平坦衰落信道下的MIMO系統容量分析

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

【關鍵詞】多入多出平坦衰落系統容量

一、引言

隨著無線通信技術的發展，高速數據傳輸業務的需求已經越來越來迫切，然而無線通信借以提高數據傳輸速率的傳統資源———信道帶寬和發射功率———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無法滿足需求。而MIMO技術能夠在不增加帶寬和發射功率的情況下成倍地提高通信系統的容量，是新一代無線通信系統采用的核心技術之一[1]。

由于系統容量會受到采用的信道模型及天線相關性等因素的影響[2]，在分析MIMO系統的信道容量之前，必須建立一個具體的信道模型。

二、MIMO系統容量分析

2.1MIMO系統構架

發送端：數據在發送端，先進行信號編碼，然后把串行數據轉換成并行數據。最后對并行數據經行時空編碼，空分復用到每個發射天線上，通過多天線發射出去。

信道：并行的空時編碼數據經過調制發射后，傳輸的信道特性對數據的影響很大。本文的信道是建立在頻率平坦衰落信道下的。

接收端：通過無線多徑先對接收到的數據，經過時空解碼，并行數據轉換成串行數據，然后通過信號解碼，還原成原來的信號。

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（橫坐標為傳播距離，縱坐標為接收信號功率）。

（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生的陰影效應引起的。

（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、散射所產生的多徑效應引起的。

在平坦衰落（頻率非選擇性衰落）情況下，MIMO的信道模型相對比較簡單，每對發射和接收天線間的子信道可以等效成一個服從Rayleigh衰落的子信道[5]。假設系統為M×N天線提供，M為發射天線個數，N為接收天線個數。從時域的角度考慮，輸入輸出的關系為：

Y=HX+N（1）

其中X為M×1發送信號矢量，Y為N×1接收信號矢量，N為加性高斯白噪聲。

三、仿真和分析

在MATLAB平臺上面，對MIMO系統經行仿真，得到容量與信噪比之間的關系如圖3（橫坐標為’信噪比dB’，縱坐標為’MIMO系統容量bit/s/Hz’）：

本次仿真對信道帶寬做了歸一化處理，做了三種情況下的系統容量仿真：（1）傳統的單發送單接收天線，即不采用MIMO技術；（2）采用2個發送天線和2個接收天線的MIMO系統；（3）采用4個發送天線和4個接收天線的MIMO系統。

從仿真結果可以看出：（1）與傳統的單發送單接收天線相比，MIMO通信系統能夠明顯地提高系統的容量。（2）當發射功率和信道帶寬固定時，MIMO系統的容量將隨著天線數的增加而增。（3）系統天線數目不變的情況下，提高系統的信噪比能夠提高系統容量。

四、結束語

本文研究了平坦衰落信道下的MIMO系統的容量，先給出系統容量的數學模型，然后利用Matlab仿真軟件對MIMO系統在該信道下的容量進行了仿真分析。研究結果表明：MIMO通信系統能夠在不增加帶寬和發射功率的情況下成倍地提高通信系統的容量。

參考文獻

[1] Tolga M. Duman. MIMO通信系統編碼[M].北京：電子工業出版社，2008

[2]康桂華.無線MIMO信道的模型、容量、估計和實現算法研究[D].杭州：浙江大學，2004，4

[3]黃韜，等. MIMO相關技術與應用[M].北京：機械工業出版社，2007

[4]柳忠榮.無線移動信道模型的研究與實現[D].成都：電子科技大學，2004，3

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

[6]倪濤.提高MIMO系統容量的功率分配與編碼方法的研究[D].大連：大連理工大學， 2007，12