毕业设计（论文）-基于MATLAB的MIMO系统信道容量及性能分析.doc

西西 安安 邮邮 电电 大大 学学 毕毕 业业 设设 计（论计（论 文）文） 题 目： 基于 MATLAB 的 MIMO 系统信道容量 及性能分析 学 院： 通信与信息工程学院 专 业： 通信工程 班 级： 电科 1003 班 学生姓名： 易海博 导师姓名： 高佛设 职称： 讲师 起止时间： 2015 年 3 月 2 日至 2015 年 6 月 19 日 毕业设计（论文）诚信声明书毕业设计（论文）诚信声明书 本人声明：本人所提交的毕业论文基于 MATLAB 的 MIMO 系 统信道及其性能分析是本人在指导教师指导下独立研究、写作 的成果，论文中所引用他人的文献、数据、图件、资料均已明确 标注；对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以 明确方式注明并表示感谢。 本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 论文作者： （签字）时间：2015 年 6 月 5 日 指导教师已阅： （签字） 时间：2015 年 6 月 5 日 西安邮电大学 毕业设计(论文)开题报告 通信与信息工程 学院 电子信息科学与技术专业 10 级 03 班 课题名称：基于 MATLAB 的 MIMO 系统信道 容量及其新能分析 学生姓名： 易海博 学号：03102085 指导教师： 高佛设 报告日期： 2015 年 3 月 26 日 西安邮电大学本科毕业设计（论文）开题报告 学号 03102085 姓名易海博导师高佛设 题目基于 MATLAB 的 MIMO 系统信道容量及其性能分析 选题目的（为什么选该课题） 多输入多输出(MIMO)系统是近十年来现代数字通信领域最重大的技术突破之一。该技术催 生了许多先进通信技术，被认为是解决未来无线通信领域信道容量和频谱传输速率的的关 键技术之一。MIMO 系统发明之后，在短短几年内被广泛应用，其优势在于潜在容量巨大， 且随着收发天线数目较小的一方呈线性增长。MIMO 通信系统可以在不需要增加额外带宽和 额外功率的条件下，显著地提高信道容量和频谱利用率，这一特性使它成为无线通信领域 研究的热点。但由于使用多根天线同时发射信号，这就增加了接收端信号检测的难度，信号检 测的好坏直接关系到该系统的整体性能，所以信号检测技术的研究是该领域研究的一个热 点之一。 然而，MIMO 系统大容量的实现和系统其它性能的提高以及 MIMO 系统中用的各种信号处理 算法的性能优劣都极大地依赖于 MIMO 信道的特性，特别是个天线之间的相关性。最初对 MIMO 系统性能的研究与仿真通常都是在独信道的假设下进行的，这与实际的 MIMO 信道大 多数情况下具有一定的空间相性是不太符合的。MIMO 系统的性能在很大程度上会受到信道 相关性的影响。因此，建立有效的能反映 MIMO 信道空间相关特性并且适用于系统级和链 路级仿的 MIMO 信道模型对于选择合适的处理算法来评估系统性能就显得相当重要。 前期基础（已学课程、掌握的工具，资料积累、软硬件条件等） 已学课程：线性代数 A，概率论与随机过程 B，基于 Simulink 的通信系统，信号分析仿真， 数字信号处理 A，信息论与编码 A，数字信号处理器原理 B，数字通信系统设计，信号检 测与估值，软件无线电 掌握工具：VC+6.0 和 visual studio 编译器，Matlab 资料积累： 1.熟悉 MATLAB 2.4G LTE 物理层的 MIMO 技术 3.SISO、SIMO、MISO、MIMO 系统在慢衰落瑞利信道条件下的信道容量表达式进行理论 推导 4.MIMO 系统信道容量的分析和计算机仿真 软件条件：Windows 系统 ,matlab 硬件条件：PC 机一台（为软件提供基础） 要解决的问题（做什么） 1.对 MIMO 无线衰落信道模型和衰落统计特性的研究是设计空时处理和编码法、进行 MIMO 无线链路性能仿真和系统容量评估的首要问题。目前的研究主包括两个方面：一方面是对 MIMO 信道衰落空时统计特性的测量和理论分析；一方面是对 MIMO 信道建模方法的研究。 2.MIMO 信道模型的多天线的拓扑结构和摆放方式已不仅局限于阵列形式，还包括小尺度范 围的分集形式和扩展到大尺度的分散布置形式。此外，影响 MIMO 信道衰落特征的因素将 同时包括接收和发送端周围的空间和时间的衰落统计特性，这导致了从理论上描述 MIMO 信道空时衰落特征的统计特性的困难，也引发了 MIMO 信道建模的合理性、准确性和复杂 度等问题。因此，如何构建准确的 MIMO 信道模型来仿真现实的信道环境成为目前研究的 重点。 工作思路和方案（怎么做） 1.本课题主要研究 MIMO 球形译码检测算法性能，主要的技术指标如下： 信道容量：它代表每秒或每个信道符号能传送的最大信息量，或者说小于这个数的信息率 必能在此信道中无错误地传送。是描述系统有效性的标准。 2.选定题目，并开始查找相关资料了解题目含义；确定研究内容并完成开题报告； 重点学习 MIMO 相关知识，对基于瑞利信道的多天线系统进行建模，并着手论文的相关部 分内容。 3.查阅相关文献，了解无线衰落信道的基本特征，分析无线通信系统的大尺度衰落和小尺 度衰落的类型，同时完成此部分论文。查阅相关文献，研究发生频率选择性衰落时间选择 性衰落和空间选择性衰落的条件，以及慢衰落和快衰落的概念，同时完成此部分论文。 4.在 MATLAB 仿真软件上实现 SISO、SIMO、MISO、MIMO 系统在慢衰落瑞利信道条件下的信 道容量仿真。 5.完成论文，并仔细修改，准备答辩；毕业答辩。 指导教师意见 签字： 2015 年 3 月 30 日 西西安安邮邮电电大大学学毕毕业业设设计计 ( (论论文文) )成成绩绩评评定定表表 学生姓名易海博性别男学号03102085 专 业 班 级 电科 1003 班 课题名称 基于 MATLAB 的 MIMO 系统信道容量及其性能分析 指 导 教 师 意 见 评分（百分制）： 指导教师( (签字) )： 年 月 日 评 阅 教 师 意 见 评分（百分制）： 评阅教师(签字)： 年 月 日 验 收 小 组 意 见 评分（百分制）： 验收教师(组长)(签字)： 年 月 日 答 辩 小 组 意 见 评分（百分制）： 答辩小组组长(签字)： 年 月 日 评分比例指导教师评分 20() 评阅教师评分 30() 验收小组评分 30() 答辩小组评分 20() 学生总评 成绩 百分制成绩等级制成 绩 答 辩 委 员 会 意 见 毕业论文(设计)最终成绩(等级)： 学院答辩委员会主任( (签字) )： 年 月 日 页码为阿拉 伯数字，引 言为第一页 目录目录 摘要摘要 -I ABSTRACT-II 引言引言-1 1 绪论绪论 -2 1.1 选题背景-2 1.2 LTE 的研究背景-2 1.3 MIMO 的研究意义-3 1.4 论文的主要工作和贡献-4 2 LTE 系统介绍系统介绍-5 2.1 LTE 的关键技术-5 2.1.1 LTE系统和物理层相关的性能指标-5 2.1.2 多载波技术-5 2.2 LTE 的工作方式-6 2.2.1 FDD双工方式-6 2.2.2 TDD双工方式-6 2.2.3 H-FDD双工方式-7 2.3 无线帧结构-8 2.3.1 帧结构类型1 -8 2.3.2 帧结构类型2 -9 2.4 LTE 的关键技术 MIMO-10 2.4.1 MIMO系统的概念-10 2.4.2 MIMO系统常见的几种传输模式-11 2.4.3 MIMO系统的优点-12 3 无线衰落信道的基本特征无线衰落信道的基本特征-14 3.1 大尺度衰落-14 3.1.1 路径损耗-14 3.1.2 阴影衰落-14 3.2 小尺度衰落-15 3.2.1 频率选择性衰落-15 3.2.2 时间选择性衰落-15 3.2.3 空间选择性衰落-15 3.2.4 Rayleigh和Rice衰落-17 3.3 本章小结-18 4 MIMO 信道建模信道建模-19 4.1 信道容量的分类-19 4.2 发送端未知信道 CSI 时 MIMO 信道容量 -21 4.3 SISO、SIMO 和 MISO 信道容量-23 4.3.1 单输入单输出SISO系统-23 4.3.2 单输入多输出SIMO系统-24 4.3.3 多输入单输出MISO系统-25 5 结束语结束语-28 致谢致谢 -29 参考文献参考文献 -30 摘要摘要 近年来，随着无线通信的迅猛发展，多输入多输出(MultipleInput MultipleOutput，MIMO)技术已逐渐成为核心技能之一。首先不加多带宽，其次不 增加分外发射功率的前提条件下，信息的传输可以实现高速率，因而在有限的频率 带宽上可以完成更高速度信息传输的要求，这对稀缺的频谱资源的解决方案提供了 强有力的技术条件，因此具有广阔的应用前景的移动通讯体系。不过，在现实通讯 情况中 MIMO 的通讯机能长受到无线信道衰落特色的影响，是以 MIMO 的大范围使用 仍面临着大批尚待解决的问题。故需要对无线 MIMO 容量进行深入的研究。 LTE 物理层的 MIMO 技术使了用空间的自由度，在发射端和接收端采纳多天线技 术，充分发掘了潜在的空间资源，能够在不增添频率资源和天线发射功率的条件下， 成倍的升高系统的频带利用率和吞吐量。本论文调查研究了 4G LTE 物理层的 MIMO 技术，包括 LTE 体系网络结构、关键技术和帧结构等。对 MIMO 体系的信道容量进行 了剖析和计算机仿真，在理论角度上推导和剖析对比了 SISO、SIMO、MISO、MIMO 系 统信道容量表达式，这个推导的过程是在在慢衰落瑞利信道条件下进行的。文章还 分析了无线信道的基本特征和无线信道的多径效应，推导和描述了多径衰落的频率 选择性和信道响应时变特性的参数，推导了莱斯信道模型和瑞利信道模型的使用条 件，并且要给出典型模型的具体数学表达。 关键字：多输入多输出；衰落 I ABSTRACT MIMO(Multiple-Input 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 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 MIMO communication techniques The 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 case 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, SIMO, 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 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 基于 MATLAB 的 MIMO 系统信道容量及性能分析 0 引言引言 未来移动通信要满足在任何时间、任何地点、向任何人提供快速可靠的通信 服务的要求，将拥有高的数据传输率、高的频谱利用效率、低的发射功率、灵活的 业务支撑能力，会把无线通信的传输容量和速率提高十倍乃至数百倍。随着各种宽 带数据业务和无线通信业务的不断发展，无线资源，特别是频谱资源变得越来越紧 张，高效地利用有限的通讯资源已经成为了无线通信技术发展的关注所在。研究表 明，多天线的 MIMO 技术可以在不增加系统带宽和天线总发送功率的情况下，充分使 用空间资源，有效的对抗无线信道的衰落，大大提高系统的信道容量和频谱利用率。 第 1 章设置为绪论，主要陈述了 LTE 的研究背景及 MIMO 是研究意义。在第 1 章 的最后讨论了本篇文章的各章的主要研究内容与论文的主要架构及其贡献。第 2 章 主要讲述了 LTE 的关键技术和工作方式，无线帧结构关键技术 MIMO，得出 MIMO 系 统的优点 MIMO 技术利用多天线配置，充分利用时空资源，改善在衰落信道下的系统 容量。第 3 章主要介绍了无线衰落信道的基本特征，小尺度衰落影响着本地区域接 收机天线上的时延和信号电平动态衰落范围。无论信号带宽为多少，本地区域的平 均信号电平都是不变的。本章着重描述了无线信道的基本特征类型，并对大尺度衰 落和小尺度衰落模型中的进行详细研究。文章详尽描述了瑞利衰落信道模型和莱斯 衰落信道模型。第 4 章是 MIMO 信道建模，并分别对 SISO,SIMO,MISO 系统进行仿真。 第 5 章致谢。 基于 MATLAB 的 MIMO 系统信道容量及性能分析 1 1 绪论绪论 1.1 选题背景选题背景 通过几十年的发展演进的移动通信系统，从开始到现在已经过了几次。其中， 第一代的移动通讯系统(也就是 1G)产生在二十世纪八十年代，仅仅实现了可以通讯 的原始要求，这是一种基于模拟的信号方式的移动通信体制。从 2G 开始,移动通信 系统开始了第一次重大变革，引入了数字化的概念。3G 移动通信系统是一种创新， 这种创新具有宽带高速移动通信的世界。长期演进(LTE, Long Term Evolution)系 统12是 4G 系统。事实上，更确切地说，4G 系统指的是 LTE 系统的 Release10。 这个版本也被称为 LTE-Advanced，并有很多的传输速率的提高，等等。 3GPP (3rd Generation Partner Project)机构，全称为第三代合作伙伴计划， 根本掌管促成 LTE 项目（通用移动通讯体系技术的长期演进项目） 。源委大批高级优 秀的技术人才进行研发和考证，LTE 项目在许多方面都符合了第四代通讯技能的要 求和具有第四代通信技巧的特征，我们称之为“准 4G”技能。从 2008 年以后，技 能人员对更为优越的 LTE-A 系统举行了更深入体系的钻研，在本来的已经妥帖研究 LTE 技能的根本基础之上，通过添加一些先进的通信技术和原有技术的提高，在速 度上相对于原 LTE 系统 LTE-A 系统的性能有很大的提高，真正根据 4G 系统的要求完 成。在众多 4G 标准中,LTE 系统标准占据了一个举足轻重的位置。 1.2 LTE 的研究背景的研究背景 在低层面上，为了对付 WIMAX 标准的市场之间的竞争，在高层面上，为了融 合宽带无线接入与移动通讯，3GPP 驱动了 LTE 项目。 早期的宽带无线接入定位于替换有线宽带接入（如数字用户线（Digital Subscriber Line） ）技术，它的发展经历了固定本地接入，游牧城域接入到广域移动 接入的过程，体现出了明显的“宽带接入移动化”的趋势，以因特网（Internet）为 代表的信息技术（IT）行业移动普及带来了新的机遇，也为传统的移动通信行业已 经形成了竞争和挑战。在保持蜂窝转移实力的同步要求，3GPP 和 3GPP2 越来越看 重低速的局部域场景下的进入能力，移动通信宽带化的趋势带来了移动通信业从传 统的语音服务扩展到宽带数据服务领域的一个新的机会。基于“移动通讯宽带化” 的认识以及应答“宽带接入移动化”挑衅的要求，3GPP 起头了“长期演进”的过程 3。 在 LTE 项目的推出是对移动通信的宽带行业的共识。但是一次伟大的技术变革， 不是一朝一夕就能够实现的。先进无线通信技能的钻研一定要伫立在学术界和基础 基于 MATLAB 的 MIMO 系统信道容量及性能分析 2 钻研领域丰富的技术储藏的底子之上。包括相关的数学，物理，无线电工程，也是 通信理论、信号处理、无线资源管理和其他方面的理论积累。OFDM 和 MIMO 技术 一直被认为是 B3G/4G 的关键技术。在 IMT-Advanced 名目开动以前，国际上曾经对 B3G 进行了宽泛的钻研，并得到了一期期重大进展。早在第二十世纪末，贝尔实验 室，北电等企业开始应用 MIMO 技术的研究和开发，在美国北部，在 MIMO 技术 的研究和开发一直处于领先地位。日本 NTT DoCoMo 公司在 2003 年的外场试验选 用 OFDM 技能，在 100MHZ 带宽中抵达了 100Mbits/s 数据传输速度，表现出了 OFDM/MIMO 技能在供应高的带宽传输和岑岭速度方面的巨强本领。2000 年， Flarion 公司研发了 Flash-OFDM 系统，经历商用组网测试初步考证了 OFDM 系统具 有大规模组网本领。2006 年，数学国外移动通讯运营商共同建树了下一代移动网络 （Next Generation Mobile Network,NGMN）论坛，它引颈了新一代宽带移动通信的 趋势，促进 NGMN 论坛变为无线通讯领域最具影响非标准化组织。国际研究和标准 化工作，从促进 LTE 项目的开发，或用于 LTE 的技术指标，或 LTE 认证设备可以 实现与 LTE 的经验教训提供参考学习。 同时，在全球宽带移动通信的研究，我们也组织相关的研究，并积极参与国际 交流和标准化工作。在“十五”期间，以高校为主的国家的“863”计划在未来的大 学为基础的国家已表现出对中国 B3G 关键技术的研究实现。在实施基础研究项目的 同时，我国十分重视 B3G 等宽带移动通信的标准化工作。在随访中，国际标准化的 学术交流活动，积极组织国内相关标准化工作。我国踊跃投身于中国，日本和韩国 (CJK)准则的共同项目。我国的一些单位还参与了欧洲 winner 项目，并且承担了部 分的研究工作4。 1.3 MIMO 的研究意义的研究意义 未来移动通讯要满足无论何时、无论何地、向无论何人供给迅速牢靠的通讯办 事的要求。未来无线移动通信系统将拥有高的数据传输率、高的频谱利用效率、低 的发射功率、灵活的业务支撑能力，会把无线通信的传输容量和速率提高十倍乃至 数百倍。跟随各类宽带数据交易和无线通讯业务的不停开发，通讯资源，特别是频 带资源变得愈来愈重要，高速效率地使用数量稀少的通讯条件已经变成了无线通讯 技能变化的关注点。研究表明，多根天线的 MIMO 技术可以在不加多系统带宽和天线 总发送功率的情形下，充分使用空间资源，有用的抗衡无线信道的衰败，大幅度提 升体系的信道数据容量和频谱条件利用率。 然而，MIMO 体系高容量目标实现和体系其它本能指标和 MIMO 体系使用的各类 信息计算方法的好坏很高程度上仰仗 MIMO 信道特色，特别是各个天线之间的相关性 00。每每假如传输信道是单独的，继而对 MIMO 信道性能进行模拟，这与现实中的 基于 MATLAB 的 MIMO 系统信道容量及性能分析 3 MIMO 信道肯定具有空间上的相互关性是矛盾的。信道相关联的性质很高深度上会改 变 MIMO 体系的机能。 1.4 论文的主要工作和贡献论文的主要工作和贡献 本文重点研究 LTE-A 系统中的 MIMO 信道容量，文中对 MIMO 系统的信道容量进 行分析和计算机仿真，在理论角度上推导和剖析对比了 SISO、SIMO、MISO、MIMO 系 统信道容量表达式，这个推导的过程是在在慢衰落瑞利信道条件下进行的。分析了 无线信道的基本特征和无线信道的多径效应，推导了描述多径衰落的频率选择性和 信道响应时变特性的参数，推导了莱斯信道模型和瑞利信道模型的使用条件，并且 给出了典型模型的具体数学表达。 基于 MATLAB 的 MIMO 系统信道容量及性能分析 4 2 LTE 系统介绍系统介绍 1G使用蜂窝组网，标准：AMPS、TACS 等。采用模拟技术和频域划分多址 (FDMA)等技术。 2GIS-95，数字技术，GSM，使 TDM、FDM、CDMA 提供数字语音业务和低速数 据业务。 3GTD-SCDMA、CDMA2000、WIMAX、WCDMA、 ，技能指示标准：室内的速度达到 2Mbps，室外的速度达到 385kbps，行车的速度达到 144kbps。能够完成高速率传输， 语音业务及宽带多媒体，无线接入 Internet 等服务。 4G(LTE)使用正交频分复用及多输入多输出技术。在 200MHZ 体系带宽下， 下行峰值速度达到 100Mbps，上行峰值速度达到 50MHZ18。提供 IMS 等高速数据传 输任务。 2.1 LTE 的关键技术的关键技术 LTE 项目是 4G 标准(4th-Generation)技术，这是优于现有的 3G 技术，具体表 现方面如下：抬高了峰值速度和频谱效用、系统带宽安排十分变通、保障了服务质 量而且很高程度上减小了网络时延等19，这是 LTE-A 技术研究的前提和基础，也 是目前全球主流运营商的选择。 2.1.1 LTE 系统和物理层相关的性能指标系统和物理层相关的性能指标 （1）对变通系统支持宽带范围 1.4-20MHZ。 （2）支撑下行峰值速度高达 100Mbit/s，上行峰值速度也达 50Mbit/s。 （3）同时支持 FDD 和 TDD 系统，并要求两种系统的设计差异尽量小。 2.1.2 多载波技术多载波技术 传统意义上的频分复用(FDM)和频分多址(FDMA)技术把相对来说比较宽的频带分 解成许多个相对较窄的子载波来并行传输，在相邻子载波之间保留较大的间隔，以 此来避免各个子载波之间形成的串扰20。正交频分复用(OFDM)的子载波间堆叠分 布，并且子载波之间相互正交，用来防止各个子载波之间形成的干预。有一部分重 叠分布的子载波能够在很大程度上增进进频谱效率的提升。 LTE 的上下行链路分别采纳单载波频分多址(SC-FDMA)技能21和正交频分多址 (OFDMA)技能。 基于 MATLAB 的 MIMO 系统信道容量及性能分析 5 LTE 物理层下行接收机信号处理框图如图 2-1 所示。其中接收端处理流程可以 认为是发射端反向操作。 图 2-1 LTE 下行链路接受端信号处理示意框图 2.2 LTE 的工作方式的工作方式 定义 LTE 项目为 3G 技术的演进，按照 3GPP 的要求，LTE 既要支持在成对频谱 中的部署，又要支持在非成对频谱中的部署，以此来使用现在所有的 3G 频段，并在 未来当第二代移动通讯体系退出网络后，它可以重复使用留出的频段。是以，LTE 体系需求支撑 TDD 和 FDD 两双工模式。同时，LTE 还考虑支持半双工 FDD(Half- duplex FDD, H-FDD)这种特殊的双工方式。 2.2.1 FDD 双工方式双工方式 FDD 双工方式是指在蜂窝通信系统中的上行链路信号下两不同频段的信号分别 发送，某些特定频段保护间隔是上行和下行频段之间留。为了避免干扰之间的上行 链路和下行链路信号。HDD 使用上下行成对频段，信号的发射与接收可以同时进行， 因而减少了上下行信号间的反馈时延。FDD 双工方式在功率控制、链路自适应、信 道和干扰反馈等方面有独特的优势。 2.2.2 TDD 双工方式双工方式 TDD 双工方式中，发射与接收信号在同一频带，上行信号和下行信号由不同的 时间段内的发送来识别。TDD 双工方式的信号能够在不是成对的频段内发送，因而 相比于 FDD 系统拥有配置灵活的特点。同时，因为上下行信号占用的无线信道资源 能够通过调节上下行时隙间的比例灵活更改，非常适应于 3G 和 B3G 等以 IP 分组业 务为主要特性的移动蜂窝网络。TDD 能够使用信道的对称性，这给系统的信道估计 的简便，信号测量和多天线技术带来了益处。近年来随着 TD-SCDMA(Time 基于 MATLAB 的 MIMO 系统信道容量及性能分析 6 Division-Synchronous Code Division Multiple Access，时分同步码分多址)产业 的不断完善以及 TDD 设备的日趋成熟，蜂窝移动通信领域加大了对 TDD 系统的研究 力度，在随后的演进系统中 TDD 双工模式将会扮演更加重要的作用。 2.2.3 H-FDD 双工方式双工方式 H-FDD 是相对于现有的 FDD 而言的另一种双工方式。在半双工 FDD 中，基站应 用全双工 FDD 形式，尽管采用成对频谱终端的发射信号与接收信号在不同的频带上 传输，但其接收和发射信号却不能够同时进行。H-FDD 在接收处接收信号和在发送 处发送信号的方法和 TDD 类似。在 LTE 中采纳 H-FDD 的法子基于以下几点思考。首 先，从能带结构的角度来看，因为很多零碎的频段的存在，全双工 FDD 方法是不可 能满足所有的部署；其次，在 H-FDD 终端收发双工模式没有 FDD 严格，所以最终的 价格相对较低；再次，对于一些业务，数据传输速率相对较低，H-FDD 方式可以减 少功率损耗，延长电池的使用时间。 LTE-A 引入了多输入多输出、正交频分多址复用/SC-FDMA 等技能，因而物理层 布局相比于原来的其它通信准绳有太大的分歧，主要体现在无线帧结构、参考信号 配置等方面。在 3GPP 制订的 LTE/LTE-A 技术准则中，TS36.201 对物理层举行了完 全的描绘7，TS36.211 则解释说明了发送和接收物理信道、参考信息，介绍了框 架结构，调制的方法和如何生成 OFDM 和 SC-FDMA 信号等8。对 LTE-A 物理层技术 的介绍，结合以上规格。 LTE 无线接口是指用户与网络之间的接口，包括三个亚层，协议结构如图 2-2 所示，子层环说服务接入点之间的不同的层或层(SAPs，Service Access Points)。 图 2-2 物理层周围的无线接口协议架 层 2 的介质访问控制(MAC，Medium Access Control)子层与层 1 的物理层和层 3 的无线资本掌管(RRC，Radio Resource Control)子层之间具有接口。MAC 子层的 传输信道由物理层提供，传输信道描述了信息的传输方式，即定义了“信息是如何 传输的” 。而层 2 的无线链路控制(RLC，Radio Link Control)亚层的逻辑信道则由 MAC 亚层提供，逻辑信道描述了信息的类型，即定义了“传输的是什么信息” 。 物理层完成了传输通道向物理传输通道的映照，落成了经历传输通道为接入口 朝上层提供数据传送的服务。为了实现数据传输，物理层将提供下面的一些功能9： 在传输信道进行差错检测并向高层提供提示信息；前向纠错（FEC，Forward Error 基于 MATLAB 的 MIMO 系统信道容量及性能分析 7 Correction）编码/解码的传输通道；混合自愿重传(HARQ)申请；编码的传输通道与 物理信道之间的速度配合；编码的传输通道向物理通道的映射；物理通道的功率相 加；物理通道的调制与解调；频率同步和时间同步；无线功能(radio characteristics)测量朝上提供指示信息；多输入多输出(MIMO)天线处理；传输分 集；波束赋形；射频处理等等。 2.3 无线帧结构无线帧结构 在物理层规范，时间域通常是由时间单位多表示，它被定义为时间单位，在 15000 者之间的间隔为 15KHz，该定义为 1/(15000 2048)dTs ，其中，子载波之间 的间隔是 15kHz，具有最高的带宽分配和数为 204810。LTE-A 系统的上行和下行 信道都以无线帧结构传输数据，一个无线子帧的长度为： 30720010fdTTms 。 LTE-A 系统支持 TDD 和 FDD 双工模式，由于 TDD 使用向上和向下之间的时间差， 资源是不连续的，有必要引入保护间隔避免上下之间的干扰。所以 LTE-A 分别设计 了用于 FDD 的帧构造范例 1 和用于 TDD 的帧构造范例 2。 2.3.1 帧结构类型帧结构类型 1 帧构造范例 1 用于全双工和半双工的 FDD 模式。每个无线报文共有 20 个时隙， 是时隙 0 到 19，它们的总长为 10ms，每个长为 153600.5slotdTTms 。每个子帧由 两个连续的时隙组成，即子帧i包括第2i和第2 1i 时隙。如图 2-3 所示11。 #1#3#2#4#19#18 一个子帧 一个时隙153600.5 slotdTTms 一个无限帧10fTms 图 2-3 帧结构类型 1 在同一频道不同时隙发送和接收信号的 FDD 模式。所以对于每一帧，10 帧可以 分为下行也可以用来传送上行，依靠 FDD 频分和资源下行单方向在时间上是连续的。 2.3.2 帧结构类型帧结构类型 2 如图 2-4 所示，帧结构类型 2 适用于 TDD 模式。每个无尽的数据帧包括两个半 基于 MATLAB 的 MIMO 系统信道容量及性能分析 8 帧，每一半帧长是 1536005sdTTms ，含有 8 个时隔（即 4 个子帧）和一个特别 地域12，这个特殊的地域由下行导入频时隔(DwPTS，Downlink Pilot Time Slot)、 上行导入频时隔(UpPTS，Uplink Pilot Time Slot)和保护间隔(GP，Guard Period) 组成的。 子帧#0子帧#2 子帧#3子帧#5 子帧 一个时隙 15360slotdTT 半帧 1536005dTms 子帧#4子帧#7子帧#9子帧#8 30720dT 一个无线帧30720010 fdTTms 30720dT DwPTSDwPTSGPGPUpPTSUpPTS 图 2-4 帧结构类型 2（切换周期为 5ms） 协定规定 GP、UpPTS 和 DwPTS 的长能够由系统配置，这三个物理量的总长要为 1 毫秒。在 LTE-A 中，上、下行子帧报文切换时间蕴含 5ms 和 10ms 两种情形，此中 U 示意用于朝上传输的子报文，D 是以朝下传输的子报文，蕴含 GP、UpPTS 以及 DwPTS 的特别子报文用 S 来表现。 当切换周期为 5ms 时，子帧 2、子帧 7 和 UpPTS 将用来进行上行传输。当切换 周期是 10ms 时，DwPTS 在两个半报文中生存，然而 UpPTS 和 GP 仅仅在第一个半报 文中生存，在第二个半报文中的 DwPTS 计量尺度为 1ms。子帧 2 和 UpPTS 将来