【摘要】MIMO（Multiple Input Multiple output）技術是新一代無線通信系統(tǒng)采用的核心技術之一，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MIMO系統(tǒng)在平坦衰落信道下的信道容量進行了研究，并對MIMO系統(tǒng)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(tǒng)容量

一、引言

隨著無線通信技術的發(fā)展，高速數(shù)據傳輸業(yè)務的需求已經越來越來迫切，然而無線通信借以提高數(shù)據傳輸速率的傳統(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無法滿足需求。而MIMO技術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)采用的核心技術之一[1]。

由于系統(tǒng)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(tǒng)的信道容量之前，必須建立一個具體的信道模型。

二、MIMO系統(tǒng)容量分析

2.1MIMO系統(tǒng)構架

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

信道：并行的空時編碼數(shù)據經過調制發(fā)射后，傳輸?shù)男诺捞匦詫?shù)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(shù)據，經過時空解碼，并行數(shù)據轉換成串行數(shù)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(fā)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(tǒng)為M×N天線提供，M為發(fā)射天線個數(shù)，N為接收天線個數(shù)。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(fā)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(tǒng)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(tǒng)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(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；（2）采用2個發(fā)送天線和2個接收天線的MIMO系統(tǒng)；（3）采用4個發(fā)送天線和4個接收天線的MIMO系統(tǒng)。

從仿真結果可以看出：（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）當發(fā)射功率和信道帶寬固定時，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)學模型，然后利用Matlab仿真軟件對MIMO系統(tǒng)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(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

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