MIMO系统的信道容量分析 及Matlab仿真

1、学校代码14199 学号分类号密级本科毕业论文（设计)多变量系统的信道容量分析及Matlab仿真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 日多变量系统的信道容量分析及Matlab仿真摘要：多输入多输出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

2、信系统的设计提供理论依据和指导。因此，对多变量系统信道容量的分析无疑是一个重要而基本的研究课题。本文对多变量系统进行了研究，主要集中在多变量系统的信道容量分析。首先从多变量的概念入手，介绍了当前的无线通信技术。然后围绕多变量无线通信系统进行了展开，介绍了多变量技术的基本原理、空时编码技术和多变量系统的模型与容量。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、不同信噪比下的多变量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：多输入多输出技术，信道容量，空时编码，无线通信多输入多输出系统信道容量分析及Matlab仿真作者：鲍玉坤导师：黄伟

3、摘要：多输入多输出(多输入多输出)是一种多天线集发射机和接收机于一体的通信技术。这是无线通信领域的一个重要突破。该技术可以提高通信系统的系统容量和频谱效率，而无需额外的频率带宽和额外的功率消耗。多输入多输出正成为新一代高数据速率无线移动通信系统的关键技术。众所周知，通信系统的信道容量是传输速率的极限。容量分析结果可为实际容量通信系统的设计提供理论依据和指导。因此，多输入多输出系统信道容量分析是一个重要的基础研究课题。本文研究的是多输入多输出系统，主要集中在多输入多输出系统的容量上。首先，从多输入多输出的概念出发，介绍了当前的无线通信技术。然后围绕多输入多输出无线通信系统，介绍了多输入多输出技术

4、的基本原理、空时编码技术和模型以及多输入多输出系统的容量。之后，本文对仿真软件MATLAB做了简单的介绍。最后，应用MATLAB软件对该系统在不同发射天线、不同接收天线和不同信噪比下进行了仿真。并对仿真结果进行了分析。关键词：多输入多输出技术，信道容量，空时编码，无线通信目录第1章绪论11.1海事组织的概念11.2无线多变量技术的研究现状21.3论文的主要内容3第2章多输入多输出无线通信系统42.1多输入多输出技术的基本原理42.2空时编码技术52.2.1空时编码技术及其分类52.2.2时空编码技术的应用前景62.3多输入多输出系统信道容量62.3.1多输入多输出系统信道模型62.3.2多输入

5、多输出系统的信道容量推导9第三章多输入多输出系统的容量仿真143.1 MATLAB 14简介3.2搭建MATLAB仿真平台143.3多输入多输出系统信道容量的仿真和结果分析16结论18谢谢你参考文献20附加记录21第一章引言未来移动通信的目标是随时随地为任何人提供快速可靠的通信服务。未来的无线移动通信系统具有高数据速率、高频谱利用率、低传输功率和灵活的业务支持能力，应该将无线通信的传输容量和速率提高十倍甚至数百倍。然而，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。鉴于有限的频谱资源，如何最大限度地提高频谱利用率是当前研究的热点。多输入多输出技术无疑是

6、众多方法中最具潜力和优势的技术，也是本文的主要研究对象。1.1多输入多输出的概念传统的无线通信系统采用单输入单输出(SISO)天线系统。所谓的单输入单输出(SISO)天线系统是具有发射天线和接收天线的通信系统。就信道容量而言，SISO系统有一个通信中难以突破的瓶颈，即香农容量极限。无论我们采用何种调制技术、不同的编码策略或其他方法，在实践中，无线通信工程总是受到无线信道实际物理特性的限制。这是当今无线通信市场中的一个严重问题。为了满足用户对更高数据传输速率的迫切需求，进一步提高无线通信系统的容量势在必行。有很多方法可以达到这个目标，比如建立更多的基站和拓宽带宽。增加基站意味着使用更多的小区，这

7、是提高容量最昂贵的方法。目前，实际的无线应用市场仍然在3G系统和无线局域网之间，无线局域网是一个微波频段。增加这个频带的带宽将导致与现有系统的极大兼容性，并且其成本也非常昂贵。因此，在不久的将来，使用更高的频带不是提高无线通信系统容量的最佳解决方案。在单天线系统中，增加系统容量的另一种方法是增加系统的发射功率。增加系统的传输功率可能引起人们健康的改变，这对硬件设计者来说是非常困难的，因为在高功率下很难设计功率放大器器件的线性工作特性。此外，由散热和传输功率增加引起的功耗也是移动终端要考虑的问题。另一种方法是使用分集技术来提高系统容量，并提高发送/接收的信噪比，从而增加系统容量。就这样，它发展成

8、为SIMO系统和米索系统。随着SIMO和MISO技术的进一步发展，收发器两端带阵列天线的MIMO系统自然产生。1996年，贝尔实验室的G.J .福斯基尼提出了BLAST系统，该系统利用多输入多输出技术实现了数据的并行传输，并将无线链路的容量提高了20到30倍。多输入多输出技术突破了香农容量的限制，使无线传输容量有可能达到有线传输的水平。1998年，福什尼和甘斯从信息论的角度分析了衰落环境下多天线系统的信道容量。研究表明，在散射环境下，多输入多输出技术可以在不增加带宽和传输功率的情况下，将通信系统的通信容量和频谱利用率提高一倍。当瑞利衰落环境下信噪比较大时，多输入多输出系统的信道容量与收发天线的

9、最小数量成正比。多输入多输出技术在提高信道容量方面取得如此突破的原因是，它将通常不利于无线通信的多径衰落转化为有利因素，并充分利用随机衰落和可能的多径传播来提高数据传输速率。正是由于这些优点，多输入多输出技术一提出就引起了广泛的关注，一直是无线通信技术领域的研究热点。1.2无线多输入多输出技术的研究现状从温特斯对无线通信系统空间分集与系统容量关系的讨论，到泰拉塔尔和福西尼对多输入多输出信道容量的理论分析，这些研究奠定了多输入多输出无线通信信息论的理论基础。BLAST的实验结果证明，MIMO这种在无线链路的发射端和接收端都使用多根天线的通信结构，可以在不占用额外频谱带宽的情况下有效地增加信道容量

10、。上述研究引起了近年来无线通信领域多输入多输出研究的热潮，也标志着多输入多输出无线通信研究的真正开始。在多输入多输出技术成为无线通信的研究热点之前，智能天线和空间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，有望应用于第二代和第三代移动通信系统。与智能天线技术相比，基于多输入多输出的编码和信号处理技术是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SIMO结构可以看作是多输入多输出无线通信系统的一个特例。另一方面，从通信的角度来看，多输入多输出技术不仅包括智能天线技术的信号处理，还包括编码、调制和网络系统结构。例如，最具代表性的空时编码技术、自适应多输入多输出调制、分布式多输入多输出天线系统和协作空时无线通信结构都突破了智能天线技术中包含的自适应空时信号处理技术。