeoftraditionalwirelesscommunications,sinceitrequiresmultipletransmitandreceiveantennastosimultaneouslytransmitandreceivedatainformationinthesametime,whichchallengesalltheaspectsofwirelesscommunicationsincludingsystemarchitecture,analyticalmethods,modulation,coding,detection,channelestimation,multipleaccess,andsoon.Onthebasiscurrentresearchworks,thispaperinvestigatesMIMOchannelcapacity.Firstly,theauthorintroducesthecurrentstudyofMIMO,includetheinprovementswhichwerereceivedandthechallengeswhicharefaceingto.Then,itanalysesthewirelesschannels,andexpoundstheMIMOchannelcharacteristic,andmodelstheMIMOchannel.Secondly,itsimulatesthecapacityofseveraltypicalinvariablenessparameterchannelsandtheimpactofchannelspacecorrelationonthecapacityofMIMOsystem.Fromthesimulation,wecantaketheconclusionthatMIMOsystemcaneffictivelyimprovethannelisdecreased.Thirdly,itanalyzesthecapacityofSTBCsystem,thencomparisesthecapacityofMIMOsystemandSTBC.Finally,itissimulatedtheOrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing(OFDM),anddiscussedthatthecapacityofMIMO-OFDMsystemoverfrequencyselectivefadingchannels,thensimulatedtheimpecapacityofchannel,butduetotheimpactofchannelspacecorrelation,thecapacityofchactofmultiplepathsandchannelspacecorrelationonthecapacityofMIMO–OFDMsystem.Keywords：MIMOchannelcapacitycorrelationSTBCOFDM目录摘要.........................................................IAbstract......................................................II第1章MIMO系统概述..........................................11.1无线通信的发展概况....................................11.2MIMO系统的发展.......................................21.2.1研究的背景和意义.................................21.2.2已取得的进展.....................................41.2.3存在的问题.......................................51.3MIMO技术简介..........................................71.3.1MIMO系统的概念..................................71.3.2MIMO系统的特点..................................9第2章无线MIMO空时信道的一般理论..........................112.1移动无线信道的衰落特性................................112.1.1无线移动信道传播特性............................112.1.2三种经典的衰落分布..............................132.2无线MIMO空时信道模型.................................142.2.1信道矩阵H的计算................................152.2.2信道模型........................................16第3章MIMO系统的容量.......................................183.1引言..................................................183.2恒参信道条件下的MIMO信道容量分析.....................193.2.1各种系统的信道容量..............................193.2.2信道容量的仿真结果比较..........................243.3信道相关对MIMO信道容量的影响.........................263.3.1信道相关性的定义................................263.3.2相关信道模型....................................283.3.3相关信道下容量的分析............................29第4章STBC系统的信道容量分.................................314.1STBC概述.............................................314.1.1空时分组码的研究现状............................314.1.2STBC原理.......................................314.1.3STBC构造.......................................324.2STBC的容量分析与仿真.................................334.2.1STBC的容量分析.................................334.2.2STBC信道容量的仿真与分析.......................34第5章MIMO-OFDM系统的容量分析..............................375.1引言..................................................375.1.1OFDM技术.......................................385.1.2MIMO-OFDM技术..................................415.2MIMO-OFDM系统模型...................................425.3MIMO-OFDM各态历经容量分析与仿真.....................445.3.1MIMO-OFDM各态历经容量..........................445.3.2MIMO-OFDM各态历经容量的仿真与分析..............45结论........................................................47致谢.........................................错误!未定义书签。参考文献......................................................48附录1外文资料中文翻译.......................................50附录2外文资料原文...........................................56第1章MIMO系统概述1.1无线通信的发展概况无线通信最早可追溯到远古时代。在古代中国，每当外敌进袭之时，烽火台上便燃起熊熊狼烟。敌军入侵的消息从一个烽火台传递到另一个烽火台，直至千里之外的京师……几千年后，无线通信的方式发生了根本性的改变。1896年，赫兹用实验证明了电磁波的存在，从此无线通信就跨入了“电波时代”。1897年，马可尼实现了横跨布里斯托尔海峡的无线电通信。至此，现代无线通信已初具雏形。现代数字无线通信起源于1924年奈奎斯特的研究。奈奎斯特提出了带限信号采样定理的形式，这使通信的数字化成为可能。1948年，C.E.Shannon发表了著名论文《通信的数学理论》，此文为数字无线通信奠定了数学基础，并给出了数字通信系统的基本限制。1950年，汉明对纠错编码进行了深入研究，他的成果被广泛地应用于实际通信系统。在此后的几十年中，随着人类对信息日益增长的需求，无线通信经历了更加迅猛的发展。如今，通信方式已由模拟转变为数字，通信对象已