潘蕾 江西省藥品檢驗檢測研究院

兩種MIMO系統(tǒng)下行信道容量問題的對比研究

潘蕾 江西省藥品檢驗檢測研究院

多輸入多輸出(Multiple Input Multiple Output, MIMO)技術(shù)能夠大大增加系統(tǒng)的信道容量以及提高鏈路傳輸信息的品質(zhì)，然而基站天線的拓撲結(jié)構(gòu)對容量的影響也值得關(guān)注。本文的主要內(nèi)容是對比學(xué)習(xí)分布式和集中式兩種MIMO系統(tǒng)下行信道容量，并通過MATLAB仿真得出結(jié)論，分布式MIMO系統(tǒng)在提高下行信道容量方面比集中式MIMO系統(tǒng)具有更大的優(yōu)越性。

分布式MIMO 集中式MIMO 信道容量

由于人們生活水平的逐漸提高以及通信技術(shù)的高速發(fā)展，現(xiàn)有通信系統(tǒng)的容量早已無法滿足用戶高速率、及時和高穩(wěn)定性的通信需求。多輸入多輸出(Multiple Input Multiple Output, MIMO)技術(shù)的優(yōu)點在于可以同時接收和發(fā)送多路信號，達到增大系統(tǒng)容量和傳輸速率的目的，又也能夠增加信道的安全性，降低信息傳輸時的誤碼率。系統(tǒng)的信道容量是反映通信系統(tǒng)品質(zhì)的一個重要指標，體現(xiàn)了通信系統(tǒng)能進行無錯誤傳送的最大信息率。根據(jù)基站天線是集中擺放還是地理位置分散擺放，MIMO系統(tǒng)又可以分為集中式MIMO通信系統(tǒng)和分布式MIMO通信系統(tǒng)。

分布式MIMO系統(tǒng)與集中式MIMO系統(tǒng)相對比而言，它因為天線密度的增加，減少了移動終端的發(fā)射功率，同時減少了天線相關(guān)性的影響，使分布式MIMO系統(tǒng)可以增大更多的信道容量，又因為天線分布方式的不同，也增加了天線覆蓋程度。同時以后的通信系統(tǒng)中的載頻會逐漸增加高，這樣就導(dǎo)致會加速信號傳輸時衰減的速度，分布式MIMO系統(tǒng)在近距離的優(yōu)點也會具有一定的技術(shù)優(yōu)勢。所以，無論是從科技發(fā)展還是日常生活的角度考慮，對其都有著積極的研究意義。然而分布式MIMO系統(tǒng)進行基站天線配置的時候，因為遠端天線單元需要分散分布，擺放起來會比較的麻煩，特別是在天線單位比較多的情況下。

早在二十世紀初期馬可尼就已經(jīng)提出用MIMO技術(shù)來對抗衰落，并且效果十分顯著。在上個世紀七十年代有人把MIMO技術(shù)和通信聯(lián)系在了一起，但是真正意義上讓MIMO技術(shù)進入并成為通信領(lǐng)域主要技術(shù)的是上世紀九十年代由ATamp;T貝爾實驗室的專家們實現(xiàn)的。而結(jié)合MIMO技術(shù)和分布式天線系統(tǒng)兩者優(yōu)點的分布式MIMO系統(tǒng)，經(jīng)過研究表明其優(yōu)于傳統(tǒng)的集中式MIMO系統(tǒng)，也成為了關(guān)注的熱點，同時為該系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)的研究奠定了基礎(chǔ)。有學(xué)者從不同的角度出發(fā)來證實分布式MIMO系統(tǒng)的優(yōu)勢所在。從信息論的角度有人證明了分布式MIMO系統(tǒng)比集中式MIMO系統(tǒng)提升更多的系統(tǒng)容量增益，也有專家在實驗環(huán)境下仿真比較了分布式MIMO系統(tǒng)和集中式MIMO系統(tǒng)信道容量的差別，得出的結(jié)論顯示分布式MIMO系統(tǒng)的信道容量比集中式MIMO系統(tǒng)更大。在如今這個無線頻譜資源日益緊缺的環(huán)境下，MIMO系統(tǒng)或者是說分布式MIMO系統(tǒng)已經(jīng)展現(xiàn)出它非凡的優(yōu)勢，可能會成為4G移動通信系統(tǒng)的解決良方，得到更加重視和使用。

本文就從系統(tǒng)下行信道容量方面入手，比較分布式MIMO系統(tǒng)和集中式MIMO系統(tǒng)在系統(tǒng)性能方面的差異。分布式和集中式天線系統(tǒng)都是(M,N,L)系統(tǒng)的特殊例子，其中M表示移動臺終端天線根數(shù)，N 表示基站遠端天線單元個數(shù)，L表示每個基站遠端天線單位上天線根數(shù)。我們使用一個(4,2,2)的系統(tǒng)來表示分布式MIMO系統(tǒng)，它的移動臺上有4根天線，同時有2個遠端天線單元，并且每個遠端天線單元上都有2條天線。然后假設(shè)路徑損耗因數(shù)α=4，同時移動臺自身相鄰天線之間和天線端口內(nèi)也相鄰的天線之間的相關(guān)系數(shù)兩者保持相同。在這樣的仿真環(huán)境下，(4,2,2)分布式MIMO系統(tǒng)和(4,1,4)集中式MIMO系統(tǒng)的信道容量之間的對比如下圖1所示。

圖1 分布式MIMO系統(tǒng)（DMS）和集中式MIMO系統(tǒng)（CMS）信道容量對比

從圖1可以看出，在保持天線總數(shù)不改變的前提下，分布式MIMO系統(tǒng)與集中式MIMO系統(tǒng)相比較，在相同的信噪比情況下可以得到更大的信道容量。原因在于集中式MIMO系統(tǒng)的接收天線端由于自身系統(tǒng)的特性天線分布在各個不同的地理位置，比集中式MIMO系統(tǒng)獲取了更大量的宏分集增益，這就是造成了明顯增大信道的容量的原因。另一角度也表明分布式式MIMO系統(tǒng)的多天線分布與集中式的不同，它在各個位置都存在，使得移動臺到基站天線之間的距離長度大大減小，這就使路徑損耗也降低，解決了遠近效應(yīng)所引起的情況，同時節(jié)約了移動臺自身的發(fā)射功率，增加了系統(tǒng)效率。

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