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现了数据的并行传输,使无线链接的容量提高了20到30倍。MIMO技术突破了香农容量的界限,使无线传输的容量达到有线传输的水平成为可能。1998年G.J.Foschni和M.J.Gans从信息论的角度分析了多天线系统在衰落环境中的信道容量。研究表明,在散射环境中,MIMO技术可以在不增加带宽和发射功率的情况下成倍提高通信系统的通信容量和频谱利用率。在瑞利衰落环境中大信噪比时,MIMO系统的信道容量与收发天线最小数目成正比。MIMO技术在提高信道容量方面获得如此的突破,其原因就在于该技术将通常不利于无线通信的多径衰落转变为有利因素,充分利用了随机衰落和可能存在的多径传播来成倍的提高数据传输速率。正是由于MIMO技术具有这些优势，因此一经提出就引起了广泛的关注,一直是无线通信技术领域的一个热门研究课题。 1.2 无线MIMO技术的研究现状
从Winters对无线通信系统空间分集与系统容量关系的讨论，到Telatar 和Foschini 关于MIMO 信道容量的理论分析，这些研究奠定了MIMO无线通信的信息论理论基础。而BLAST的试验结果则从实践的角度证明了MIMO——这种在无线链路的发送端和接收端同时使用多个天线的通信结构，能够在不占用额外频谱带宽的前提下，有效地提高信道容量。上述研究掀起了近几年无线通信领域对MIMO研究的热潮，也标志着MIMO无线通信研究的真正开始。
在MIMO技术成为无线通信研究热点之前，智能天线及空域自适应信号处理技术一直是无线通信领域的研究热点之一，并被期望应用于第二代和第三代移动通信系统中。与智能天线技术相比较，与基于MIMO的编码和信号处理技术是对智能天线技术的继承和重大突破。一方面，从通信结构的数学模型来看，智能天线信号模型的单输入多输出（SIMO）结构可视为MIMO无线通信系统的一个特例；另一方面，从涉及通信的深度来看，MIMO技术不仅包含了智能天线技术的信号处理，其近来的发展已经涉及编码、调制和网络系统结构等方面。比如，最具代表的空时编码（STC）技术和自适应MIMO调制，以及分布式MIMO天线系统和协同空时无线通信结构等，都已经突破了智能天线技术包括的自适应空时信号处理技术。
从1998年开始，跟随着Telatar、Foschini以及Rayleight等人的脚步，国内外著名的无线通信研究机构和学者们对MIMO技术开始了大量的深入研究。在近几年的国际通信与信号处理相关领域的学术会议也都将MIMO无线通信列为一个重要的主题。总
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方面：
（1） MIMO衰落信道的测量和建模方法； （2） MIMO信道容量的分析； （3） 基于MIMO的空时编/解码方法；
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结近几年来关于MIMO技术的研究，可以发现，MIMO技术研究的内容主要包括4个
（4） 基于MIMO的接收机关键技术，如信道估计、均衡、多用户检测等。 这4个方面的相关研究涉及了MIMO无线通信的各个子问题。虽侧重角度各不相同，但都面对着一个相同的核心问题，即针对各种复杂的无线衰落信道环境，如何有效的利用MIMO通信结构抗多径衰落、增加数据传输速率以及提高系统容量。 1.3 论文的主要内容
本论文主要研究的是MIMO无线通信系统的信道容量问题。在弄清MIMO系统的原理的基础上，简要的介绍了一下与MIMO技术有关的空时编码技术。然后从理论上分析MIMO系统的信道，推导MIMO系统的容量公式。最后用MATLAB软件对MIMO系统的容量进行计算机仿真，验证它的正确性。此外，由于本文在仿真的时候需要用到MATLAB软件，因此，我在对系统进行仿真之前，对在仿真中会用到的MATLAB知识也做了简单的介绍。
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第2章 MIMO无线通信系统
2.1 MIMO技术的基本原理
任何一个无线通信系统,当它的接收端和发射端都采用多副天线进行数据传输时,该系统就可以称为MIMO无线通信系统。MIMO系统通常使用分布式天线,天线单元间距较大,天线上信号可以认为是独立的。MIMO技术有效利用了随机衰落和多径传播来提高传输速率和质量,其优势在散射物丰富的环境中可以得到充分的体现。
图2.1给出了一个简单的MIMO传输系统示意图。数字信号源以二进制形式进入一个信号处理模块,该模块包括错误控制编码功能和映射复调制功能。数字信号被映射成几个单独的符号流,每路符号流通过其中一个天线发射出去。根据所要实现的性能,这几个符号流可以是独立的、部分冗余或完全冗余的,这取决于映射方式或者信道编码的方式。如果要获得最大的分集增益或者最佳误码率性能,则可以采用空时网格码、空时分组码或其它编码方式。如果要求得到最大空间复用增益或者最大数据传输速率,那么可以采用分层空时码。接收端采用多副天线接收信号,通过解调和去映射处理恢复原来的信息。
信号处理信号处理 图2.1 MIMO传输系统示意图
MIMO技术实质上是要为无线通信系统提供一定的空间分集增益和空间复用增益。目前,针对MIMO信道所进行的研究也主要是围绕这两个方面开展的。空间分集可以提高信号传输的可靠性,降低误码率,而空间复用则可以大大提高传输速率。
MIMO技术的核心是空时信号处理,即利用空间中分布的多个天线将时间域和空间域结合起来进行信号处理,这也是实现空间分集增益和空间复用增益的必要措施。空时编码技术正是MIMO技术与传统的编码技术结合的产物。目前,空时编码方法主要有分层空时码(LSTC)、空时网格码(STTC)、空时分组码(STBC)、酉空时码以及差分空时
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码等,其中前三种空时编码方法需要进行信道估计,后两种不需要进行信道估计。 2.2 空时编码技术
空时编码STC(Space-Time Coding)技术在无线通信领域引起了广泛关注,空时编码的概念是基于Winters 在20世纪80年代中期所做的关于天线分集对于无线通信容量的重要性的开创性工作。空时编码是一种能获取更高数据传输率的信号编码技术，是空间传输信号和时间传输信号的结合，实质上就是空间和时间二维的处理相结合的方法。在新一代移动通信系统中，空间上采用多发多收天线的空间分集来提高无线通信系统的容量和信息率；在时间上把不同信号在不同时隙内使用同一个天线发射，使接收端可以分集接收。用这样的方法可以获得分集和编码增益，从而实现高速率的传输。现在是第三代移动通信系统中提高频谱利用率的一项技术。
空时编码的有效工作需要在发射和接收端使用多个天线,因为空时编码同时利用时间和空间两维来构造码字,这样才能有效抵消衰落,提高功率效率；并且能够在传输信道中实现并行的多路传送,提高频谱。需要说明的是,空时编码技术因为属于分集的范畴,所以要求在多散射体的多径情况下应用,天线间距应适当拉开以保证发射、接收信号的相互独立性,以充分利用多散射体所造成的多径。
2.2.1 空时编码技术及其分类
空时编码在不同天线所发送的信号中引入时间和空间的相关性,从而不用牺牲带宽就可以为接收端提供不编码系统所没有的分集增益和编码增益。空时编码的基本工作原理如下:从信源给出的信息数据流,到达空时编码器后,形成同时从许多个发射天线上发射出去的矢量输出,称这些调制符号为空时符号(STS)或者空时矢量符(STVS)。与通常用一个复数表示调制符号类似(复的基带表示) ,一个空时矢量符STVS可以表示成为一个复数的矢量,矢量中数的个数等于发射天线的个数。
概括起来空时编码技术按照发射端和接收端是否需要知道信道状态信息分为两大类。
1、第一类空时编码：解码时需要确切知道信道状态信息（CSI）的，具体可细分为下面3种：
(1)分层空时编码（LSTC）；
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(2)空时格型编码（STTC）； (3)空时分组编码（STBC）；
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2、第二类空时编码：编解码时发射端和接收端都不需要知道CSI，具体又可以分为以下两种：
（1）酉空时编码（USTC）； （2）差分空时编码（DSTBC）； 2.2.2 空时编码技术的应用前景
众所周知,第三代移动通信及下一代无线通信系统的主要目的之一就是为移动和静止用户提供宽带接入,实时的多媒体业务如视频会议所要求的数据速率将会是现在无线技术所能提供速率的两到三倍以上。 而很明显,使用多个发射或接收天线可以取得更高的频谱效率。 这样在多径衰落无线信道中使用多个发射天线结合空时编码技术就很有可能提供功耗和频谱效率的最佳折中。 而事实上也的确如此,空时编码技术和多个发射天线的信号处理技术最近已经被第三代蜂窝移动通信标准如CDMA2000 和WCDMA所采纳,另外,也被建议应用到无线的环路及广域分级接入中去。 具体地说,空时编码技术可以结合当前的窄带TDMA 蜂窝移动通讯系统,使系统的传输速率得到大大提高;它也可以通过抑制干扰大大提高无线通讯系统的容量或吞吐量;另外,它还可以结合OFDM等通讯技术用于宽带无线通讯系统。 所以,空时编码技术在未来的无线通讯系统中包括宽带固定无线接入FWA、无线局域网LAN 甚至蜂窝移动通信系统中也有着广阔的应用前景。
2.3 MIMO系统信道容量 2.3.1 MIMO系统信道模型
MIMO信道模型如图2.2所示，系统有NT根发射天线和NR根接收天线。在发射端的天线阵列上的信号表示为：
x(t)=[x1(t),x2(t),…,xNT(t)]T （2.1）
式中，符号[ ]T表示矢量或矩阵的转置； xi(t)表示接收端的第i根天线端口的信号。
MIMO系统的信道容量分析 及Matlab仿真资料
