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基于AngularSpeading的MIMO信道容量研究.doc
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基于AngularSpeading的MIMO信道容量研究
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目 录
第一章 绪论....................................................................................................................................................3
1.1 引言....................................................................................................................................................3
1.2 MIMO 研究背景和内容...................................................................................................................3
1.2.1 多输入多输出(MIMO)无线通信历史..................................................................................3
1.2.2 MIMO 研究内容....................................................................................................................3
1.2.3 MIMO 相关技术....................................................................................................................5
1.2.4 MIMO 信道建模与仿真的发展现状....................................................................................6
1.3 MIMO 的意义...................................................................................................................................6
1.4 本论文的内容安排...........................................................................................................................7
第二章 MIMO 信道建模................................................................................................................................8
2.1 引言....................................................................................................................................................8
2.1.1 MIMO 信道建模的必要性.....................................................................................................8
2.1.2 MIMO 信道建模的基本内容.................................................................................................8
2.1.3 MIMO 无线移动传播信道.....................................................................................................8
2.2 MIMO 无线信道概述......................................................................................................................9
2.2.1 从 SISO 信道到 MIMO 信道的演变.....................................................................................9
2.2.2 MIMO 无线信道参数特点..................................................................................................10
2.3 MIMO 信道模型..............................................................................................................................11
2.4 MIMO 系统容量推导.....................................................................................................................14
2.5 本章小结..........................................................................................................................................19
第三章 相关性与 MIMO 系统容量.............................................................................................................20
3.1 引言..................................................................................................................................................20
3.2 系统参数和天线相关性对 MIMO 信道容量的影响....................................................................20
3.3 LOS 无衰落 MIMO 信道的相关模型............................................................................................21
3.4 瑞利衰落信道 MIMO 相关模型....................................................................................................22
3.5 角度扩展与相关性.........................................................................................................................24
3.6 本章小节..........................................................................................................................................25
第四章 仿真与结论......................................................................................................................................26
4.1 角度扩展对相关系数的影响.........................................................................................................26
4.2 角度扩展对 MIMO 信道容量的影响............................................................................................28
4.3 仿真结论..........................................................................................................................................32
第五章 总结与展望......................................................................................................................................33
5.1 总结...................................................................................................................................................33
5.2 未来的研究方向及展望..................................................................................................................33
参考文献.........................................................................................................................................................34
致 谢................................................................................................................................................................35
附 录................................................................................................................................................................36
I
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图片目录
图 1- SISO 空间流.............................................................................................................................................4
图 1- MIMO 空间流..........................................................................................................................................4
(公式 2- )...........................................................................................................................................................9
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图 2- MIMO 信道模型....................................................................................................................................12
图 2- MIMO 简化信道模型............................................................................................................................12
(公式 2- ).........................................................................................................................................................13
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图 2- MIMO 等效信道 1.................................................................................................................................16
图 2- MIMO 等效信道 2.................................................................................................................................17
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(公式 3- ).........................................................................................................................................................20
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(公式 3- ).........................................................................................................................................................21
(公式 3- ).........................................................................................................................................................21
图 3- LOS 无衰落信道相关模型....................................................................................................................21
(公式 3- )..........................................................................................................................................................21
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图 3- 瑞利衰落信道 MIMO 相关模型...........................................................................................................23
(公式 3- )..........................................................................................................................................................23
(公式 3- )..........................................................................................................................................................23
(公式 3- )..........................................................................................................................................................23
(公式 3- )..........................................................................................................................................................24
(公式 3- )..........................................................................................................................................................24
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公式 3- )...........................................................................................................................................................24
(公式 3- )..........................................................................................................................................................24
(公式 3- )..........................................................................................................................................................24
图 4- 角度扩展-相关系数曲线 1....................................................................................................................27
图 4- 角度扩展-相关系数曲线 2....................................................................................................................28
图 4- 容量-信噪比曲线 1................................................................................................................................29
图 4- 容量-信噪比曲线 2................................................................................................................................30
图 4- 容量-信噪比曲线 3................................................................................................................................31
图 4- 容量-信噪比曲线 4................................................................................................................................31
图 4- 容量-信噪比曲线 5................................................................................................................................32
2
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第一章 绪论
1.1 引言
移动通信的迅速发展,给人们的生活带来了极大的便利,已经成为人们不可缺少
的上具。随着移动通信应用的深入,人们对移动通信提出了更高的要求。然而,移动
通信的三重动态性特点,给通信的有效性和可靠性带来了极大的挑战。其一,信道的
动态性,即无线信道是时变的、随机的。其二,用户的动态性,即用户终端是移动的。
其三,业务的动态性,即业务类型动态选择。因此,在大力发展第三代移动通信的同
时,世界各国己经开始研究如何以更高的传输速率、更高的服务质量实现多媒体通信。
频谱资源的匮乏己经成为实现高速可靠传输通信系统的瓶颈。一方面,是可用的
频谱有限;另一方面,是所使用的频谱利用率低下。因此,提高频谱利用率就成为解决
实际问题的重要手段。二十世纪九十年代,多天线系统的理论发展进入了辉煌时代,
产生了多进多出(Mutpleinput,MultipleOutput,MIMO)技术,即利用多副发射天
线和多副接收天线进行无线传输的技术。
1.2 MIMO 研究背景和内容
1.2.1 多输入多输出(MIMO)无线通信历史
MIMO 技术实际上由来已久,早在 1908 年马可尼就提出用它来抗御多径衰落。
到上世纪 90 年代中期,信息论的一些新的研究成果的公布才使 MIMO 技术得到广泛
的关注。
1995 年,Bell 实验室的 Foschini 和 Telata 分别提出了多天线信道容量理论,理
论表明:在天线链路的衰落相互独立的条件下,MIMO 系统的信道容量随着收发天线
数的增长而线性增长,这一理论突破了传统单天线的 Shannon 信道容量限制,展示了
MIMO 系统具有的巨大的理论信道容量。
此后,分层时空码的提出为 MIMO 实用化迈出了重要一步。现有的实验系统表明,
使用空时编码的 MIMO 系统能够获得数倍于现有系统的无线信道容量.MIMO 系统不同
于现有的单天线系统和智能天线系统。它在通信的接收端和发送端均使用多根天线,
其基本原理是采用空时编码方式将用户的信号分成多路并行的数据子流,并分别由多
个天线同时,同频发送,接收端用多个天线接收并解码之后再将数据子流进行合并,
从而得到发送的原始信号。MIMO 技术本质上是利用多天线同时发送和接收而形成的
多个并行的独立数据子流来提高系统的信道容量和抗衰落能力的。因此,数据子流的
独立性和数据在各天线间分配方式是影响系统性能的关键因素。独立数据子流的数目,
由天线链路间的衰落相关性决定,因此在 MIMO 系统中,天线链路间的衰落相关性成
为影响 MIMO 系统的性能的关键因素之一。所以不难理解对单天线系统来说是有害因
素的多径传播对 MIMO 系统来说反而是有益因素。
1.2.2 MIMO 研究内容
MIMO 表示多输入多输出。通常用于 IEEE 802.11n。MIMO 有时被称作空间
多样,因为它使用多空间通道传送和接收数据。只有站点(移动设备)或接入点
(AP)支持 MIMO 时才能部署 MIMO。
MIMO 的优点是能够增加无线范围并提高性能。连接到老的 802.11g 接入点
的 802.11n 站点能够以更高的速度连接到更远的距离。例如,如果使用老站点,
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