基于MIMO的通信系统仿真与分析研究毕业设计论文1.doc
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1、 编 号: 审定成绩: 重庆邮电大学毕业设计(论文)设计(论文)题目:基于MIMO的通信系统仿真与分析研究学 院 名 称 :通信与信息工程学院学 生 姓 名 :王维甲专 业 :通信工程班 级 :0111011班学 号 :2010213416指 导 教 师 :余艳英答辩组 负责人 : 邹虹填表时间: 2014年6月重庆邮电大学教务处制摘 要随着移动通信的快速发展,用户数量与用户需求的急剧攀升,使得移动通信成为了通信界最具有市场潜力的技术。而无线通信与有线通信比较时暴露出来的弱点,如移动信道环境恶劣、用户使用突发性大等,使得提高无线通信的容量和质量需要诸多突破点。所以短缺的频谱资源刺激着人们向提高
2、频谱利用率的方向努力。自二十世纪九十年代MIMO(Multiple-Input Multiple-Output,多输入多输出)技术提出以来,由于在提高信道容量方面取得的突出成果,逐渐被无线通信领域的多个标准所应用,成为了在提供可靠无线传输链路方面一个重要突破。MIMO技术是由多天线分集技术和空间编码技术相结合而产生的,它的一个很重要的特点就是:不再是对抗多径效应,而是巧妙地利用它。随着研究人员对MIMO通信系统理论、算法、应用等各个方面越来越多的研究,其已经成为了通信技术中的热门课题。 本文首先介绍了MIMO技术的基本原理和MIMO通信系统的信道模型,然后简要介绍了本文研究使用的仿真工具,即M
3、ATLAB/Simulink仿真软件。其后通过理论推导与软件仿真对MIMO通信系统的信道容量进行了研究,总结了各因素对信道容量的影响。最后本文对基于正交空时分组编码的MIMO通信系统进行了仿真。【关键词】频谱利用率 MIMO通信系统 信道容量 正交空时分组编码ABSTRACTWith the rapid development of the mobile communications, the sharp rise in the number of users and the need of users making the mobile communications has become t
4、o the most potential technology in the communication market. However, when compared the wireless communications to the wired communications, the weaknesses unfolded. Such as the poor mobile channel environment, the sudden rise or down of the number of users or other characteristics, makes the improv
5、ement of the capacity and the quality of wireless communication needs many breakthroughs. But the shortage of spectrum resources stimulates people to improve the spectrum utilization.Since the 1990s, MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) technology has been gradually applied to several standards of
6、wireless communications and become an important breakthrough in many aspects, such as providing reliable wireless transmission link, for the outstanding achievements in improving the channel capacity.MIMO technology is combined with multi-antenna diversity technology and spatial coding technology. O
7、ne of the most important features of MIMO technology is not confronting multipath effects, but using it cleverly. With more and more studies in the theory, algorithms, applications, etc. of MIMO communication systems by many researchers, it has become a hot topic in communications technology.Firstly
8、, we will describe the basic principles of the MIMO system technology and the MIMO channel models in this paper. Then I will describe the simulation tool, MATLAB / Simulink simulation software briefly. Next, this paper will study the theoretical derivation and simulation software for the channel cap
9、acity of MIMO systems and sum up the impact of various factors on the channel capacity. Finally, a simulation of the MIMO communication system based on orthogonal space-time block coding will be given in this paper.【Key words】Spectrum utilization MIMO communication system Channel capacity Orthogonal
10、 space-time block coding目 录前 言1第一章 MIMO技术的概述3第一节 MIMO技术发展历史和现状3一、发展历史3二、现状3第二节 仍存在的问题与发展趋势4一、仍存在的问题4二、发展趋势5第三节 MIMO技术原理5一、天线分集技术5二、空时编码技术7第四节 MIMO通信系统模型8第五节 MIMO通信系统信道模型10第六节 本章小结12第二章 MATLAB/Simulink仿真工具介绍13第一节 概述13第二节 通信系统仿真方法与流程13第三节 Simulink仿真概述14第四节 Simulink通信工具箱仿真模块与S-函数15一、通信工具箱15二、S-函数16第五节
11、本章小结16第三章 MIMO信道容量仿真与分析研究17第一节 信道容量计算概述17第二节 仿真与结果分析19一、相同信噪比、相同接收天线下的仿真20二、不同信噪比、相同接收天线下的仿真20三、不同信噪比、相同发射天线下的仿真21四、相同信噪比、不同接收天线下的仿真22第四节 本章小结23第四章 MIMO正交空时分组的仿真25第一节 MIMO通信系统与空时分组编码25第二节 正交空时分组编码、译码与性能分析26一、正交空时分组编码26二、正交空时分组码译码26三、正交空时分组码性能分析27第三节 4-QAM与其他调制方式下的仿真与结果分析28第四节 本章小结34结 论35致 谢36参考文献37附
12、 录38一、英文原文38二、英文翻译43三、工程设计图纸47四、源程序49前 言随着无线通信的发展,人们已经基本实现了三个“W”(Wherever, Whenever, Whoever,即能够实现用户在任意地点,任意时间,与任意用户进行即时通信)。但是从目前来看,其发展逐渐受到出现的瓶颈的制约无线频谱资源的短缺。并且如何才能在复杂恶劣的信道环境(多径衰落与多普勒频移等问题)和有限的带宽下提高传输质量和速率,变为了无线通信技术发展的关键点。分集技术,为了改善信道衰落对数字通信系统误码率和中断概率而设计的技术,包括时间分集、空间分集、频率分集等。其中空间分集是使用天线阵列,利用“空间”资源,在不可
13、靠的无线链路中实现可靠通信的分集技术。20世纪90年代MIMO通信系统的提出,使得空时处理的多天线技术,为如今移动互联网带宽和质量的问题提供了新的解决方法,通过空时编码实现的发射分集以及空分复用的方案成为了无线通信领域的一个焦点。众所周知,新技术不能再在频域上增加负担,而空时编码和空间分集相结合的技术(MIMO技术)就是在不占用额外频谱资源的前提下,将信号在信道传输过程中的不利因素变为有利因素。MIMO无线通信系统是阵列天线通信系统和智能天线通信系统的进一步扩展。而且总的来说,它并没有在原来的系统上做太大的变化,只是在空中接口的地方进行了小的改进。因此MIMO技术成为了第三代通信技术和第三代演
14、进通信技术的首选,未来移动通信的关键。目前对MIMO技术的研究主要分为四个方面:MIMO信道的建模与测量,MIMO信道容量的分析,基于MIMO的空时编码与解码,对MIMO接收机的研究,如信道估计问题。本文的内容安排如下。第一章主要是对MIMO通信系统的概述,在简要介绍了MIMO的发展、现状和趋势后,详细介绍了MIMO技术应用到的两个核心思想:阵列天线技术与空时编码技术。随后简单阐述了研究MIMO通信系统最为核心的信道建模与容量分析的理论基础,为后面的仿真研究做好铺垫。第二章主要介绍了本论文使用的仿真工具:MATLAB/Simulink。由于MATLAB对通信系统强大的仿真能力,所以本次研究选用
15、其作为仿真工具。通过简单介绍该仿真工具,为后面的仿真打下基础,后面在使用到该工具时将不再赘述。第三章主要是对MIMO信道容量的研究,在进行多天线信道容量计算的数学推导之后,用MATLAB对其进行了仿真,通过对仿真结果的分析研究,得到MIMO通信系统信道容量增加的巨大优势,并分析出各参数对MIMO通信系统信道容量的影响。第四章首先详细介绍了空时分组编码与解码,然后给出在不同调制下MIMO通信系统的仿真。本次研究选用正交空时分组编码的MIMO通信系统作为研究对象,对在不同调制方式下的信号传输性能进行对比。总结中将会指出本次对MIMO通信系统研究具有的局限性和应该如何进一步对MIMO技术深入研究,并
16、总结MIMO技术巨大的发展前景。第一章 MIMO技术的概述第一节 MIMO技术发展历史和现状一、发展历史MIMO技术最早于二十世纪七十年代提出,而最早应用在通信系统中是发生在二十世纪九十年代。随后MIMO技术的信道容量计算在1995年被提出,然后第二年就有学者提出了对角BLAST算法。1998年首次采用V-BLAST算法的MIMO通信系统被建立,实验发现具有很高的频谱利用效率。在接下来的第三代和第四代移动通信系统中,MIMO技术被多个通信标准所采用。随后大量的学者加入到MIMO技术的研究当中,使其成为了通信界炙手可热的技术之一。二、现状由于其具有很大的发展前景,MIMO通信系统已经应用到了多个
17、未来无线通信系统的标准中(尤其是无线局域网和蜂窝网),例如IEEE802.16和3GPP(3rd Generation Partnerhsip Project)标准。并且使用了IEEE802.11标准的Wi-Fi(Wireless Fidelity)在公共场合的接入数据传输速率大约在11Mb/s左右,而引入了MIMO技术的标准使得在公共场合的接入数据传输速率超过了100Mb/s,现在有研究者正在试验使用多个MIMO配置,以进一步提高数据传输速率1 。实现信号在远距离传输时达到高速率的WiMAX就是基于使用了MIMO技术的IEEE802.16标准,能够使用多天线使用户的信息高速传输。使用了该技术
18、的蜂窝网系统,其多天线用于波束成型,从而进一步提升了网络容量,使其有能力支撑更多的用户同时使用。宽带码分多址的3GPP技术的第七版和第八版(LTE)都采用了MIMO配置,使其能够更好地应对多径效应,获得更高的频谱利用效率:第七版采用了21和42的MIMO构造,第八版采用了22和44的MIMO构造。下图是在不同调制方式下使用MIMO技术与传统技术的数据传输速率对比1 。表1.1 各种MIMO结构的峰值数据速率(M,N)技术码速调制方式速率/子数据流子数据流数量数据速率(1,1)传统3/464QAM540kbps2010.8Mbps(2,2)MIMO3/416QAM360kbps4014.4Mbp
19、s(2,2)MIMO3/4QPSK180kbps8014.4Mbps(4,4)MIMO1/28PSK540kbps8021.6Mbps硬件方面:于2003年,世界上第一个集成了MIMO技术的芯片组AGN100被批量生产,随后由于MIMO技术在第三代与第四代移动通信系统中的普及,大量融合了MIMO技术的移动终端将被批量生产,并以惊人的速度更新换代。第二节 仍存在的问题与发展趋势一、仍存在的问题虽然MIMO技术应用于通信系统已经引起了众多研究人员的关注,一些使用了MIMO技术的通信产品也已经投入了商用,但是仍有一些在实际中的问题还没有得到很好的解决。1天线的数量和间距为了使阵列天线的各个阵元接收信
20、号不相关,天线数量和间距都会影响到传输速率的提高。而对于手机来说加入两根天线就已经达到极限。2.接收机的复杂性首先由于使用了多天线,为了消除空间产生的干扰就需要加入更加复杂的信号检测装置。而且由于使用了MIMO技术的接收机受到的散射干扰,需要在均衡时考虑更多的角度和延时扩展问题。3.MIMO信道模型由于MIMO的性能受到很多参数的影响,所以根据用户不同的环境需要使用不同的信道模型,才能使研究人员的仿真结果具有参考性,实现最大限度地接近实际应用。所以在研究系统性能或者评估算法前,必须建立符合实际的动态模型。不过至今ITU都还没有出台系统全面的MIMO信道模型适用标准4.信道状态信息的获取信道状态
21、信息(CSI)能否及时准确地发送给发射机,直接影响到该系统是否能够适应环境的变化从而保证信息保质保量地传输。而如何准确获取CSI一直都是一个值得研究的问题。除了这些问题,还有一些实际问题需要考虑,例如天线阵元之间的相关度、较高的频谱偏移等。二、发展趋势虽然在现阶段MIMO技术仍存在还未解决的问题,但是由于MIMO技术能与许多技术相结合,其在无线宽带移动通信、传统蜂窝移动通信、可见光通信、雷达等领域具有广阔的前景,被称为是目前无线通信系统最为关键的技术之一。全世界许多机构和公司(主要位于欧洲与北美)正不断对MIMO技术进行着更加深入的探索。同时中国科技部对该技术也十分重视,启动了未来无线通信研究
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