多输入多输出系统的研究与设计

摘要

无线通信系统为了达到高速率传输，近年来发展了发射端与接收端都使用多单元天线的架构，称之多输入多输出系统（MIMO）。该技术能在不增加带宽的情况下成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率，是新一代移动通信系统必须采用的关键技术。在第三代（3G）乃至三代以后（B3G）的移动通信系统中有着广阔的应用前景。

本论文从MIMO无线通信系统的基本概念入手，介绍了MIMO系统发展的必要性，分析了它的结构和工作原理，然后从理论上推导了MIMO系统容量的公式，最后应用MATLAB软件对不同发射天线、不同接收天线、不同信噪比下的MIMO系统容量进行计算机仿真。仿真结果正如预期所料。本文的重点是对MIMO系统容量进行分析并对它进行仿真验证。

关键词：MIMO，信道容量，容量仿真

Abstract

The need for wireless data and multimedia services promotes the development and applications of many high-speed wireless communication techniques. The Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) technology, which has the potential to multiply system capacity and improve spectral efficiency without requiring extra bandwidth and power, is considered as one of the most promising breakthrough technology to improve system performance, enhance the capacity and spectrum efficiency. It becomes an important technical breakthrough and promises to be one of the key technologies for future wireless communication systems, and hence has attracted broad attention and research interests in recent years.

The MIMO technology has been already used in such systems as 3G, B3G and broadband wireless access. Although, the high performance promised by MIMO technology is highly dependent on the propagation channels. Meanwhile, we need to establish MIMO radio channel models and corresponding simulations to research key technologies and algorithms in MIMO systems and to evaluate the system performance. Based on such reasons, in this dissertation, MIMO wireless communication system and its capacity simulation channel was done.

Keywords:MIMO, Channel capacity,capacity simulation

第1章绪论

1.1本文研究的背景和意义

无线通信是当今世界最活跃的科研领域之一，在过去的几十年里，无线通信技术得到了飞速的发展和广泛的应用。在全世界范围内，移动电话用户数目已经超过了固定电话用户。无线通信产业的迅速增长驱动了无线通信技术的发展和创新。正如20世纪90年代有线通信迅速发展时一样，目前无线通信面临的主要问题是如何提供更高的数据传输速率，以满足用户在语音业务、数据业务和宽带Internet业务等方面的需求。虽然在有线通信中仍然有很多技术问题没有解决，但是诸如光纤、路由、交换机等技术已经足以满足用户对数据传输速率的需求。无线通信则面临着更加困难的问题。由于无线通信借以提高数据传输速率的传统资源——频率带宽和发射功率——目前都已濒临饱和，因此要依靠增加这两种资源的损耗来提高传输速率是行不通的。而用户对图像传输和电话会议等高传输速率数据业务的需求已经越来越迫切。现今主要使用的第二代移动通信网络已根本无法满足用户的这类需求。自然地，人们开始研究全新的移动通信技术。时至今日，第三代移动通信标准已基本定型，多家著名的通信设备商都已拿出了自己的系统解决方案，在韩国、日本等地3G网络甚至已经被商业应用。

但是由于3G主要采用的还是传统的无线通信技术，能够提供的数据传输率还是偏低(384kbit/s-2Mbit/s)，运营商无法给出“杀手”业务来吸引用户，故3G在全世界的大规模商业应用举步维艰。此时，一种新的不需要损失频带和发射功率资源就能提供前所未有的数据传输速率的技术进入了人们的视野，那就是MIMO(Multiple-Input Multiple-Output，多输入多输出)无线通信技术。目前，MIMO技术已经被视作第四代移动通信技术的重要组成部分而受到通信界的强烈关注。

1.2 MIMO系统的研究现状

从Winters对无线通信系统空间分集与系统容量关系的讨论，到Telatar和Foschini 关于MIMO信道容量的理论分析，这些研究奠定了MIMO无线通信的信息论理论基础。而BLAST的试验结果则从实践的角度证明了MIMO——这种在无线链路的发射端和接收端同时使用多个天线的通信结构，能够在不占用额外频谱带宽的前提下，有效地提高