基于MATLAB的MIMO系统信道容量及性能分析毕业论文.doc

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 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 I 摘要摘要 近年来 随着无线通信的迅猛发展 多输入多输出 Multiple Input Multiple Output 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 II 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 prospect However compared to the conventional single antenna communication system the multi antenna application of MIMO encounters with a large number of issues to be examined The performance of MIMO communication depends largely on the fade characteristics of the radio channels Hence 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 doesn t 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 1 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 2 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 1 2 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 3 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 4 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 5 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 2G IS 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 3G TD 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 50MHZ 18 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 6 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 码字解调解扰 解 资 源 粒 子 映 射 信道估计 OFDM 解调 并 串 变 换 M I M O 检 测 OFDM 解调 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 7 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 无线资源控制 RRC 物理层 介质访问控制 MAC 层1 层2 层3 传输信道 逻辑信道 基于 MATLAB 的 MIMO 系统信道容量及性能分析 8 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 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 2048 10 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 基于 MATLAB 的 MIMO 系统信道容量及性能分析 9 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 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 基于 MATLAB 的 MIMO 系统信道容量及性能分析 10 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 将来认为 朝上的传输 子帧 9 和子帧 7 将来认为朝下的传输 在上面的两种开关周期处境中 子帧 0 和子帧 5 以及 DwPTS 牢固的用于下行传输 2 4 LTE 的关键技术的关键技术 MIMO MIMO 是 LTE 的关键技术之一 由于本文要介绍 MIMO 信道容量 所以一下部分 着重介绍 MIMO MIMO 无线通信体系是使用时空处置为根本方式对信号举行剖析的 该系统在多 径传输的过程中 不仅能够提高频谱的利用率 还有效地加快了传输速率 因而被 看做成核心突破点 为新一代无线通信系统开辟了更广阔的前景 MIMO 技巧因为空 间中具备多个发射的天线和接收的天线 因此在信道模式 信道系统的容量等方面 都有其特别独到的复杂性 介绍了 MIMO 系统的 MIMO 结构 2 4 1 MIMO 系统的概念系统的概念 MIMO 技术的出现为无线移动通信开创了一个崭新的领域 可以在很大程度上提 高系统的频谱效率 简单来说 MIMO 技术的工作原理 把需要传送的数据分解成若干 个并行的数据流 之后在多根天线上各自进行同时同频率的数据传输 而且发射端 天线的总共发射功率保持不变 然后 再由接收端的多条天线单独的收到多个不同 的数据流 在接收终端将其辨认判别 而且是使用 MIMO 解调技巧 最后规复出来发 射端天线的原数据流 1 分集增益 多径衰落信道的传输的可靠性可以通过由每个天线的空间分集改善 一个发射 天线的传送途径中的数据体验了深度削弱的假设的情况下 其他一个相对来说独立 的传送途径很可能有一个较强烈的信号输送 因此 我们可以挑选多个信号在多径 信号中 能够升高接收端天线的瞬时的信号噪生比率和平均的信号噪声比率 提升 20 30dB 13 的幅度 2 阵列增益 基于 MATLAB 的 MIMO 系统信道容量及性能分析 11 就是通过预编码技术或是波束成形技术 把一个甚至多个指定方向上的能量集 合起来 3 空间复用增益 它使用了空间中信道彼此之间的强和弱的互相关联性 同时传输有差别的信号 数据流分别在多个彼此独立的空间信道上 如此能够使数据传输的峰值速度大大的 升高 2 4 2 MIMO 系统常见的几种传输模式系统常见的几种传输模式 1 单天线模式 单天线模式就是传统无线传播信道 也就是理解意义上的一发一收 即单个发 射天线发送数据流 经由信道 再由单个接收天线接收 1 1 发射端 接收端 图 2 5 单天线模式 2 发射分集模式 发射分集模式就是多个发射天线发出同样的信号做复数变化 提高了系统的可 靠性 1 2 2 h22 h11 h12 h21 1 1 发射端接收端 图 2 6 天线发射端口的发射分集 3 空间复用模式 空间复用就是发射端的多根天线同时发送不同的信号 接收端的多根天线分别 接收 提高了传输数据量和系统的有效性 基于 MATLAB 的 MIMO 系统信道容量及性能分析 12 1 1 2 2 发射端接收端 图 2 7 空间复用模式 MIMO 体系在输入讯息的过程中 首先利用空时的处理的技术将串行比特流变换 为几个并行子数据流 然后在相同频率下通过不同天线发送出去 在体系的回收端 因为信号的传输途径不止一条 因此不光要保证天线组数不少于发射天线数目 还 应该准确地估算出来信道的特色和子码流间的干系 只有将这几路信号联合处理 才能将有效信息从发送子流中分离 最终转换成串行码输出 它的工作原理如图 2 8 所示 空 时 处 理 R X R X R X 空 时 处 理 T X T X T X 多径信道 图2 8 MIMO系统的原理图 恰是基于 MIMO 体系通道能够为多数并行子通道的突出特点 抵抗信息衰落和抵 抗信息干扰的能力体系能够提高 传输速率和利用带宽率比较好 2 4 3 MIMO 系统的优点系统的优点 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 系统容量 14 它是在一定信噪比下的传输速率最大值 在通信系统的计量工作中 是一个重要的性能指标 当传输信道为瑞利衰落和单独存在 MIMO 收发器是 N M 其容量可表示为式 2 1 HzbpsHH M IC H N detlog2 2 1 上式中 是接收端收到信息的平均信噪比 MNnm hH 是信道的系数矩阵 基于 MATLAB 的 MIMO 系统信道容量及性能分析 13 其元素 nm h 是其中一条路径的衰落系数 如果M N很大 那么信道容量可以近似为 2 log min 2 NMC 2 2 由式 2 2 知 当 min M N 线性增大时 MIMO 体系的信道容量也会相互对应 的呈线性增长的趋势变大 基于 MATLAB 的 MIMO 系统信道容量及性能分析 14 3 无线衰落信道的基本特征无线衰落信道的基本特征 无线通信都是通过电磁波来传递消息的 电磁波在传播过程中有直射 反射 散射和衍射等 4 种主要的传播方式 经过这些传输路径之后 到达接收端的接收信 号和发射信号不再相同 无线通信链路对信息传输的影响主要包括大尺度衰落和小 尺度衰落 而大尺度衰落又包括路径损耗和阴影衰落 小尺度衰落包括频域选择性 衰落 时间选择性衰落和空间选择性衰落 这些衰落并非独立的 大尺度衰落和小 尺度衰落往往是同时存在的 无线通信条件下 信号传播过程中可能会经过很多的障碍 比如建筑物 街道 大树以及移动的汽车等等 信号的传播路径大致可以分为以下 4 种 在较开阔的地 区 如草原和村庄 直线传播比较常见 反射是信号传输的另外一种重要的方式 信号传输过程中往往要经过建筑物 地面以及高山的反射 在无线通信模型中 一 般不考虑折射现象 这是因为信号经过障碍物的边界时发生折射时的衰减太大的缘 故 当信号碰到小的障碍物时便会分成多个方向随机的信号即是产生散射现象 3 1 大尺度衰落大尺度衰落 该模型适用于描述发送方和接收方之间的距离达到几百或几千米内的信号强度 的改变 一般而言 大尺度衰落表示的是接收信号的平均值在一定的时间内随着传 输距离和环境的变化而展现出来的缓慢的变化 无线通信信道对传输信号的大尺度 形象是通过途径损耗和阴影衰落一起反映出来的 3 1 1 路径损耗路径损耗 当发送方与接收方之间的距离在数百米或数千米的距离上变化时 不管室内信 道还是室外信道 接收信号的平均功率值都与信号经过距离 d 的 n 次方成反比 不 管收发距离取何值 大尺度的路径损耗都可以用下面的式子表示 Error Error ReferenceReference sourcesource notnot found found 0 0 10 log d PL ddBPL dn d 3 1 N 表示路径损耗指数 表征了路径损耗随着距离增长的速度 n 的值取决于传输 环境 在自由空间条件下 n 的值取为 2 0 d 代表了近地参考距离 d 表示收发双方 之间的距离 式 3 1 中的上划线的含义是对于给定的 d 的全部可能路径损耗的综合 平均值 3 1 2 阴影衰落阴影衰落 电磁信号在传输过程中由于受到高山 高大建筑物等的的阻碍 在这些障碍物 基于 MATLAB 的 MIMO 系统信道容量及性能分析 15 后面会产生电磁场的阴影 引起场强中值的波动 进而导致信号的衰减 这种现象 就被称作是阴影衰落 它是由大尺度衰落模型来衡量的 统计特性往往服从的是对 数正态分布 表达式 2 1 没有考虑到收发距离相同情况下不同位置环境不同 经测 试可知 对于随意的 d 特定位置的路径损耗的统计特性将服从随机正态分布 0 0 10 log d PL ddBPL dnXt d 3 2 其中 X 是单位为 dB 的均值为零的高斯随机变量 是标准差 单位 dB 3 2 小尺度衰落小尺度衰落 在无线信号的传输过程中 因为不同路径的电磁波传输的距离不同 所以不同 路径的电磁波到达接收方的时间和相位都不一样 具有不同相位的多个信号在接收 方的叠加结果也不一样 同相信号叠加的结果是使使信号幅度增强 反向信号的叠 加则会使信号幅度衰减 如果发送方和接收方的距离在小尺度上变化能引起接收信 号功率的剧烈变化 这种现象被称作小尺度衰落 由以上定义可知 小尺度衰落反 映的是在较短的距离或者时间内接收信号所呈现的快速起伏特性 它包括了频率选 择性衰落 时间选择性衰落和空间选择性衰落 3 2 1 频率选择性衰落频率选择性衰落 频率选择性衰落产生的原因是信号的多径效应 由于传输过程中的多径效应会 产生时延扩展 在频域发生频率选择性衰落 信号在不同频率上的衰减特性不同 有的频率上急剧衰减而有的频率上具有缓慢衰减的特性 3 2 2 时间选择性衰落时间选择性衰落 无线通信中发射方和接收方的相对运动或无线信道中其它物质的运动导致无线 通信信道具有时变性 而无线通信信道是时变性引起了时间选择性衰落 信号的频 带宽度被展宽 多普勒扩展和相干时间是描述信道事变性的参数 3 2 3 空间选择性衰落空间选择性衰落 信息在当地散射体作用下出现角度上的扩大 招致天线之间生成必然的相互关 联性 这称为空间上的选择性的衰落 相干距离往往来描述 多径信号到天线阵列 的到达的角度的扩展变宽称之为接收机的角度扩展 一样 多径的反射和散射造成 的发射角的扩展变宽被认为发射机的角度的扩展 角度扩展告诉了接收信号的集中 能量的角度范畴 发生空间的选择性的衰落 也就是说信号幅值与天线的空间地位 有一定的联系 相干距离定义为两根天线上的最大空间距离 当信道响应的保持很 强的相关性的时候 较短的相干距离 角度扩展越大 相反 较长的相干距离 角 基于 MATLAB 的 MIMO 系统信道容量及性能分析 16 度扩展越小 表 3 1 衰落信道的特性 信道选择 性 信道扩展相干参数 频率选择 性 时延扩展相干带宽 时间选择 性 多普勒扩 展 相干时间 空间选择 性 角度扩展相干距离 综合三种小尺度衰落特性 表 3 1 归纳了三种衰落信道的特性 表 3 2 归纳了 三种衰落信道的分类 表 3 2 衰落信道的分类 基于 参数 衰落信道分 类 满足条件 平坦衰落信 道 信号带宽 时延扩展 时延 扩展 频率选择性 衰落信道 信号带宽 相干带宽 信号周期相干时间 信号带宽 多 普勒扩展 多普 勒扩展 慢衰落信道信号周期 多普勒扩展 标量信道单天线系统 角度 扩展 矢量信道角度扩展不为零的多天线系统 基于 MATLAB 的 MIMO 系统信道容量及性能分