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1、多输入多输出通信系统的信道模型及容量专业：通信工程 摘 要随着无线通信事业的迅速发展，用户对无线通信的速率和服务质量提出了越来越高的要求。然而频谱资源的匮乏限制了无线通信的进一步发展；另一方面，无线信道的多径传播特性和时变特性会对其中传输的信号带来非常大的损害。近年来多输入天线多输出天线（MIMO）技术因为能大幅度增加无线通信系统的谱效率和提高传输可靠性而得到了越来越多的关注。MIMO多天线系统所提供的空间复用增益和空间分集增益可以极大地提高无线链路的容量和质量。现有的研究成果己经表明，MIMO所能达到的极高的频谱效率是目前任何一种无线技术所不及的，因此它被认为是未来新一代移动通信系统的备选关
2、键技术之一。根据信道的输入输出情况，使用多天线技术的通信系统可以分为单输入多输出SIMO（Single-Input Multiple-Output）系统、多输入单输出MISO（Multiple-Input Single-Output）系统，以及多输入多输出MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）系统三种类型。本文首先介绍了MIMO系统的基本概念和信道模型，然后我们从信息论的角度，根据传统SISO信道的香农容量，推导出MIMO信道容量公式，并且依次推导出SIMO信道和MISO信道的容量。本文对MIMO信道模型和信道容量的研究表明，MIMO技术对于未来新一代无线通信
3、具有极其的重要意义。关键词：MIMO，SIMO，MISO，多天线系统，信道模型，信道容量。Channel Model and Capacity of the MIMO Communication SystemsAbstractAs the wireless communication makes rapid progress, the demand for higher data rates and higher quality in wireless communication systems has recently seen unprecedented growth. However,
4、one of the most limiting factors in growth of wireless communications is the scarcity of spectrum. In addition, the multi-path propagation and time variance characteristics of wireless channel bring some impairment to the signals transmitted over it. In recent years, multiple input multiple output (
5、MIMO) antennas technique has received more and more attention, as it can dramatically increase the spectral efficiency and improve the transmission reliability of wireless communication systems. The MIMO channel gain of MIMO systems that include spatial multiplexing (SM) gain and the spatial diversi
6、ty (SD) gain can increase greatly the capacity and the quality of the wireless link, and the research results show spectral efficiency of MIMO technique is higher than any other existing wireless techniques. So MIMO technique is considered as one of candidacy techniques that can be used in the next
7、new generation of mobile cellular communication systems.Any given communication system that utilizes the multiple antenna technique can be classified into three categories: single input multiple output (SIMO), multiple input single output (MISO) and multiple input multiple output (MIMO) system respe
8、ctively. This paper firstly introduces the basic concept and model of MIMO channel. Secondly, in the view of information theory, according to traditional SISO channel Shannon capacity, we derived the capacity of MIMO channel, MISO channel and SIMO channel.In this paper, the studies on MIMO channel m
9、odel and channel capacity show that MIMO technique is vital to the new generation of wireless communications.Keywords: MIMO, SIMO, MISO, Multiple Antenna System, Channel Model, Channel Capacity.目 录摘 要IAbstractII第一章 绪论11.1 引言11.2 无线移动通信的发展概述11.3 天线阵列在移动通信系统中的引入21.4 MIMO技术综述3第二章 多输入多输出通信系统信道模型52.1 通信系
10、统模型52.2 模拟通信系统模型52.3 数字通信系统模型62.4 无线信道传播环境62.5 几种常用的无线通信信道模型72.5.1 高斯信道72.5.2 瑞利信道72.5.3 莱斯信道72.6 多输入多输出通信系统信道模型72.6.1 SISO信道72.6.2 SIMO信道82.6.3 MISO信道92.6.4 MIMO信道10第三章 多输入多输出通信系统信道容量123.1 MIMO系统模型的分解123.2 多输入多输出系统信道容量分析133.2.1 SISO系统信道容量133.2.2 MIMO系统信道容量143.2.3 SIMO系统信道容量163.2.4 MISO系统信道容量17结论19参
11、考文献（References）20谢辞21附录22I第一章 绪论1.1 引言自Marconi首次无线通信取得成功以来，人们对无线通信的研究就一直在不懈地努力着，但直到20世纪60年代，随着蜂窝概念的引入和70年代超大规模集成电路技术的进步，移动通信才开始得到真正的应用。近年来，移动通信的发展十分迅速，移动通信用户的数量迅猛增长，移动通信已发展成为现代社会人们生活中不可缺少的一种通信手段。移动通信是指通信中的移动一方通过无线的方式在移动状态下进行的通信，这种通信方式可以借助于有线通信网，通过通信网实现与世界上任何国家任何地方任何人进行通信。因此，从某种程度上说，移动通信是无线通信和有线通信的结合
12、。移动通信的发展先后经历了第一代蜂窝模拟通信，第二代蜂窝数字通信，以及未来的第三代多媒体传输、无线Internet等宽带通信，它的最终目标是实现任何人在任何时间任何地点以任何方式与任何人进行信息传输的个人通信。虽然第三代移动通信（3G）技术尚待完善，新一代无线通信技术已扑面而来，其无所不在、高质量、高速率的移动多媒体传输目标让人耳目一新。然而，实现这一振奋人心的通信目标并非易事，常规单天线收发通信系统面临严峻挑战。即使采用常规发射分集或接收分集或智能天线技术己不足以解决新一代无线通信系统的大容量与高可靠性需求问题。为解释为什么天线分集技术或智能天线技术不能解决以上问题的疑问，有必要回顾无线移动
13、通信的发展。只有在透彻了解无线移动通信的背景后，才可能寻求到无线通信领域的革新性技术，以从根本上解决无线通信系统的频谱利用效率和通信质量问题。可幸的是，结合空时处理的阵列天线技术带来了解决这些问题的新思路。它们包括天线分集技术与智能天线技术，以及最终演进到的多输入多输出（MIMO）通信技术。本文重点论述MIMO技术中信道模型与容量问题。1.2 无线移动通信的发展概述随着数字信号处理、大规模集成电路和表面装贴工艺等技术的不断进步，从二十世纪七十年代开始，现代移动通信技术得到了迅猛发展，先后经历了第一代模拟通信系统、第二代数字通信系统和即将商用的第三代宽带数字通信系统，目前未来移动通信系统一第四代
14、移动通信系统的研究工作也已展开。第一代移动通信系统开始于二十世纪七十年代末到八十年代初，主要的代表系统有：美国的先进移动电话业务（AMPS），英国的全接入通信系统（TACS），北欧的北欧移动电话（NMT）等。第一代移动通信系统基于模拟通信技术，提供的服务仅为语音服务。尽管第一代移动通信系统在当时发展迅速，但是它存在许多问题，其中频谱利用率低、系统容量小、不能提供高速数据业务、保密性差、移动设备成本高、体积大等缺点制约了它的广泛应用。第二代移动通信系统主要兴起于二十世纪九十年代，主要的代表系统有：欧洲全球移动系统（GSM），美国通信工业UT会颁布的IS-95，欧洲电信标准协会制定的数字无绳电话D
15、ECT，美国贝尔公司提出的个人接入通信系统PACS，日本个人手提电话系统PHS等。第二代移动通信系统采用了数字调制技术、先进的呼叫处理技术和新的网络结构，具有更高的频谱利用率和更大的系统容量，除话音业务以外，还可以开展一些简单的数据业务，话音质量和安全性好于第一代移动通信系统。移动用户的高速增长及更高速率数据业务的需求推动了第三代移动通信系统的发展，目前第三代移动通信有三个主流的标准，分别是欧洲提出的WCDMA，美国提出的CDMA2000和我国提出的TD-SCDMA。第三代移动通信系统以全世界范围的个人通信和多媒体通信为目标，它是一个支持多速率、多业务、宽频带的系统，能够满足移动性，高比特率、可变业务等需求。与第二代移动通信系统相比，第三代移动通信系统具有许多优点，如高频谱效率、高服务质量、低成本、高保密性等。该系统能够为移动用户提供全球漫游、无缝覆盖的服务；能为移动用户提供与固定网络相当的话音、非话音以及多媒体等多种速率的业务，最高传输速率可达2Mbps，并且满足上行、下行链
