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1、目 录第一章 绪论21.1引言21.2MIMO研究背景和内容21.2.1 多输入多输出(MIMO)无线通信历史21.2.2 MIMO研究内容31.2.3 MIMO相关技术41.2.4 MIMO信道建模与仿真的发展现状61.3MIMO的意义61.4本论文的内容安排7第二章 MIMO信道建模82.1 引言82.1.1MIMO信道建模的必要性82.1.2MIMO信道建模的基本内容82.1.3MIMO无线移动传播信道82.2 MIMO无线信道概述92.2.1从SISO信道到MIMO信道的演变92.2.2MIMO无线信道参数特点112.3 MIMO信道模型122.4 MIMO系统容量推导142.5 本章
2、小结18第三章 相关性与MIMO系统容量193.1引言193.2系统参数和天线相关性对MIMO信道容量的影响193.3LOS无衰落MIMO信道的相关模型203.4瑞利衰落信道MIMO相关模型213.5角度扩展与相关性223.6本章小节24第四章 仿真与结论254.1角度扩展对相关系数的影响254.2角度扩展对MIMO信道容量的影响264.3仿真结论29第五章 总结与展望305.1总结305.2未来的研究方向及展望30参考文献32致 谢33附 录34附录一(仿真程序代码):3436图片目录图1- 1 SISO空间流3图1- 2 MIMO空间流3图2- 1 MIMO信道模型12图2- 2 MIMO
3、简化信道模型12图2- 3 MIMO等效信道115图2- 4 MIMO等效信道216图3- 1 LOS无衰落信道相关模型20图3- 2 瑞利衰落信道MIMO相关模型22图4- 1 角度扩展-相关系数曲线125图4- 2 角度扩展-相关系数曲线226图4- 3 容量-信噪比曲线127图4- 4 容量-信噪比曲线227图4- 5 容量-信噪比曲线328图4- 6 容量-信噪比曲线428图4- 7 容量-信噪比曲线529第一章 绪论1.1 引言移动通信的迅速发展，给人们的生活带来了极大的便利，已经成为人们不可缺少的上具。随着移动通信应用的深入，人们对移动通信提出了更高的要求。然而，移动通信的三重动态
4、性特点，给通信的有效性和可靠性带来了极大的挑战。其一，信道的动态性，即无线信道是时变的、随机的。其二，用户的动态性，即用户终端是移动的。其三，业务的动态性，即业务类型动态选择。因此，在大力发展第三代移动通信的同时，世界各国己经开始研究如何以更高的传输速率、更高的服务质量实现多媒体通信。频谱资源的匮乏己经成为实现高速可靠传输通信系统的瓶颈。一方面，是可用的频谱有限;另一方面，是所使用的频谱利用率低下。因此，提高频谱利用率就成为解决实际问题的重要手段。二十世纪九十年代，多天线系统的理论发展进入了辉煌时代，产生了多进多出(Mutpleinput，MultipleOutput，MIMO)技术，即利用多
5、副发射天线和多副接收天线进行无线传输的技术。1.2 MIMO研究背景和内容1.2.1 多输入多输出(MIMO)无线通信历史MIMO技术实际上由来已久，早在1908年马可尼就提出用它来抗御多径衰落。到上世纪90年代中期，信息论的一些新的研究成果的公布才使MIMO技术得到广泛的关注。1995年，Bell实验室的Foschini和Telata分别提出了多天线信道容量理论，理论表明：在天线链路的衰落相互独立的条件下，MIMO系统的信道容量随着收发天线数的增长而线性增长，这一理论突破了传统单天线的Shannon信道容量限制，展示了MIMO系统具有的巨大的理论信道容量。此后，分层时空码的提出为MIMO实用
6、化迈出了重要一步。现有的实验系统表明，使用空时编码的MIMO系统能够获得数倍于现有系统的无线信道容量.MIMO系统不同于现有的单天线系统和智能天线系统。它在通信的接收端和发送端均使用多根天线，其基本原理是采用空时编码方式将用户的信号分成多路并行的数据子流，并分别由多个天线同时，同频发送，接收端用多个天线接收并解码之后再将数据子流进行合并，从而得到发送的原始信号。MIMO技术本质上是利用多天线同时发送和接收而形成的多个并行的独立数据子流来提高系统的信道容量和抗衰落能力的。因此，数据子流的独立性和数据在各天线间分配方式是影响系统性能的关键因素。独立数据子流的数目，由天线链路间的衰落相关性决定，因此
7、在MIMO系统中，天线链路间的衰落相关性成为影响MIMO系统的性能的关键因素之一。所以不难理解对单天线系统来说是有害因素的多径传播对MIMO系统来说反而是有益因素。1.2.2 MIMO研究内容MIMO 表示多输入多输出。通常用于 IEEE 802.11n。MIMO 有时被称作空间多样，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 的优点是能够增加无线范围并提高性能。连接到老的 802.11g 接入点的 802.11n 站点能够以更高的速度连接到更远的距离。例如，如果使用老站点，从 25 英尺的距离连接到接入点的速度是 1
8、Mbps；而使用 802.11n MIMO 时站点的速度为 2Mbps。增加到 2Mbps 的范围，允许用户在更远的距离保持连接。无线电发送的信号被反射时，会产生多份信号。每份信号都是一个空间流。使用单输入单输出（SISO）的当前或老系统一次只能发送或接收一个空间流。MIMO 允许多个天线同时发送和接收多个空间流。它允许天线同时传送和接收。老接入点到老客户端 - 只发送和接收一个空间流 图1- 1 SISO空间流 MIMO 接入点到 MIMO 客户端 - 同时发送和接收多个空间流 图1- 2 MIMO空间流可以看出，此时的信道容量随着天线数量的增大而线性增大。也就是说可以利用MIMO信道成倍地
9、提高无线信道容量，在不增加带宽和天线发送功率的情况下，频谱利用率可以成倍地提高。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。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。通常，多径要引起衰落，因而被视为有害因素。然而研究结果表明，对于MIMO系统来说，多径可以作为一个有利因素加以利用。MIMO系统在发射端和接收端均采用多天线(或阵列天线)和多通道，MIMO
10、的多入多出是针对多径无线信道来说的。传输信息流s(k)经过空时编码形成N个信息子流ci(k)，I=1，N。这N个子流由N个天线发射出去，经空间信道后由M个接收天线接收。多天线接收机利用先进的空时编码处理能够分开并解码这些数据子流，从而实现最佳的处理。特别是，这N个子流同时发送到信道，各发射信号占用同一频带，因而并未增加带宽。若各发射接收天线间的通道响应独立，则多入多出系统可以创造多个并行空间信道。通过这些并行空间信道独立地传输信息，数据率必然可以提高。MIMO将多径无线信道与发射、接收视为一个整体进行优化，从而实现高的通信容量和频谱利用率。这是一种近于最优的空域时域联合的分集和干扰对消处理。系
11、统容量是表征通信系统的最重要标志之一，表示了通信系统最大传输率。对于发射天线数为N，接收天线数为M的多入多出（MIMO）系统，假定信道为独立的瑞利衰落信道，并设N、M很大，则信道容量C近似为：C=min(M,N)Blog2(/2)其中B为信号带宽，为接收端平均信噪比，min(M,N)为M，N的较小者。上式表明，功率和带宽固定时，多入多出系统的最大容量或容量上限随最小天线数的增加而线性增加。而在同样条件下，在接收端或发射端采用多天线或天线阵列的普通智能天线系统，其容量仅随天线数的对数增加而增加。相对而言，多入多出对于提高无线通信系统的容量具有极大的潜力。1.2.3 MIMO相关技术MIMO技术大
12、致可以分为两类：发射/接收分集和空间复用。传统的多天线被用来增加分集度从而克服信道衰落。具有相同信息的信号通过不同的路径被发送出去，在接收机端可以获得数据符号多个独立衰落的复制品，从而获得更高的接收可靠性。举例来说，在慢瑞利衰落信道中，使用1根发射天线n根接收天线，发送信号通过n个不同的路径。如果各个天线之间的衰落是独立的，可以获得最大的分集增益为n，平均误差概率可以减小到 ，单天线衰落信道的平均误差概率为 。对于发射分集技术来说，同样是利用多条路径的增益来提高系统的可靠性。在一个具有m根发射天线n根接收天线的系统中，如果天线对之间的路径增益是独立均匀分布的瑞利衰落，可以获得的最大分集增益为m
13、n。智能天线技术也是通过不同的发射天线来发送相同的数据，形成指向某些用户的赋形波束，从而有效的提高天线增益，降低用户间的干扰。广义上来说，智能天线技术也可以算一种天线分集技术。分集技术主要用来对抗信道衰落。相反，MIMO信道中的衰落特性可以提供额外的信息来增加通信中的自由度(degrees of freedom)。从本质上来讲，如果每对发送接收天线之间的衰落是独立的，那么可以产生多个并行的子信道。如果在这些并行的子信道上传输不同的信息流，可以提供传输数据速率，这被成为空间复用。需要特别指出的是在高SNR的情况下，传输速率是自由度受限的，此时对于m根发射天线n根接收天线，并且天线对之间是独立均匀
14、分布的瑞利衰落的。根据子数据流与天线之间的对应关系，空间多路复用系统大致分为三种模式：D-BLAST、V-BLAST以及T-BLAST。D-BLAST最先由贝尔实验室的Gerard J. Foschini提出。原始数据被分为若干子流，每个子流之间分别进行编码，但子流之间不共享信息比特，每一个子流与一根天线相对应，但是这种对应关系周期性改变，它的每一层在时间与空间上均呈对角线形状，称为D-BLAST(Diagonally- BLAST)。D-BLAST的好处是，使得所有层的数据可以通过不同的路径发送到接收机端，提高了链路的可靠性。其主要缺点是，由于符号在空间与时间上呈对角线形状，使得一部分空时单
15、元被浪费，或者增加了传输数据的冗余。在数据发送开始时，有一部分空时单元未被填入符号(对应图中右下角空白部分)，为了保证D-BLAST的空时结构，在发送结束肯定也有一部分空时单元被浪费。如果采用burst模式的数字通信，并且一个burst的长度大于M(发送天线数目)个发送时间间隔 ，那么burst的长度越小，这种浪费越严重。它的数据检测需要一层一层的进行：先检测c0、c1和c2，然后a0、a1和a2，接着b0、b1和b2另外一种简化了的BLAST结构同样最先由贝尔实验室提出。它采用一种直接的天线与层的对应关系，即编码后的第k个子流直接送到第k根天线，不进行数据流与天线之间对应关系的周期改变。如图1.c所示，它的数据流在时间与空间上为连续的垂直列向量，称为V-BLAST(Vertical-BLAST)。由于V-BLAST中数据子流与天线之间只是简单的对应关系，因此在检测过程中，只要知道数据来自哪根天线即可以判断其是哪一层的数据，检测过程简单。考虑到D-BLAST以及V-BALST模式的优缺点，一种不同于D-DBLAST与V-BLAS
