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多输进多输出通信系统的信道模型及容量

专业：通信工程

摘要

随着无线通信事业的迅速开展，用户对无线通信的速率和效劳质量提出了越来越高

的要求。然而频谱资源的匮乏限制了无线通信的进一步开展；另一方面，无线信道的多

径传播特性和时变特性会对其中传输的信号带来特不大的损害。近年来多输进天线多输

出天线〔MIMO〕技术因为能大幅度增加无线通信系统的谱效率和提高传输可靠性而得

到了越来越多的关注。MIMO多天线系统所提供的空间复用增益和空间分集增益能够极

大地提高无线链路的容量和质量。现有的研究成果己经讲明，MIMO所能到达的极高的

念和信道模型，然后我们从信息论的角度，依据传统SISO信道的香农容量，推导出MIMO

信道容量公式，同时依次推导出SIMO信道和MISO信道的容量。

本文对MIMO信道模型和信道容量的研究讲明，MIMO技术关于今后新一代无线通

信具有极其的重要意义。

要害词：MIMO，SIMO，MISO，多天线系统，信道模型，信道容量。

ChannelModelandCapacityoftheMIMOCommunicatio

nSystems

Abstract

Asthewirelesscommunicationmakesrapidprogress,thedemandforhigherdataratesandhig

herqualityinwirelesscommunicationsystemshasrecentlyseenunprecedentedgrowth.However,

sity(SD)gaincanincreasegreatlythecapacityandthequalityofthewirelesslink,andtheresearchres

ultsshowspectralefficiencyofMIMOtechniqueishigherthananyotherexistingwirelesstechniqu

es.SoMIMOtechniqueisconsideredasoneofcandidacytechniquesthatcanbeusedinthenextnewg

enerationofmobilecellularcommunicationsystems.

Anygivencommunicationsystemthatutilizesthemultipleantennatechniquecanbeclassifie

dintothreecategories:singleinputmultipleoutput(SIMO),multipleinputsingleoutput(MISO)an

dmultipleinputmultipleoutput(MIMO)systemrespectively.Thispaperfirstlyintroducesthebasi

cconceptandmodelofMIMOchannel.Secondly,intheviewofinformationtheory,accordingtotra

ditionalSISOchannelShannoncapacity,wederivedthecapacityofMIMOchannel,MISOchannel

andSIMOchannel.

自Marconi首次无线通信取得成功以来，人们对无线通信的研究就一直在不懈地努

力着，但直到20世纪60年代，随着蜂窝概念的引进和70年代超大规模集成电路技术的进

步，移动通信才开始得到真正的应用。近年来，移动通信的开展十分迅速，移动通信用

户的数量迅猛增长，移动通信已开展成为现代社会人们生活中不可缺少的一种通信手段。

移动通信是指通信中的移动一方通过无线的方式在移动状态下进行的通信，这种通

信方式能够借助于有线通信网，通过通信网实现与世界上任何国家任何地点任何人进行

通信。因此，从某种程度上讲，移动通信是无线通信和有线通信的结合。移动通信的开

展先后经历了第一代蜂窝模拟通信，第二代蜂窝数字通信，以及今后的第三代多媒体传

输、无线Internet等宽带通信，它的最终目标是实现任何人在任何时刻任何地点以任何方

式与任何人进行信息传输的个人通信。

能寻求到无线通信领域的革新性技术，以从全然上解决无线通信系统的频谱利用效率和

通信质量咨询题。可幸的是，结合空时处理的阵列天线技术带来了解决这些咨询题的新

思路。它们包括天线分集技术与智能天线技术，以及最终演进到的多输进多输出〔MIMO〕

通信技术。本文重点论述MIMO技术中信道模型与容量咨询题。

1.2 无线移动通信的开展概述

随着数字信号处理、大规模集成电路和外表装贴工艺等技术的不断进步，从二十世

纪七十年代开始，现代移动通信技术得到了迅猛开展，先后经历了第一代模拟通信系统、

第二代数字通信系统和立即商用的第三代宽带数字通信系统，目前今后移动通信系统一

第四代移动通信系统的研究工作也已展开。

第一代移动通信系统开始于二十世纪七十年代末到八十年代初，要紧的代表系统有：

移动系统〔GSM〕，美国通信工业UT会公布的IS-95，欧洲电信标准协会制定的数字无

绳DECT，美国贝尔公司提出的个人接进通信系统PACS，日本个人手提系统PHS等。第

二代移动通信系统采纳了数字调制技术、先进的呼喊处理技术和新的网络结构，具有更

高的频谱利用率和更大的系统容量，除话音业务以外，还能够开展一些简单的数据业务，

话音质量和平安性好于第一代移动通信系统。

移动用户的高速增长及更高速率数据业务的需求推动了第三代移动通信系统的开

展，目前第三代移动通信有三个主流的标准，分不是欧洲提出的WCDMA，美国提出的

CDMA2000和我国提出的TD-SCDMA。第三代移动通信系统以全世界范围的个人通信

和多媒体通信为目标，它是一个支持多速率、多业务、宽频带的系统，能够满足移动性，

高比特率、可变业务等需求。与第二代移动通信系统相比，第三代移动通信系统具有许

移动数据为主；最高传输速率比现在高一个数量级以上；发射功率比现在更低，能解决

电磁干扰咨询题；支持更丰富的移动业务，包括高清晰度图像业务、会议电视、虚拟现

实业务等，使用户在任何地点都能够获得任何所需的信息效劳。另外过往的移动通信技

术全球不统一，不同标准对用户的使用造成一定不便，第四代移动通信系统要求实现全

球统一的标准，真正实现一部在全球的任何地点都能实现通信。

在移动通信的迅猛开展过程中，许多新的技术不断被研究和应用，其中要紧有：新

的编解码技术、RAKE分集接收技术、功率操纵技术、自适应调制技术、多用户检测技

术和多天线技术等。其中多天线技术由于具有抑制干扰、抗衰落、增大覆盖范围和提高

系统容量等优点，正受到越来越多的关注。

1.3 天线阵列在移动通信系统中的引进

依旧面临着许多挑战，这些挑战具体表达在以下几个方面[1]：

1〕移动用户数近年大幅度增加，导致系统面临容量增加的压力。我国在2000年，

移动用户数到达4000万，估量到2021年，我国将拥有移动用户人数2-3亿。要是按照传

统的小区分裂技术进行扩容，那么不仅本钞票会大大增加，而且效劳质量也会受到碍事。

2〕人们对移动通信的要求逐渐增强。人们在同意语音效劳的时候，也盼瞧移动通

信系统能提供无线数据通信，多媒体等宽带效劳。但这些宽带效劳势必占用更多的频谱

资源。

3〕第三代移动通信采纳的CDMA尽管比FDMA，TDMA的谱效率要高，但存在着

多址干扰。这些多址干扰限制了系统容量的增加。

4〕无线信道中存在的多径衰落、多普勒频移以及信道的快速时变等不利因素，使

天线阵列技术能够认为是一种空分多址SDMA技术，它使通信资源不再局限于时域、频

域和码域，而是拓展到了空间域。它能够在相同时隙、相同频率和相同地址码情况下，

依据用户信号在空间上的差异来区分不同的用户。天线阵列技术与其它通信技术有机相

结合，能够增加移动通信系统的容量，改善系统的通信质量，增大系统的覆盖范围以及

提供高数据率传输效劳等。

在移动通信中，天线阵列被称为智能天线。天线阵列在移动通信中还能够用来提高

系统的谱效率，这一技术即为MIMO天线阵列处理技术。MIMO技术是近几年才被提出

的一种新技术。MIMO技术原理与智能天线原理有着实质的区不，能够瞧作是智能天线

范畴的扩展。智能天线是把多径信号当作干扰进行抑制，而MIMO技术那么是充分开发

多径信号的特点，实现系统谱效率的提高。MIMO技术的这种功能，关于满足第三代移