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1、北京邮电大学实验报告基于Matlab的MIMO通信系统仿真 目录一、概述31.1课程设计目标：31.2数字通信系统概述4二、基本原理4三、仿真设计83.1流程图93.2主要模块103.3主要参数13四、程序块设计134.1结构性和关键语句134.2状态检验174.3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28一、 概述1.1课程设计目标：（1）了解移动通信关键技术（2）了解数字通信系统仿真流程（3）学会用Matlab实现基本的信道编译码、调制解调等通信模块（4）学习并实现MIMO空时处理技术（5）学习和掌握性能分析的思路和方法。1.2数字
2、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，最终得到传输后的数据。二、基本原理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(L
3、TE)。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
4、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
5、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。将每k个输入字符
6、映射为一个 矩阵，矩阵的每行对应在p个不同的时间间隔里不同天线上所发送的符号。2*2举例：单天线接收，用 表示第1,2个发射符号间隔接收天线的接收信号：采用最优极大似然译码可得：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线性合并得到。判决式如下：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，对每个支流进行空时
7、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。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天线1天线n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：信道估计线性判决反馈均衡器空时译码信道译码天线1天线2三、仿真设计开始3.1流程图初始化各项参数产生信源信道编码采用卷积码进行QPSK调制STBC双天线发送通过高斯白噪声信道单/多天线接
8、收ML准则进行判决维特比译码进行解调结束3.2主要模块3.2.1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);3.2.2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msg进行卷积编码。将卷积编码多项式转换成格形(trellis)结构函数poly2tre
9、llis()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
10、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，则需要把二进制数据变换为四进制数据，这就是说需要把二进制数字序列中每两个比特分成一组，共有四种组合，即00，01，10，11，其中每一组称为双比特码元。每一个双比特码元是由两位二进制信息比特组成，它们分别代表四进制四个符号中的一个符号。QPSK中每次调制可传输2个信息比特
11、，这些信息比特是通过载波的四种相位来传递的。解调器根据星座图及接收到的载波信号的相位来判断发送端发送的信息比特。实现方法：调制：Matlab自带函数 reshape 以及自定义star()利用星座点调制解调：Matlab自带函数 reshape 以及ML思想解调，过程中使用min()函数提高要求16QAM：16QAM 是用两路独立的正交 4ASK 信号叠加而成，4ASK 是用多电平信号去键控载波而得到的信号。它是 2ASK 体制的推广，和 2ASK 相比，这种体制的优点在于信息传输速率高。串/并变换器将速率为Rb的二进制码元序列分为两路,速率为Rb/2.2-4电平变换为Rb/2 的二进制码元序
12、列变成4 个电平信号,4 电平信号与正交载波相乘,完成正交调制,两路信号叠加后产生 16QAM信号.在两路速率为Rb/2 的二进制码元序列中,经 2-4 电平变换器输出为 4 电平信号,即M=16.经 4 电平正交幅度调制和叠加后,输出 16 个信号状态,即 16QAM.实现方法：调制：Matlab自带函数 reshape 以及star()用星座点进行调制解调：Matlab自带函数 reshape 以及ML思想解调，过程中使用min()函数3.2.4 空时分组码发送与接收两发一收：两发两收： (1) (2)实现：Matlab自带conj()与.*3.2.5AWGN信道加性高斯白噪声 AWGN(
13、Additive White Gaussian Noise) 是最基本的噪声与干扰模型。加性噪声：叠加在信号上的一种噪声，通常记为n(t)，而且无论有无信号，噪声n(t)都是始终存在的。因此通常称它为加性噪声或者加性干扰。白噪声：噪声的功率谱密度在所有的频率上均为一常数，则称这样的噪声为白噪声。如果白噪声取值的概率分布服从高斯分布，则称这样的噪声为高斯白噪声。实现：Matlab自带函数 randn()3.3主要参数PACKET=10; %数据包个数N=2560*4; %包长SNR_dB=0:2:30; %信噪比范围（030），图中横坐标间隔为2tblen=30; %卷积码记忆深度，寄存器的35
14、倍最佳，选择30四、程序块设计4.1结构性和关键语句4.1.1信源产生ppt中建议使用randsrc()函数，但由于randsrc()产生的信源序列是+1和-1的序列，而进行卷积码编码时输入编码器的序列必须是单极性不归零序列，所以要将序列中的-1修改为0.于是我采用了randi()函数，直接可以产生随机且等概的0,1序列。S1=randi(1,N/2); %产生第1组信号，长度为N/2S2=randi(1,N/2); %产生第2组信号，长度为N/24.1.2信道编码4.1.2.1卷积码codegen=557 663 711; %8进制表示寄存器状态trellis=poly2trellis(constlen,codegen); %转换为格行结构for bag=1:PACKETS1=randi (1,N/2); %产生随机信号1S2=randi
