论文总字数：17971字

目 录

第一章 绪论 1

1.1无线MIMO通信系统分析 1

1.2 现状 1

1.3 待发展方向 1

第二章 MIMO无线通信系统原理及关键技术分析 2

2.1 MIMO系统理论 2

2.1.1 MIMO系统模型 2

2.2 空时编码技术 2

2.2.1 空时编码技术及其分类 3

2.3 空时分组码（STBC） 3

2.4 分层空时码（BLAST） 3

第三章 空时编码及BLAST检测算法分析与性能仿真 4

3.1 基础分析 4

3.2 传输方案 4

3.3 仿真工具介绍 5

3.3.1 基础介绍 5

3.3.2 界面介绍 6

3.4 空时编码仿真分析 7

3.4.1 仿真结果 7

3.4.2 结论分析 8

3.4.3 程序流程图 9

3.5 基本BLAST结构的检测算法 10

3.5.1 仿真结果 11

3.5.2 结论分析 12

第四章 MIMO信道模型及容量分析与仿真 12

4.1 引言 12

4.1.1 衰落现象的分类 12

4.2 MIMO信道模型 12

4.2.1 一般室内信道模型 12

4.2.2 室外信道模型 14

4.2.3 信道容量的初步探究 16

4.2.4 实用模型 17

4.3 MIMO信道容量分析 19

4.4 天线选择技术下的信道容量 23

4.4.1 仿真需求分析 23

4.4.2 仿真结果 24

4.4.3 结论分析 24

4.4.4 程序流程图 25

第五章 总结与展望 26

参考文献 27

致谢 28

第一章 绪论

无线网络的演进，不单是带宽的体现，更是代表万物互联，以及更好的用户体验的价值聚合。MIMO系统中大规模有源天线阵的5G技术4G化规模应用，让无线网络可以摆脱频谱资源匮乏的创伤，另外，多径衰落是尤为严重的缺点，多普勒频移同样限制了其发展。当前MIMO技术通过在基站收发端口上使用大量的天线，用以实现更大的无线数据流量和连接可靠性，可作为现今移动通信系统的一种平滑的过渡形式。

1.1无线MIMO通信系统分析

目前，各国已相继开始新一代的移动通信研究领域的实践研究，努力成为未来移动通信发展领域的领主导。最新的MIMO系统的处理信号方式不再是那么复杂的了，这一点，跟人们观念中的不同。我们进行线性设计就能规避很多干扰，也能得到很好的特质。比如在预编码方法研究方面：传统的MIMO系统中一般研究非线性预编码方案，比如脏纸编码。而大规模MIMO中一般采用线性预编码，但是脏纸系列的编码复杂度显得比较高。如果基站天线数量增加的过多，若采用非线性预编码会导致基站的计算复杂度猛烈增加，这会扩大成本，显然DPC此类方法不再适合在大规模MIMO里。

1.2 现状

2010年美国贝尔实验室的著名研究员提出了如今享誉全球的大规模MIMO系统，他在研究中指出，如果上端基站的天线被增多了，可以均衡一定程度上的干扰和衰落，伯努利和棣莫弗显然能提供数学定理的支持，因为他们能提供概率论的知识，我们的系统分析又离不开数学知识。通常现在的阵列天线一般仿真128根天线，天线增加之后系统性能的研究在业界也被摆上日程。我们仿真128根天线不现实，所以我在做Alamouti仿真只仿真了2根天线。

1.3 待发展方向

a.减少硬件成本的混合预编码结构和方法探索

过去的信号处理方法需要每根天线对应一个射频链路，但是射频链路造价昂贵，天线数目增加之后，硬件和能量开销也会随之增大，所以如何设计和研究降低射频链路成本的预编码方案也已经摆上台面。

b.接收机的优化

点对点多输入多输出系统的最佳线性收发滤波器设计是一个凸优化问题。为了消除空间产生的干扰就需要使用更加先进的优化算法，然而目前还没有比较先进的算法。

c.导频设计以及降低导频污染探索

随着天线个数的增多，之前噪声和其他污染均将消失，此时导频污染会变成影响MIMO系统性能的唯一特殊因素。目前如何分配导频和它的功率来降低导频污染等问题变得尤为重要。

d.信道状态信息的获取

发射机可不可以准确知道信道某个时刻的状态，影响到系统功率的分配和系统整体性能的实现。然而如何准确获取CSI是MIMO理论技术的重中之重。

我们熟知，小区里移动台相互之间的通信链路不尽相同，并且各自天线安排不尽一致，与上行基站的相对距离不一致。这会使得基站的多天线信号在不同时间延迟的情况下抵达基站。目前，MIMO最重要的方面是容量分析那块，这也是我的论文重点之一。

第二章 MIMO无线通信系统原理及关键技术分析

2.1 MIMO系统理论

基本的MIMO，另外的“大型天线系统”，“非常大的MIMO”，“超MIMO”、“全维MIMO”和“ARGOS”称号与当前潮流完全吻合。通过在有源终端上使用许多服务天线，实现时分双工操作。额外的天线有助于将能量集中到更小的位置。空间分布大力改善了辐射能量效率和吞吐量。最新的MIMO的其他优点涵盖大量使用廉价的低功率组件，减少时延、优化媒体访问控制（MAC）层。许多传统的研究问题无关紧要，该项技术解决了学界目前急需解决的问题。需要注意的是制造低成本低精度元件，对刚出现的终端进行同步和采集，用更多的智能天线提供额外的自由度，减少内部电力消耗以实现总的能源效率提升，还要寻找新的解决方案。本文概述了MIMO系统的概念和当代研究的主题。

2.1.1 MIMO系统模型

图2.1 MIMO简易模型

TX代表发送天线，RX代表接收天线。

信道矩阵：

(2.1)

接收矢量：

(2.2)

即接收信号等于信道衰落系数发射信号 接收端噪声

根据上图能够看到，MIMO模型中发送端和接收端均有多根天线，信道之间也存在一定的噪声，和上述MIMO系统理论一致。发送天线的数目要大于接收天线，因为一般来讲，移动设备所支持的天线数目总是比基站端要少。

2.2 空时编码技术

  无线信道中提高可靠性的大法宝是什么？分集。一般我们采取时间分集、频率分集和天线分集等，人们利用该项技术进行可靠通信。信道编码还可以提供时间多样性，信道失真因此销声匿迹。实际的信道编码的例子包括卷积码和分组码以及其他多种混合编码方式，在无线通信系统中，信道编码通常被混合使用，以便有效地实现时间分集。空间分集称为另一种强大方式，多径衰落的影响在它面前不足道尔。将收发天线引领的空间分集配上信道编码，这就构成了大名鼎鼎的空时编码，综合的MIMO系统随之自然而然地产生了。

无线通信的新时代正是由编码和空间的多样性创造的，它可以为实现可靠和高速率的无线通信链路的挑战提供有效的解决方案。因此，MIMO系统中的编码是MIMO系统可靠性和期望传输速率的基础。

2.2.1 空时编码技术及其分类

带宽资源不会被牺牲的时候我们放心引入空时编码，由不同天线发送的信号之间的空间和时间相关性。编码规则如下述所示：编码器精确接收来自发送端的数据，然后输出符号被从发射天线引导出来，这类符号具备大小和方向，所以它是个时间矢量。

具体的空时编码根据解码时是否需要知道信道状态信息的，我们可以这么分类：分为分层空时编码、空时格型编码、空时分组编码与差分空时编码及酉空时编码，其中，前者需要知道，而后者并不需要知晓。

2.3 空时分组码（STBC）

STBC本身比所有的STTCS都稍微好一点，甚至虽然它并未提供编码增益，因为STBC结构比较复杂，它是多元化的，独立的信息流于独立时隙传输，进以优化结构。在AWGN信道中，一个接收天线上，级联STBC比所有接收天线都具有更好的性能，唯一的缺点可能就是STBC会引起众所周知的容量损失。

空时分组码输入信息符号中简单的编码和解码是线性的，它们在这样的MIMO架构中是非常有价值的。一般来说，码本的距离谱是比误差性能更好的度量。最大成对错误概率也应纳入代码设计度量。最后，具有最佳差错性能的线性分组码并不总是代表最佳容量性能。

2.4 分层空时码（BLAST）

分层空时编码的概念首先由Foschini等人提出，一直被认为适合高速率传输的情况。所有BLAST方案有时也可被称为空间复用方案。种类繁多，当然了本文当然只研究VBLAST了。传输数据抵至接收端，采取阵列天线拦截，最终经历空时解调和一定的解码，最后变为原来的信息。

图2.2 分层空时码的发射端系统模型

我们来看图（2.3），假设某个时刻需要传输数据，传输完成之后，接收端通过均衡器抵消干扰，然后算法才执行译码功能，并且这种译码方式只需要一个设备即可完成，降低了成本。这里面也需要译码器的参与。

信道估计

线性判决反馈均衡器

空时译码

信道译码

天线1

天线2

图2.3 分层空时码的接收端系统模型

第三章 空时编码及BLAST检测算法分析与性能仿真

3.1 基础分析

首先明确一个概念，上行链路是什么？即从移动台到基站的传输，通俗讲，相当于从你到基站进行数据传输使用的链路。基站建造地如此庞大所以我们不费吹灰之力就可以架设多条天线，不管移动台信号怎么来从哪儿来基站都能接收到，当然这些信号在接收端是被合并方式处理过的，否则译码器将不知道发送的信息原貌。最大比合并技术这时往往粉墨登场，当然，根据设计要求选择合并技术是基础。因为移动设备体积都被设计的非常小巧，所以安排多条天线使得成本大也很反工学，因此通过发射分集来获取空间分集增益是最好的方案。

最简单的空时编码就是将上述的空间分集与信道编码结合起来，可以说这是最简单的一种方案。

3.2 传输方案

图（3.1）为Alamouti发送示意图。

图3.1 Alamouti原理框图

依据上述原理，我们能得到空时编码矩阵为

(3.1.1)

很显然，该方式提出了一种正交逻辑，这是以前未曾有过的。

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