论文研究-MIMO MB-IR-UWB系统信道容量分析 .pdf

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MIMO MB-IR-UWB系统信道容量分析,金子靖,窦峥,文章从MIMO MB-IR-UWB系统工作模式入手,根据系统子波段选取规则不同定义了四种不同的系统工作模式,即IR-UWB/1b×1模式、1b×Nt模式、Lb×1��
山国武技记文在 其中,是·个给定的传输速率:是系统带宽,对于系统而言=x,是 了波段数,是每个了波段的带宽 本系统采用文献中给出的 波形设计方法,将 系统的带宽分为相互独立 的个子波段。因此,ⅹ模式可以等效为个×的 系统, 以等效为个×的 系统,ⅹ可以等效为个×的 系统。 在 信道中,对于一般的 系统而言,它的输入输出关系可 以表示为式()。 其中, 信道幅度矩阵 α是多径信道的袁落幅度。是多径信道的多径数,τ是采样间隔,是了波段的 数目。对于 系统而言,()可以由以下公式表示: 其中()是第个子波段的调制信号。则在 系统中,有 ()=∑∑ 其中,()是接收信号,()的功率谱密度可以表小为: z 在 系统中,信道幅度衰洛矩阵 以及的各个行列是相互独立 的,发射信号的能量是有限的。可以得到: ()()=[(刀≤ 那么 的系统容量可以表小如下: 其中,()=∑ 那么依此类推,在基于 的 系统中,将x模式等效为个 的 系统,对其第个波段对应的×的 系统进行分析, 假设系统的信道幅度哀落矩阵 及 的各个行列是相互独立的。 在此也假设发射信号的能量是有限的,即 [()()-「[(刀 那么,第个子波段对应的x 系统的信道容量为 山国武技记文在 其,()=∑ (-1z 原则上,功率谱密度()应该在空时频域内进行优化。但是在假设所有的接收端已知 信道信息和信道的统计特性,而发送端不知道信道信息时,()最优的分配能量的方法是 将能量平均分配在各发射天线和频段[-/+/]上。那么,()应该如式()所示: 因为系统的整个频段划分成了几个独立的子波段。因此,针对于每一个子波段的噪声变 成了 那么,第个子波段的信道容量为 因此,个波段的总的信道容量表小如下: 其中,p 注意,对于多波段系统来说,我们假设在同一时刻每个子波段相对应的信道系数是一样 的,那么系统容量可以简化为 模式可以被看做是个x 系统,故其系统容量可以表示如 ⅹ模式可以等效为个×的 系统,其系统容量可以表示为: 山国武技记文在 仿真结果分析 本节仿真采用 法对 系统的四种工作模式进行系统容量 分析。表中给出了仿真各参数设置。 表系统容量仿真参数设置 工作模式信道环境多径数天线没置波段设置中断概率G中断概率信噪比仿真次 .1 10 图 模式与×模式 根据每发射天线上占用子波段数,首先将 模式与ⅹ模式进行比对 图给出了信噪比为时以上两种工作模式的曲线,图中细线表示 工作模式下不同天线设置对应的 曲线,粗线表示×模式下不同天线设置对应的 曲线,图中标示出E=对应的 模式在发收天线设置下,对 应的中断容量为 ,在发收天线设置下,对应中断容量为 模式 相当于个×的 系统,故其曲线形式与单发射天线的曲线形式相似, 虽然该模式下的较低,但其中断容量要相对 模式有所提升:在发收天线设置 下,模式的中断容量相较 模式有 的提升,在发收天线设置下 提升可达 山国武技记文在 图中给出了模式在不同大线设置下的曲线,图中细线表示模式卜 发收天线设置对应线,粗线表示发收天线设置对应线,)标识了E 对应的ε仿真结果直观地表明,模式在相同天线设置下,其中断容量公随着每发射 大线占用波段数的增加而增加,在发收大线设置下,每发射天线占用波段数从、增 加到时,系统的中断容量从 增加到 ,即在发收时,每 发射天线占用波段数从增加到时对系统中断容量的提升幅度最大;而在发收天线设 置下,每发射天线占用波段数从增加到时,系统中断容量从 增加到 其中断容量提升幅度要低于发收天线设置的情况。再考虑相同泼段设置下,不同天线设 置对断容量的影响,可以观察到,天线数目的增加)没有对系统容量产生明显影响,相同 波段设置时,发收天线设冒条件相较于发收天线设置条件,其有所提升,但其中 断容量却有明显下降。这是因为在相同波段设置下,发射天线数目的增加会使得信道相关性 更强,引起的信道锐化更为严重,使得系统谷量减少。 让2 T:cRxE 1.9 LbMt2TzRz日 LbM2Tg∠R8日 00 LbNt 4Tn4(B 17 04 2 n 15 /B/bps/H 图 模式对应曲线 图中给出了ⅹ模式在不同天线设置下的曲线,图中细线衣示发收天线设 置卜ⅹ模式的曲线,粗线表示发收天线设置下的曲线,图中标示出E 对应的。从图中结果表明,在发收天线设置卜,其中断容量要远高」发收大 线设置,即在该模式下,天线数目的增加可以使系统容量明显增加,在每天线占用波段时, 发收对应中断容量为 ,比发收对应条件下增加 在每天线占用 波段时,发收对应中断容量为 ,相比增加 ;而在每天线占用波段时, 发收对应中断容量为 ,相比发收中断容量提升为 。而在该模式下, 天线设置相冋时,随着占用波段数的增加系统容量反而在烽低,因为在该模式下,每发射天 线上占用的波段越多,符号流之间的相互干扰越严重,即信道的相关性越强,其所导纹的信 道锐化也更加严重,故其表现为系统容量的降低。 山国武技记文在 Ihl oTwtrwte 2TXERM4B -·Lb1,2 TxeRMEE Lb14T×4Rx∠日 0E-…4…∷ ,,,,, 4 C/R/EIS/H 图 模式对应曲线 IR-UAB A1TxMRx 1ENt fTx4f L上Nt2T×4Rx4B 机合LLN2T×2只x24BF 图不同工作模式对应屮断容量 最后将这四和工作模式的中断容量进行比较,图中给出了四种模式在发收天线设 置下中断容量随信噪比变化的仿真曲线。仿真结果表明,在四种工作模式中,系统容量表现 最优的是ⅹ模式,并且随着信噪比増加该模式的中断容量提升十分显著,但该模式随着 釆用波段数的増加信道锐化十分严重:其次为×模式,该模式占用子波段数目与发射天 线数目相同,在发收天线设置下中断容量在时能够达到 左右;而 模式与×模式在系统容量上表现基本持平,但在相同天线设置条件下×模式可以 利用更多的子波段以提升系统容量,这点是 无法实现的,即 模式相较 模式对频谱资源的利用更为灵活。 山国武技记文在 结论 本文对 系统的工作模式进行了研究,将 的工 作模式根据子波段的选取规则进行了定义,给出了种工作模式,分别定乂为 模 式、ⅹ模式、ⅹ模式和ⅹ模式 在此基础上又研究了 的系统容量,仿真分析了不同工作模式下的 系统中断容量,并分析比较了各工作模式在系统容量上的性能表现。仿真结果显示,在 信道环境中,欲提升系统容量,盲目地增加收发天线数目或占用子波段数目 并不可取,而是应该视工作模式不同而采取相应方案。仿真结果显示,在 时,发 收天线设置下,×模式的系统容量可以达到 而ⅹ模式的系统容量则只能 达 參考文献

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