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MIMO系统和OFDM技术解析
内蒙古科技大学
本科生毕业设计说明书(毕业论文)
题目:
Rayleigh衰落信道下MIMO
系统的误码率性能分析
学生姓名:
代秋丽
学号:
1167119229
专业:
通信工程
班级:
11级通信2班
指导教师:
胡海东
Rayleigh衰落信道下MIMO系统的误码率性能分析
摘要
由于无线通信技术的越来越快的发展很大程度地改变了我们生活的各个方面。
现在我们在21世纪,人们对通信服务行业的需求和质量正在进一步提升,更快速以及更优质的服务是我们所需要的。
但是因为无线频谱资源是有限的,所以要求提供更高速的数据传输速率和为更广大的用户应用,用现在的技术是不可能完成的。
多输入多输出(MIMO)无线通信技术是一种十分有用的宽带无线传输的技术[1]。
它在一定的频谱范围内能够给出高速率高容量的性能。
这篇文章在国内外一些具有专业知识的人员研究工作的基础上,对于与MIMO无线通信系统相关的一些理论和技术方面进行了传输抗噪声性能方面的研究,这篇文章主要研究的是:
在MIMO
无线通信系统的条件下,通过编写程序应用MATLAB仿真来分别比较最大似然检测(MLD)的误码率性能、最小均方误差检测(MMSE)的性能还有逆信道检测(ICD)的误码率性能。
并且当接收天线
时还要比较一下它们的误码率性能。
调制要求采用2PSK,这是最基本的一些要求。
关键字:
误比特率;多输入多输出;信号检测;系统性能仿真
AnalysisofMIMOsystemberperformanceunderRayleighfadingchannel
Abstract
Therapiddevelopmentofwirelesscommunicationtechnologyhasgreatlychangedpeople'slife.Inthe21stcentury,peoplegrowingdemandforcommunicationsservicesandrequirements,hopetogetmorequickly,morehigh-qualityservice.Butundertheconditionoflimitedradiospectrumresources,wewanttoprovidehigh-speeddatatransmissionandservemoreusers,relyontheexistingtechnologyisaverydifficult.Muchmore(MIMO)wirelesscommunicationtechnologyisakeyofbroadbandwirelesstransmissiontechnology.Itwithinlimitedspectrumcanoffertheserviceofhighrateofhighcapacity.Inthispaper,onthebasisofdomesticandforeignrelatedresearchworkforMIMOwirelesscommunicationsystemsinvolvedinseveralkeytheoryandtechnologywerestudied,especiallyinthecaseofMIMOtransmissionnoiseresistance,factorsofaffectingtheanti-noiseperformanceandinherentlawsystemisanalyzed,onthebasisofthemulti-inputmulti-output(MIMO)systemtomeasuretheoverallefficiencyofresource.Inthispaper,themainworkdoneisasfollows:
UndertheconditionofMIMOwirelesscommunicationsystem,throughtheapplicationofMATLABtowriteprogramstocompareberperformanceofmaximumlikelihooddetection(MLD),minimummeansquareerror(MMSE)andtheperformanceofberperformanceofinversechanneldetection(ICD).Andwhenreceivingantennarespectively,andcomparetheirberperformance.Using2PSKmodulationrequirement,thisissomeofthemostbasicrequirements.
Keywords:
biterrorrate;multipleinputmultipleoutput;signaldetectionandsystemperformancesimulation
目录
摘要I
AbstractII
第一章绪论1
1.1引言1
1.2MIMO无线通信技术1
1.2.1传统单天线系统向多天线系统演进1
1.2.2智能天线向多天线系统演进1
1.2.3MIMO无线通信技术2
1.3MIMO无线通信技术的研究现状和应用概况3
1.3.1研究现状3
1.3.2MIMO应用概况6
1.4MIMO无线通信技术的发展趋势7
第二章Matlab语言简介8
2.1Matlab的发展及其影响8
2.2Matlab的语言概况9
2.3Matlab的语言特点12
第三章多天线系统的信道模型15
3.1信道模型15
3.2慢衰落频率非选择性MIMO信道中的信号传输16
3.2.1频率非选择性满衰落信道16
3.2.2信号的传输17
3.3本章小结19
第四章三个检测器的原理及仿真结果比较20
4.1线性检测算法20
4.1.1最大似然检测器(MLD)20
4.1.2最小均方误差检测器(MMSE)21
4.1.3逆信道检测器(ICD)22
4.2检测器的差错率性能23
4.3其他检测器的结构和算法25
4.4发射机和接收机均知道信道时的信号检测26
第五章总结与展望28
5.1总结28
5.2展望29
参考文献30
附录32
致谢35
第一章绪论
1.1引言
由于目前无线移动通信的快速发展和广泛应用,无线通信体系的容量与可靠性还需要进一步的提高,常规的一根发射天线通信系统正面对着很大的问题。
新一代的无线通信系统要求高容量和强可靠性的要求用一般的发射分集和接收分集还有智能天线技术已经不能满足它的要求。
让我们很开心的原因是,和空时处理的多输入多输出(MIMO)通信技术在一起结合的话,我们就可以找到全新的方法来解决它。
运用多天线系统,在无线链路的发射端和接收端我们可以一起接收和发射,我们能够非常大地利用空间资料,在不需要扩大频谱资源与发射功率的情况下,无线通信系统的容量与可靠性能都会进一步得到质的飞跃。
但是,和一般的单天线的接收发送通信系统来相比较,还有很多的问题需要研究与探索在MIMO无线通信系统中的多天线系统的应用中。
1.2MIMO无线通信技术
1.2.1传统单天线系统向多天线系统演进
传统无线通信系统采用一副发射天线和一副接收天线,称作单入单出(SISO)系统。
这有一个问题很难解决,这个问题就是它的信道容量很难再进一步的提高。
我们研究出了天线分集的一些新技术,来解决对于移动通信中的多径衰落和提高链路的稳定性问题。
但是如果把天线分集与时间分集应用到一起,我们还可以从空间维和时间维的分集效益中得到益处。
所以,单天线系统向多天线系统演进,这是无线通信系统发展的方向和必然要求[11]。
1.2.2智能天线向多天线系统演进
由于使用了联合空间维度和天线分集技术是智能天线的精髓,把信干噪比最大化是可以用最好的加权合并方法,独立衰落的天线单元数量能够使信号的错误概率随着其呈指数形式下降,但是天线数目又会影响系统的容量,使系统的容量呈现出对数增长。
况且,开关波束阵列只是在一定的传播条件下才适应,这种传播条件就是要求信号角度扩展很小,还有自适应阵列虽然能用于信号角度扩展很大的多径传播条件下,如果智能天线技术么有使用多径传播,这就会导致自适应天线系统抗衰落的能力受到各种因素的限制,它是在强度非常高的多径分量高的情况下会发生。
捕获与分离多径的有利因素是扩大阵元间的距离和角度的扩展以及联合把空时处理也结合在一起,于是可以把天线发射分集技术和天线接收分集技术结合在一起,就可以尽可能的应用多径传播而不是把多径传播当做有害的因素抛弃了,无线通信技术的要进一步的发展和提高,还要依靠开发更多的空域资源,另一方面还要把传输的性能再进一步提高,就是把智能天线演进为多天线系统。
1.2.3MIMO无线通信技术
我们把天线分集与空时处理技术结合为在一起,这种结合在一起的结果就是产生了MIMO无线通信技术。
天线分集与智能天线技术是它的起源,它把这两者的优点结合了起来,也就是说在广义的智能天线的范围里面。
把天线发射分集和天线接收分集还有信道编码技术这三种技术相结合,这是无线通信系统的发展方向,这都是在多径在多径传播环境中讲的,MIMO无线通信技术就是可以在它的接收采用多根天线和发送端也采用多根天线。
这样它的数据传输速率和信道容量就可以成倍的提高,当然这些都是在不增加带宽与发射功率的条件下,这一技术是非常的重要的,它是突破一些瓶颈的关键。
以前的智能天线远不能和现在的MIMO技术相提并论,现在的MIMO技术以绝对的优势压倒了传统的智能天线,它的优点和便利条件是显而易见的。
加权选择算法就是智能天线驱动波束指向的方法,它通过把能力聚集到期望的方向然后把多径传播放到一边不加以利用,而MIMO技术正好相反它是利用了多径传播,进而可以提高信噪比。
在MIMO无线通信系统下,我们假设一个MIMO信道有多根发射天线和多个接收天线的情况下,它的信道矩阵的元素是相互不干扰的,我们就可以得出它的容量是线性增长的,而不是对数增长的,它是在最小天线数下而不是在智能天线下。
研究结果表明,在我们假设的理想的随机信道中,MIMO系统就有可能提供无限大的信道容量,理想信道的意思就是说天线的空间、射频和费用都没有任何的限制。
图1.1MIMO无线通信系通多个发射和多个接收天线框图
1.3MIMO无线通信技术的研究现状和应用概况
就目前的形势而言MIMO无线通信技术的研究领域是极具挑战性和创造性的。
从香农定理可以看出MIMO无线通信系统信道容量还有潜在的需要开发,但是现实的问题是,在我们生活当中要获得这个容量,不管全部还是其中的一部分都必须为此需要花费我们难以想象的代价等等,这些问题都需要我们进行更加进一步的研究和探索。
因此,现在全世界有不计其数的研究学者、学术机构以及研发公司(主要分布的地区是欧洲和北美)都在研究MIMO无线通信技术,MIMO技术现在正在向着实用化的方向发展。
现在,MIMO无线通信技术已经逐步走向商业化,而不仅仅是对其的理论上的研究和实践上的验证了。
1.3.1研究现状
经过研究人员对MIMO无线通信体系进行了无数次的探索之后,在该领域已经取得了很大的成就。
如今在蜂窝无线通信以及固定接入体系等领域,早已推出了多种不同的试验性的MIMO体系,尤其是在无线局域网的大部分领域,已提出了十分多的相关标准,而且还有相应的产品被研发出。
但是遗憾的是,蜂窝移动通信系统现在还没有研发出MIMO产品用于商业方面。
经过我们的努力虽然已经由了长足的发展,但是想要完全进入商业化,研究人员预测还需要一段时间,这是由于我们还面临着很多实际性的问题,这些实际性的问题可以归纳为下面几个方面。
(1)天线的数量和间距
在对MIMO体系的设计过程中,有两大参数我们必须要严格设定,也即天线的数量以及每根天线之间的间隔大小。
尤其天线之间的对间隔完成MIMO体系中的高频、高效具有很大的影响。
基站周围的环境会受到在基站安装的天线的影响,天线太多的话会对环境造成不好的影响,所以说安装的天线不能太多也不能太少,一般会控制在适当的数量,差不多三四根就可以了,距离可以控制在偏大一点大约就是10个波长左右,要设置的距离偏大一点的原因是因为基站都会设置在高一点的地方,是以,我们对于具有使衰落去相关功能的散射体的存在是不能够有一个明确的认知的。
假设我们用双极化的天线,采用2G的频率和10倍波长的距离,4根天线可以用到的空间差不多要1.5米。
我们必须能够确保在用户终端,有一定数目的不相关衰落的天线距离仅需要用二分之一个波长。
以上的这个现象是因为终端一般情况下就在本地散射体的中间,最好的为还不存在直接传播路径。
就理论来讲终端天线数目的理论值一般为4根,但是由于现实环境中存在种种不可预知的原因,我们在现实情况中一般用2根。
科学研究表明,7.5cm的空间就可以很容易的容纳四根天线,在笔记本电脑外壳中就可以嵌入四根天线来提高其性能,但是对于一些比较小巧的通信工具,比如蜂窝手机等,用两根天线也是很难安装进去的。
为了美观和便于携带,怎样改进天线间的距离就成了亟待需要解决的问题。
(2)接收机的复杂性
MIMO多天线接收机的复杂度是难以想象的,相对于单天线接收机来说,由于用户数量多和天线数目多等等的原因,这使得研究人员对于设法消除空间干扰的工作变得十分的复杂,例如采用(4,4)天线结构中所包括的对于MIMO接收器的设计的复杂度远远高于单天线接收机。
再就是其周围的环境并不是恒定的,在这不稳定的环境中的散射程度也是不尽相同的,所以也会在很大程度上影响MIMO接收机的工作效率和工作质量。
不仅如此角度以及时延的扩展,还要有更多其它的技术的支持。
还有就是MIMO信道估计也是复杂性的增加的一个原因,如果只要跟踪和更新单个的信道系数就会简单的多,但是问题是整个信道矩阵的每一条路径时延,都需要及时的跟踪和更新,这就使得整个系统处理起来困难得多。
另外接收机的复杂度也和电子器件的电池寿命长短相关联。
这些种种的因素加在一起导致了MIMO无线通信系统的复杂性大大增加。
(3)MIMO无线信道模型
MIMO无线通信系统的性能,对于外界条件的变化以及其他参数的改变是非常敏感的。
它不仅会被所在的环境所影响和干扰,而且每一条路径的相关度、时延与角度的扩展特性也会对它产生不容小觑的干扰。
因此,要尽可能的提高信道容量、设计恰当的信号处理算法和挑选一些合适的系统结构,我们必须把户外的一些实际情况加以掌握。
所以建立适合于当时环境的信道模型是必不可少的环节,在测量过一些必要的数据之后。
这就可以把系统的性能和算法的优劣估计出来。
我们只建立了MIMO无线信道的静态模型是不够的,动态的信道模型也是必不可少的,这样才能适应无线信道的时变特性。
在无线通信系统中已经有了它的标准,但是,为了制定新的MIMO无线通信系统的模型,一些研究机构还需要进一步的探索。
但是,到目前为止,3GPP已经提出并制定了MIMO无线信道的模型标准。
(4)信道状态信息的获取和利用
这个问题是很有研究价值的,问题就是怎么样才可以既快速又准确的获取信道的状态信息(CSI)而且能及时的反馈给发射机。
信道特征模式的函数被称为信道容量,如果该发射机已经获得了信道的状态信息那么是非常有利于实现信道容量的。
这是由于发射端并不是将它的发射功率进行平均的分配的,而是采用了某种反馈信息亦或是该信道目前的状态量。
并且,倘若我们已知该信道的相关矩阵,我们就不仅能够实现信道编码的最优化,还能够完成每一个支路对于比特的分配的最优化。
而且我们也会尽可能的实现放大器的最佳功率管理。
(5)系统的集成和信号设计
如今MIMO无线通信体系需要与非MIMO通信网络配合使用,并结合向后兼容的特征,也就表明了MIMO接收机未来的发展趋势应该是双模式的。
因此,MIMO对于信号的设计能够从RRC信息中取得相应的支持与帮助。
比方说,用户想要了解某个基站是否是MIMO的状态,那么就能够利用下行链路的广播指令来进行相关的验证。
与此同时,用户终端的状态模式也需要告知基站。
我们能够在建立呼叫的同时完成对MIMO通信链路的接通。
最后,不管是在何种模式下,用户终端必须及时的向基站反馈相应的信息并且将该信道此时的情况信息报告给基站。
如果信道满足条件并允许接收数据信息,MIMO就可以在基站的安排下传输。
信令消息的第二层会存放上行的RRC消息还有下行的RRC消息也会存放在里面。
(6)MIMO集成芯片的研发
MIMO技术在我们努力的研究和探索下越来越趋于完善,有些有头脑的大公司就进行了合作,研究了各种提高传输速率的方案,这种方案是以MIMO技术为基础的,在MIMO芯片方面也进行了研发,但是因为先关标准还没有最终确定,所以目前研发的芯片还不适合大规模推广。
前些年,朗讯通信公司做了关于MIMO无线体系的一系列的试验研究,有两种BLAST芯片已经成功完成,19.2Mbps是该公司研发的系列芯片所能够实现的最高速率。
无线频谱效率能够在一个范围内完成它的相应的功能,这个范围是20~40bps/Hz,这对我们来说是无法预想的,因为与其形成鲜明对比的传统无线通信,它的效率范围仅仅是1~5bps/Hz。
就算是略高些的点对点的微波体系的频谱效率范围也只是10~12bps/Hz,然而该通信技术对带宽有较高的要求。
目前,Airgo、Atheros、Metalink和Ralink是MIMO技术研发的主力军,现在的MIMO技术已经被一些厂商运用到了自己的产品上,例如无线路由器或笔记本网卡。
总的来说MIMO市场是不可限量的,这就为以后MIMO的商业化奠定了一定的基础。
上面说的只是众多因素的一部分,还有很多的原因也会影响MIMO技术的商业化,比如较大的多普勒频移和天线单元之间的相关性等等。
1.3.2MIMO应用概况
在3G和B3G方面,目前ITU组织以及3GPP公司已经提出并完成了在3G以及后期对于MIMO技术应用于移动通信中的相关标准。
3G标准中的WCDMA和cdma2000方案均使用了MIMO技术,例如:
WCDMA方案中,各信道都可以使用基于时空编码的开环发送分集技术(TSTD)。
而DPCH以及PDSCH能够采用闭环的TSTD技术。
Cdma2000的方案内,通过空时扩频以及正交发射分集可以获得更多的空间增益,基站还可以根据移动台的反馈信息来选择信道条件较好的天线发送信息。
那么在3G领域的应用中,MIMO技术实际上能够当作用以实现数据的流量、系统的性能和频谱的效率的提高技术或者是作为一个有效的补充条件,现在在移动通信产业界有很强的吸引力。
与和它有关联的技术还包括自适应调制和编码、混合ARQ以及快速蜂窝选择等。
由于MIMO技术能够在不增加带宽的情况下大幅度的增加通信体系中的信道容量以及提高频谱的利用率。
所以,任何一种的B3G方案几乎全部选用了MIMO技术原理,以此可以在很大程度上对通信体系的传输性能进行提高。
在无线网络方面,由于MIMO技术在通信距离、吞吐量和可靠性方面较单天线技术具有明显的优势,所以,无线局域网、无线城域网和移动电话的制造商们都喜欢在他们的设备中采用MIMO技术。
现在,MIMO的设计理念在支持IEEE802.1n标准草案的无线局域网中已经得到了具体应用,这个标准草案充分利用了MIMO系统的多天线分集和空分多路复用两种特性,实现的时候分别采用了空时编码和分层数据结构两种技术,最多支持4根发射天线和4根接收天线,预计物理层的最高传输速率可以达到600Mbps,目前在物理层的速率已经达到了300Mbps,使用了两个空分数据流,每个信道数据流的信道带宽为40MHz[2]。
以上所涉及的内容仅仅是对于当前MIMO无线通信技术的相关概念以及应用领域做了一个简要介绍,实际中要比这些多的多。
1.4MIMO无线通信技术的发展趋势
MIMO无线系统还可以再开发巨大的信道容量这一独创性研究发现,让很多的研究人员、专业机构和大的公司都花费了巨大的代价来对这一方面进行了长期的研究,经过了夜以继日的努力,现在不论是在学术还是在商业的应用领域,都已经获取了很多令人瞩目的成就,现在这一研究仍然使很多的学术机构、科研人员对MIMO无线通信技术得研究,就是它的相关的领域也在进一步的探索当中。
一般来说,发射和接收信号处理算法的合理设计在一定程度上可以决定MIMO无线通信系统性能的好坏,实际的通信环境对优异算法的提出和有效实现有密切的联系,所以在信道模型方面进行一些细致的研究工作是十分有必要的。
我们将会更加努力来提高系统的传输性能,这些性能有传输速率和信道容量等。
还会进一步提高其服务质量,使MIMO技术更加标准化、实用化,性价比将会更加的合理。
第二章Matlab语言简介
2.1Matlab的发展及其影响
矩阵实验室可以说是MATLAB的另一个别名,这是众所周知的。
当时一位特别有创意又有头脑和专研精神的老师,这位老师的名字叫CleveMoler,为了同学们能更加轻松愉快的学习,就联合其他的教授和博士为他的同学设计了更加通俗易懂的和更加容易掌握的接口。
在后来的几年里,由于MATLAB是一个免费而且非常好用的软件被大家所认可和使用。
并且大学生都非常喜欢用这个软件。
由于客户的进一步的需求,由Little把Moler、Steve Bangert等这几个小公司联合到了一起,在1984年成立了MathWorks公司,Matlab这个软件才有机会正式的走向了市场。
这使得这个公司在技术和其它各个方面都有了质的飞跃,也有了长足的发展。
从那个时候起,在每一年的三月份和九月份MathWorks公司都会有新的产品发布,并规定把产品和版本以“R+年份+代码”来命名,a和b分别用来表示上半年和下半年的代码。
由于MATLAB的语法简单好用,思维和逻辑也和我们的习惯相符合。
这正是这么多年来MATLAB一直这样受大家欢迎的主要原因。
大约在九十年代初期的时候,Matlab软件几乎囊括了国际上三十多个数学这一类的科技应用,当时在符号和计算软件这些方面独占鳌头的是Mathematica和Maple。
大部分的中学生都特别喜欢Mathcad,这是因为它不仅可以提供矩阵计算、图形处理和文字处理等的统一环境条件,还特别的简单实用。
Matlab4.0版本是被MathWorks公司大约在20世纪90年代初研发出来的,这一伟大的创新就把DOS版本的市场彻底占领了。
4.x版本在保持了它本来就具有的数值分析能力和图形可视化的同时,还有着不可忽略的下面几个变化:
(1)研发了SIMULINK软件。
这个运行环境是一个交互式的动态系统的建模仿真分析系统。
这样软件的研发使我们把以前必须要考虑在内的不做简化假设的非线性因素、随机因素等不用再考虑在内,这样一来就在很大程度上提升了我们对于非线性和随机动态系统等的应用水平。
(2)推出了和外面的直接做数据交换的部分,并研发了Matlab用来进行数据的分析和处理还有硬件开发的渠道。
(3)推出了符号计算的工具包。
就在1993年MatchWorks公司以Maple为“引擎”开发了Symbolic Math Toolbox 1.0。
这样一来,很多具
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