基于MIMO技术的空时编码类型仿真实现学士学位论文.docx
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基于MIMO技术的空时编码类型仿真实现学士学位论文
基于MIMO技术的空时编码类型仿真实现
摘要
未来的无线通信系统的目标是实现无所不在的、高速、可靠的移动多媒体传输。
由多发射和多接收天线组成的多输入多输出MIMO(Multiple.InputMultiple.Output)技术正是在不牺牲发射功率和信号带宽的条件下,达到这一目标的有效技术之一。
MIMO技术在无线通信链路两端均使用多个天线,可以充分利用无线传播中的多径传输,使频谱利用率和链路可靠性得到极大的提高。
与MIMO技术紧密相关的就是空时编码,本文介绍常见的两种空时编码技术:
分层空时码和空时格型码的性能和复杂度,最后对两种编码方案的优缺点进行总结比较。
本文首先对无线MIMO系统的信道模型、信道容量两个主要方面涉及到的有关理论进行了分析;然后研究和介绍分层空时码和空时格型码的原理和编码方法,及其对MIMO信道改善情况,并且比较两种编码方法各方面的优缺点;最后在瑞利衰落MIMO信道下,对空时格型码进行MATLAB仿真与分析,并给出了有关仿真结果。
关键词:
MIMO;MATLAB;空时编码;分层空时码;空时格型码
Abstract
Thefuturebreadbandwirelesscommunicationsystemsareexpectedtoprovideubiquitous,high-reliability,andhigh-data-ratsmobilemultimediatransmission.MIMO(Multiple-InputMultiple-Output)techniqueutilizingmultipleantennastorealizemultipletransmissionsandmultiplereceivingcanexploitspaceresourceadequatelyandcanimprovechannelcapacitywithoutanylossinbandwidthandtransmittingpower.Soitcanmeettheneedofhighdatatransmissioninfuturewirelesscommunications,closelyassociatedwithMIMOtechnologyisspace-timecoding.Thepaperintroducesprincipleofthreekindsofcommonspace-timecodingoftechnology,introducesemphaticallythespace-timecodes,layeredgridspace-timecode,groupingspace-timecodethreecommonspace-timecodingschemeandcomplexity,theperformanceoftheadvantagesanddisadvantagesofthethreekindsofencodingschemeissummarized.
Firstly,thewirelessMIMOsystem,channelmodels,channelcapacityinvolvestwomainaspectsofthetheoryareanalyzed;researchandintroducethelayeredspace-timecodes,space-timetrelliscodesandspacetimeblockcodesandtheprinciplesandcodingmethods,withittoMIMOchannelimprovementsituationandcompareadvantagesanddisadvantagesofvariousaspectsofcoding;Finally,intheRayleighfadingMIMOchannel,IcarryontheMATLABsimulationandanalysisforthethreecodes:
layeredspace-timecodes,space-timetrelliscodesandspace-timeblockcodes,andgivethesimulationresults.
.
Keywords:
MIMO;MATLAB;Space.TimeCoding;Space.TimeTrellisCoding
目录
1绪论1
1.1课题背景1
1.2MIMO技术概述2
1.3空时编码技术概述3
1.3.1分层空时码3
1.3.2空时格型码3
1.3.3空时分组码4
2MIMO技术的基本机理及通信过程5
2.1MIMO系统5
2.2MIMO空时信号模型5
2.3MIMO对系统性能的改善7
2.4MIMO研究现状8
3MIMO系统的信道特性及容量分析10
3.1无线信道的衰落特性10
3.1.1大尺度衰落11
3.1.2小尺度衰落12
3.1.3衰落信道的包络统计特性13
3.2MIMO系统的信道容量14
3.2.1恒参信道的信道容量15
3.2.2随参信道的信道容量16
4空时编码类型及仿真17
4.1空时编码技术的简介17
4.1.1空时编码的系统模型17
4.2空时分层码18
4.2.1空时分层码的概念18
4.2.2空时分层码的编码方法18
4.3空时格型码20
4.3.1空时格型码的概念20
4.3.2空时格型码的编码方法21
4.3.3空时格型码的程序24
4.3.4空时格形码仿真与分析28
5两种编码性能的仿真与分析30
5.1两种编码方法的性能仿真30
5.1.1空时分层码的性能仿真30
5.1.2空时格型码的性能仿真30
结论33
致谢34
参考文献35
附录A:
英文原文36
附录B:
汉语翻译43
附录C:
源程序48
1绪论
1.1课题背景
最早的无线通信出现在1897年,马可尼(Marconi)首次使用无线电进行信息传输并获得了成功。
随后的一百多年里,伴随着计算机技术和大规模集成电路技术的发展,无线通信的理论和技术不断取得进步,并成为当今世界最活跃的科研领域之一。
从早期的仅在船舶、航空、列车、公共安全等专用领域应用,到如今成为人们日常生活中不可缺少的重要通信方式,无线通信在社会发展中发挥了越来越重要的作用,无线通信突破了有线通信的物理限制,使得用户可以自由地在任何无线电波能够到达的地方进行通信,大大拓宽了通信的空间范围和活跃度。
无线通信系统的发展已经经历了大致三个阶段,而且目前正在向后三代或第四代宽带无线通信系统(B3G/4G)的方向发展[1][2]。
第一代无线通信系统(1G)主要是模拟蜂窝和无绳电话系统,采用的是模拟技术和频分多址(FDMA)技术,其典型的代表有美国的AMPS、英国的TACS,北欧的NMT450/900等模拟蜂窝通信系统等.它的主要缺点是频率利用率低、容量小、业务单一、安全性差,不能满足飞速发展的移动通信业务量的需要,于是人们开始转向研究数字通信,出现了第二代移动通信系统。
第二代无线通信系统(2G)起源于20世纪的80年代末,所采用的技术大致可以分为两大类——数字时分多址(TDMA)技术和数字窄带码分多址(CDMA)技术,其代表分别是欧洲的GSM系统和美国的IS.95系统,2G的这两类系统的容量和功能与第一代模拟系统相比有了很大的提高,但业务种类仍然主要限于话音和低速数据,频率使用率仍然较低,而且这两大系统的实现技术有着本质的区别,无法兼容。
第三代无线通信系统(3G)的概念最早是在1985年由国际电联(ITU)提出的,当时称为未来公共陆地移动通信系统(FPLMTS:
FuturePublicLandmobileTelecommunicationSystem),后来考虑到该系统预计在2000年左右投入商用,而且工作于2000MHz频段,而改为国际移动通信系统IMT.2000(InternationalMobileTelecommunications.2000)。
IMT.2000的目标是全球统一频段,统一标准,全球无缝覆盖及漫游;实现高服务质量,高保密性能,高频谱效率;提供多媒体业务,并使终端结构简单,便于携带,价格较低;可与各种移动通信系统融合:
包括蜂窝、无绳电话和卫星移动通信等,并适应多用户环境,包括室内、室外、快速移动和卫星环境,实现车速环境144kbits/s速率,步行环境384kbits/s速率,室内环境2Mbits/s速率的无线多媒体通信。
3G系统的目标是使多种无线运行环境统一,支持多种语音和非话务业务,特别是互联网业务和多媒体业务,解决第一代和第二代无线通信系统的种种不足,但目前3G的核心网没有完全脱离第二代移动通信系统的核心网结构,也没有建立起一个全球统一的通信标准,所以3G系统被普遍认为是一个窄带向宽带过渡的阶段。
当前比较公认的可能会在4G无线通信系统中采用的备选的物理层关键技术有[2]:
多输入多(Multiple.InputMultiple.Output,MIMO)技术、正交频分复用(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing,OFDM)技术、自适应编码调制(AdaptiveModulationandCoding,AMC)技术等等。
1.2MIMO技术概述
随着蜂窝移动通信、因特网和多媒体业务的发展,人们对于无线通信在容量方面的需求迅速增加,然而现有的无线频谱资源是有限的,所以要通过提高通信系统的频谱效率来满足人们对通信系统容量越来越高的要求。
在传统的无线通信系统中,发射端和接收端通常是各使用一根天线,这种单天线系统也称为单输入单输出(Single.InputSingle.Output,SISO)系统,根据Shannon给出的信道容量公式,确定了其在有噪声的信道中,进行可靠通信的上限速率。
如果无线链路的收发两端不是使用一根天线,而是使用多根天线进行发射和接收,就构成了多输入多输出(MIMO)技术,采用MIMO技术可以使信道容量突破传统的单输入单输出信道容量的瓶颈,是Shannon信道容量的推广。
在采用MIMO技术的无线通信系统中,如果不同发射天线之间的距离足够远且不同接收天线之间的距离也足够远,那么可以认为各发送接收天线之间的信道响应相互独立,这样MIMO系统可以创造多个并行的空间子信道。
通过这些并行空间子信道独立地传输信息,将使得各个发射天线到各个接收天线之间的传播信号也是互相独立的,从而大大提高了数据率,满足新一代无线通信高传输速率、高传输性能和高业务容量的要求。
简单的说,MIMO系统利用多天线抑制信道衰落。
通常,多径要引起衰落,因而被视为有害因素,然而对于MIMO系统来说,多径可以作为一个有利因素加以利用。
MIMO系统在发射端和接收端均采用多天线(或阵列天线),对于发射天线数为NT,接收天线数为NR的MIMO系统,传输信息流经过空时编码形成NT个信息子流,这NT个子流由NT个发射天线发送出去,经空间信道后由NR个接收天线接收,多天线接收机利用先进的空时编码
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