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1、学 海 无 涯,北京邮电大学实验报告,基于 Matlab 的 MIMO 通信系统仿真,1,2,学 海 无 涯,目录,一、概述 .3 1.1 课程设计目标：.3 1.2 数字通信系统概述.4 二、基本原理.4 三、仿真设计.8 3.1 流程图 .9 3.2 主要模块 .10 3.3 主要参数 .13 四、程序块设计 .13 4.1 结构性和关键语句.13 4.2 状态检验 .17 4.3 性能测试 .19 五、误码性能.19 六、仿真结果与分析.23 七、重点研究的问题.25 八、结论.27 九、参考文献.28,学 海 无 涯,一、概述 课程设计目标： 了解移动通信关键技术 了解数字通信系统仿真
2、流程 学会用 Matlab 实现基本的信道编译码、调制解调等通信模块 学习并实现 MIMO 空时处理技术 学习和掌握性能分析的思路和方法。 数字通信系统概述,信道中传输的是数字信号的通信方式称为数字通信，它包括将基带数字信号 直接送往信道传输的数字基带传输和经载波调制后在送往信道传输的数字载波 传输。对应的通信系统称为数字通信系统。具体的通信流程如上图所示。 对于本次实验中需要完成的MIMO 通信系统，流程相应为： 产生信源，而后利用卷积码进行信道编码，调制方式使用 QPSK 调制，再将 其通过双天线传输后通过白高斯噪声信道，传播后利用 ML 进行判决，译码方式 采用维特比译码，最终得到传输后
3、的数据。,3,二、基本原理,4,学 海 无 涯 2.1MIMO 概述及原理 MIMO 表示多输入多输出。在第四代移动通信技术标准中被广泛采用，例 如IEEE 802.16e (Wimax)，长期演进(LTE)。在新一代无线局域网(WLAN)标准中， 通常用于 IEEE 802.11n，但也可以用于其他 802.11 技术。 MIMO 有时被称作空间分集，因为它使用多空间通道传送和接收数据。只 有站点（移动设备）或接入点（AP）支持 MIMO 时才能部署 MIMO。 MIMO 技术的应用，使空间成为一种可以用于提高性能的资源，并能够增 加无线系统的覆盖范围。MIMO 允许多个天线同时发送和接收多
4、个空间流，并 能够区分发往或来自不同空间方位的信号。多天线系统的应用，使得多达 min(Nt,Nr)的并行数据流可以同时传送。同时，在发送端或接收端采用多天线， 可以显著克服信道的衰落，降低误码率。 利用 MIMO 技术可以提高信道的容量，同时也可以提高信道的可靠性，降 低误码率。前者是利用 MIMO 信道提供的空间复用增益，后者是利用 MIMO 信 道提供的空间分集增益。实现空间复用增益的算法主要有贝尔实验室的 BLAST 算法、ZF 算法、MMSE 算法、ML 算法。 目前 MIMO 技术领域另一个研究热点就是空时编码。常见的空时码有空时 块码、空时格码。空时码的主要思想是利用空间和时间上
5、的编码实现一定的空间 分集和时间分集，从而降低信道误码率。,2.2MIMO 信道模型,学 海 无 涯,nT 发送天线，nR 接收天线 信道矩阵：,接收信号：,即接收信号为信道衰落系数发射信号+接收端噪声 MIMO 模型中有一个空时编码器，同时含有有多根天线，其系统模型和上述 MIMO 系统理论一致。一般来说，移动终端所支持的天线数目总是比基站端要少 所以发送天线的数目要大于接收天线。 2.3 分集与复用 根据各根天线上发送信息的差别，MIMO 可以分为发射分集技术和空间复用,T,RT,h1n,h2n T,n, h11h12 h 22, , hnR 1hnR 2, hn n R T n,H h2
6、1,y Hx n,5,学 海 无 涯,技术。 发射分集：在不同的天线上发射包含同样信息的信号(信号的具体形式不一 定完全相同)，达到空间分集的效果，起到抗衰落的作用 典型代表：空时块码（STBC） 空间复用：在不同的天线上发射不同的信息，获得空间复用增益，从而大大 提高系统的容量和频谱利用率 典型代表：分层空时码。 2.3.1 空时块码（STBC） Alamouti 提出了采用两个发射天线和一个接收天线的系统可以得到采用一 个发射天线两个接收天线系统同样的分集增益。,星座映射,编码,调制,二进制信息 比特序列,6,（x1 x2）,X1=（x1 -x2*）,天线2,调制 Alamouti发送分集
7、空时编码方案,将每 k 个输入字符映射为一个,的时间间隔里不同天线上所发送的符号。 2*2 举例：,nT,p 矩阵，矩阵的每行对应在 p 个不同,1,2,x, xx ,2 , x,1,x ,单天线接收，用 r1 , r2表示第 1,2 个发射符号间隔接收天线的接收信号： r1 h1 x1 h2 x2 n1 r h x h x n 21 22 12,学 海 无 涯 采用最优极大似然译码可得：,多天线接收，发送端的编码与传输方案和单接收天线系统一样。只是在接收 端的处理变得复杂，需要对不同接收天线上接收到的信号进行合并处理。多 接收天线下的判决度量可以通过把各副接收天线上的接受信号得到的判决,度量
8、线性合并得到。判决式如下：,2,1,1,nr, 2,22 , ,dx , x,h h1 x, 11 , j 1,x arg min , j ,1j,2 ,2,2,2,2,nr,j ,1,j ,2,22 , ,h h,1 x dx , x, 22 , j 1,x arg min ,图1 分层空时码的发射端系统模型 在接收端，用多个天线分集接收，信道参数通过信道估计获得，由线性判决,串 并 变 换,信道编码器 1,信道编码器 2,空 时 编 码,调制器 1,调制器 2,2.3.2 分层空时码（BLAST） 空时编码利用多天线组成的天线阵同时发送和接收。在发送端，将数据流分 离成多个支流，对每个支流
9、进行空时处理和信号设计(空时编码)，然后通过不同 天线同时发送；在接收端，利用天线阵接收，并经过空时处理和空时码解码，还 原成发送数据流。 天线 1,天线 n,2 ),xX 为了要满足各根天线上发送数据的正交，它的编码矩阵需要满足如下条件,x arg(min r - Hx,nTnT,nT,2 ,x 2 x x 12k,2 I,7,x xH ,学 海 无 涯 反馈均衡器实现分层判决反馈干扰抵消，然后进行分层空时译码，单个信道译码 器完成信道译码，分层空时码接收端系统框图如下图所示：,三、仿真设计 3.1 流程图,信道估,线性判决 反馈均衡,空时译,信道译,天线 1,天线 2,开始,初始化各项参数
10、,产生信源,信道编码 采用卷积码进行,QPSK 调制,通过高斯白噪声信道,STBC 双天线发送,8,学 海 无 涯,主要模块 信源产生 要求：产生独立等概的二进制信源 实现：matlab 自带函数 randint() 一个信源产生N/2 个 0,1 随机等概数据 S1=randint(1,N/2); S2=randint(1,N/2); 信道编码 方式：卷积码（3GPP TS25.212 4.2.3.1）,卷积纠错编码函数 convenc() 格式：code=convenc(msg, trellis) 功能：利用poly2trellis 函数定义的格形trellis 结构，对二进制矢量信息ms
11、g 进行卷积编码。 将卷积编码多项式转换成格形(trellis)结构函数poly2trellis(),单/多天线接收 ML 准则进行判决,维特比译码进行解调,结束,9,学 海 无 涯 格式：trellis = poly2trellis(constrainlength, codegenerator) 功能：将前向反馈卷积编码器的多项式转换成一格形(trellis)结构。 Viterbi 算法译卷积码函数 vitdec() 格式：decoded = vitdec(code,trellis,tblen,opmode,dectype) 功能：利用 Viterbi 算法译卷积码。Code 为poly2trellis 函数或istrellis 函数定 义的格形trellis 结构的卷积码。参数 tblen 取正整数，表示记忆(traceback)深度。 参数opmode 代表解码操作模型。 3.2.3 调制与解调 基本要求 QPSK：,在数字信号的调制方式，QPSK 四相移键控是目前最常用的一种卫星数 字信号调制方式,它具有较高的频谱利用率、较强的抗干扰性、在电路上实 现也较为简单。 QPSK 是在 M=4 时的调相技术，它规定了四种载波相位，分别为 45， 135，225，315，调制器输入的数据是二进制数字序列，为了能和四 进制的载波相位配合起来，则需要把二进制
