平坦衰落信道下的MIMO系統(tǒng)容量分析

【摘要】MIMO（Multiple Input Multiple output）技術(shù)是新一代無線通信系統(tǒng)采用的核心技術(shù)之一，能夠在不增加帶寬和發(fā)射功率的情況下成倍地提高通信系統(tǒng)的容量。本文對(duì)MIMO系統(tǒng)在平坦衰落信道下的信道容量進(jìn)行了研究，并對(duì)MIMO系統(tǒng)在該信道下的容量進(jìn)行了仿真。

【關(guān)鍵詞】多入多出平坦衰落系統(tǒng)容量

一、引言

隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，高速數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)的需求已經(jīng)越來越來迫切，然而無線通信借以提高數(shù)據(jù)傳輸速率的傳統(tǒng)資源———信道帶寬和發(fā)射功率———目前都已瀕臨飽和，因此依靠增加這兩種資源來提高傳輸速率已經(jīng)無法滿足需求。而MIMO技術(shù)能夠在不增加帶寬和發(fā)射功率的情況下成倍地提高通信系統(tǒng)的容量，是新一代無線通信系統(tǒng)采用的核心技術(shù)之一[1]。

由于系統(tǒng)容量會(huì)受到采用的信道模型及天線相關(guān)性等因素的影響[2]，在分析MIMO系統(tǒng)的信道容量之前，必須建立一個(gè)具體的信道模型。

二、MIMO系統(tǒng)容量分析

2.1MIMO系統(tǒng)構(gòu)架

發(fā)送端：數(shù)據(jù)在發(fā)送端，先進(jìn)行信號(hào)編碼，然后把串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成并行數(shù)據(jù)。最后對(duì)并行數(shù)據(jù)經(jīng)行時(shí)空編碼，空分復(fù)用到每個(gè)發(fā)射天線上，通過多天線發(fā)射出去。

信道：并行的空時(shí)編碼數(shù)據(jù)經(jīng)過調(diào)制發(fā)射后，傳輸?shù)男诺捞匦詫?duì)數(shù)據(jù)的影響很大。本文的信道是建立在頻率平坦衰落信道下的。

接收端：通過無線多徑先對(duì)接收到的數(shù)據(jù)，經(jīng)過時(shí)空解碼，并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)，然后通過信號(hào)解碼，還原成原來的信號(hào)。

2.2平坦衰落信道模型

無線通信信道可以分為三種模型，如圖2所示（橫坐標(biāo)為傳播距離，縱坐標(biāo)為接收信號(hào)功率）。

（1）path loss：路徑損耗。指電波在無障礙物下的直線傳播所產(chǎn)生的損耗。

（2）slow fading：慢衰落，即平坦衰落信道。是由于電波在傳播路徑上遇到障礙物所產(chǎn)生的陰影效應(yīng)引起的。

（3）fast fading：快衰落，即頻率選擇性衰落。是由于電波在傳播中受到各種障礙物反射、散射所產(chǎn)生的多徑效應(yīng)引起的。

在平坦衰落（頻率非選擇性衰落）情況下，MIMO的信道模型相對(duì)比較簡單，每對(duì)發(fā)射和接收天線間的子信道可以等效成一個(gè)服從Rayleigh衰落的子信道[5]。假設(shè)系統(tǒng)為M×N天線提供，M為發(fā)射天線個(gè)數(shù)，N為接收天線個(gè)數(shù)。從時(shí)域的角度考慮，輸入輸出的關(guān)系為：

Y=HX+N（1）

其中X為M×1發(fā)送信號(hào)矢量，Y為N×1接收信號(hào)矢量，N為加性高斯白噪聲。

三、仿真和分析

在MATLAB平臺(tái)上面，對(duì)MIMO系統(tǒng)經(jīng)行仿真，得到容量與信噪比之間的關(guān)系如圖3（橫坐標(biāo)為’信噪比dB’，縱坐標(biāo)為’MIMO系統(tǒng)容量bit/s/Hz’）：

本次仿真對(duì)信道帶寬做了歸一化處理，做了三種情況下的系統(tǒng)容量仿真：（1）傳統(tǒng)的單發(fā)送單接收天線，即不采用MIMO技術(shù)；（2）采用2個(gè)發(fā)送天線和2個(gè)接收天線的MIMO系統(tǒng)；（3）采用4個(gè)發(fā)送天線和4個(gè)接收天線的MIMO系統(tǒng)。

從仿真結(jié)果可以看出：（1）與傳統(tǒng)的單發(fā)送單接收天線相比，MIMO通信系統(tǒng)能夠明顯地提高系統(tǒng)的容量。（2）當(dāng)發(fā)射功率和信道帶寬固定時(shí)，MIMO系統(tǒng)的容量將隨著天線數(shù)的增加而增。（3）系統(tǒng)天線數(shù)目不變的情況下，提高系統(tǒng)的信噪比能夠提高系統(tǒng)容量。

四、結(jié)束語

本文研究了平坦衰落信道下的MIMO系統(tǒng)的容量，先給出系統(tǒng)容量的數(shù)學(xué)模型，然后利用Matlab仿真軟件對(duì)MIMO系統(tǒng)在該信道下的容量進(jìn)行了仿真分析。研究結(jié)果表明：MIMO通信系統(tǒng)能夠在不增加帶寬和發(fā)射功率的情況下成倍地提高通信系統(tǒng)的容量。

參考文獻(xiàn)

[1] Tolga M. Duman. MIMO通信系統(tǒng)編碼[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008

[2]康桂華.無線MIMO信道的模型、容量、估計(jì)和實(shí)現(xiàn)算法研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2004，4

[3]黃韜，等. MIMO相關(guān)技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007

[4]柳忠榮.無線移動(dòng)信道模型的研究與實(shí)現(xiàn)[D].成都：電子科技大學(xué)，2004，3

[5]寧波. MIMO信道模型及衰落信號(hào)的空域相關(guān)性分析[D].北京：北京郵電大學(xué)，2009，6

[6]倪濤.提高M(jìn)IMO系統(tǒng)容量的功率分配與編碼方法的研究[D].大連：大連理工大學(xué)， 2007，12