第 29 卷第 12 期 电 子 与 信 息 学 报 Vol.29No.12
2007 年 12 月 Journal of Electronics & Information Technology Dec... .2007
衰落信道下 MIMO-OFDM 系统信道容量分析
黄丘林 史小卫
(西安电子科技大学天线与微波技术国家重点实验室 西安 710071)
摘 要：针对以往文献的不足，该文重新推导了衰落信道下 MIMO-OFDM 系统信道容量公式，分析了子载波数目、
时延扩展、角度扩展以及天线间距等因素对信道容量的影响。理论分析和仿真结果符合 MIMO-OFDM 信道容量特
征。
关键词：无线通信；信道容量；多入多出；正交频分复用
中图分类号：TN919.72 文献标识码：A 文章编号：1009-5896(2007)12-2948-04
Analysis of the Channel Capacity of MIMO-OFDM
Systems under Fading Environments
Huang Qiu-lin Shi Xiao-wei
(National Key Laboratory of Antennas and Microwave Technology, Xidian University, Xi’an 710071, China)
Abstract: Considering the defect existing in the previous document, the channel capacity formula of MIMO-OFDM
systems is derived again, and the effects of the number of sub-carriers, delay spread, angle spread and antenna
spacing on the capacity are investigated. The theory analysis and simulation results descript the characters of the
channel capacity of MIMO-OFDM systems.
Key words:
Wireless communications; Channel capacity; MIMO; OFDM
1 引言
在衰落环境中，MIMO 技术通过空时编码可以获得空间
复用增益和分集增益
[1 3]−
，该技术将在诸如 WLAN 等宽带
无线通信系统中得到广泛的应用。另一方面，宽带无线信道
存在明显的频率选择性，不利于信号稳定传输。而 OFDM
技术使用的多载波调制技术将其转变为多个并行的窄带无
线信道，有利于获得稳定的信号传输，相邻子信道相互正交
且有 1/2 带宽重叠，可以提高频谱利用率
[4, 5]
。将 MIMO 技
术和 OFDM 技术结合可以更好的改善通信系统性能，提高
系统的抗衰落能力和频谱效率。Iospan Wireless 的研究人员
结合 MIMO和 OFDM技术在 NLOS传播环境中获得了最高
12bit/s/Hz 频谱利用率，目前的芯片可以在 2MHz 的带宽上
实现 13Mbit/s 的传输速率，将来有望在 7MHz 带宽上实现
45Mbps 的传输速率
[6]
。
以往讨论 MIMO-OFDM 系统信道容量的文献中对于子
信道带宽和系统带宽之间关系以及子信道信噪比与系统信
噪比之间关系的处理存在不完善之处
[7]
。本文充分考虑了
MIMO 系统结合 OFDM 技术后带来的变化，重新推导了宽
带 MIMO-OFDM 系统的信道容量公式，分析了散射环境下
子载波数目、时延扩展、角度扩展、天线间距等因素对信道
容量的影响。该容量公式与文献[7]给出的不同，但理论分析
和仿真结果都符合 MIMO-OFDM 信道容量特征。
2006-11-13 收到，2007-07-09 改回
2 MIMO-OFDM 信道模型
2.1 MIMO-OFDM 系统介绍
一个采用
T
N 个发射天线和
R
N 个接收天线的 MIMO-
OFDM 基带系统模型如图 1 所示，其中没有考虑保护间隔和
循环前缀。在发射端，传输数据经过空时编码后被分配到
T
N
个发射支路，每个支路采用正交调制，将宽带信号进行串并
变换并调制到多个相互正交的子载波上。在接收端接收信号
则经过相反的过程。各支路中的正交调制和解调分别采用
IFFT 和 FFT 来实现。
图 1 MIMO-OFDM 基带系统模型
假设 OFDM 符号周期为 T，信道被划分成 N 个子载波
信道，那么第 n 个子信道对应的频率为
= / ( =0,1,2,
n
fnTn
, 1)N −" 。设分配给第 p 个发射天线第 n 个子信道的数据
符号为
()n
p
x (1,2,,)
T
pN= " ，则发射空时码字可表示为如下
的
T
NN× 阶矩阵:
