MIMO技术综述及解码技术仿真
MIMO技术综述及解码技术仿真[20200406124154]
摘要
本文首先介绍综合概述了MIMO技术，并介绍了其研究成果及发展历程。接着简单讲述了什么是空时码，重点研究了空时码Alamouti的译码方案，并用MATLAB进行性能仿真。
无线频谱资源的相对稀缺对无线频谱的利用率有着越来越严格的要求，在当今的无线通信研究领域中，如何扩大信道容量是一个热点研究问题。于是MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)系统应运而生。不同于以往的单发单收系统，该系统在收发段均使用多根天线，并且把多径信道分为用来发送和接收数据流的若干独立的子空间信道，同时，各个发射信号使用同一频带，有效地使频谱使用率获得了提高，系统容量也成倍扩大。
MIMO双接收天线系统的性能比单接收天线性能要更好，双接收天线系统的性能甚至比加性高斯白噪声信道下的性能还优越，这个的原因是由于双接收天线系统不仅存在发射分集，而且存在接收分集，取得了2×2天线系统下的最大分集度。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:MIMO空时码Alamouti方案Matlab仿真
目 录
1. 绪 论 1
1.1 MIMO技术研究背景 1
1.2 论文主要研究内容 1
2. MIMO技术综述 2
2.1 MIMO技术的中心思想 2
2.1.1 无线MIMO系统模型 2
2.1.2 MIMO系统的天线选择技术 3
2.1.3 MIMO系统的信号处理 3
2.1.4 多天线系统在多址信道中的容量分析 4
2.2 多入多出(MIMO)技术详解 4
2.2.1 MIMO技术的发展史 4
2.2.2 MIMO的概念 5
2.3 4G通信中的多入多出（MIMO）技术 5
2.3.1 OFDM技术 6
2.3.2 MIMO与OFDM的结合 7
3. 空-时码的译码方法 8
3.1 Alamouti方案 8
3.2 Alamouti方案的译码原理 8
3.2.1 最大似然译码 8
3.2.2 Alamouti方案的译码原理 10
3.3 MATLAB仿真及结果显示 11
结束语 12
参考文献 13
致谢 15
1. 绪 论
1.1 MIMO技术研究背景
由于因特网和移动通信的迅猛发展，近年来，多媒体数据和无线网业务已经被使用进了部分第三代移动通信中。为了满足人们对高传输速率的要求，更加先进的技术应运而生。但是由于频谱资源的有限性，只有具备极高频谱利用率的无线通信技术才能够支持高速率传输。MIMO系统可以翻倍扩大通信系统容量，提升频谱使用率，并保持系统宽带不变。MIMO技术因上述优势而被视为当下通讯领域的一项重点技术。
无线频谱资源的相对稀缺对无线频谱的利用率有着越来越严格的要求，在当今的无线通信研究领域中，如何扩大信道容量是一个热点研究问题。于是MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)系统应运而生。不同于以往的单发单收系统，该系统在收发段均使用多根天线，并且把多径信道分为用来发送和接收数据流的若干独立的子空间信道，同时，各个发射信号使用同一频带，有效地使频谱使用率获得了提高，系统容量也成倍扩大。
1.2 论文主要研究内容
本文简单介绍了MIMO技术和MIMO当中的空时码Alamouti的译码研究，并用MATLAB进行了误码率仿真。第二章主要讨论了这篇论文的研究背景，也就是无线MIMO技术的工作原理，信道容量，MIMO与OFDM的结合，以及MIMO的研究发展现状。第三章先简单介绍了空时码，主要探讨了Alamouti方案的解码分析及误码率仿真。第四章对全文作了总结。
2. MIMO技术综述
2.1 MIMO综述
MIMO技术的中心思想是：与传统的单发单收系统不同，该技术在收发端分别使用若干根收发天线，使用若干根天线在收发端进行发送和接收信号来提高各个用户的服务质量。
与过去的单天线系统相比，MIMO技术可以很大程度上使频谱利用率得到了提升，是系统在无线频带一定的情况下，实现更快的数据传输能力。当前，世界各个国家已经开始或着手计划新一代移动通信技术的开发，力争在新一代移动通信领域独占一方。
2.1.1 无线MIMO系统模型
?本文在假设信道为瑞利衰落信道的情况下，讨论发射天线和接收天线数目分别为 和 的MIMO系统，并且系统的输入比特流是星座图当中的符号的映射，在经过孔氏编码之后产生的发射信号在各个符号周期内发射，系统模型如图2-1所示
输入数据流
图 2-1 无线MIMO系统模型
该系统的输入和输出方程如下
（2-1）
发送端的符号向量为 ,方差矩阵为 ；接收端的符号向量为 ；信道传输矩阵 为 维的矩阵，如式（2.2）所示。式中矩阵 中的元素 表示的是第 根发射天线到第 根接收天线间的信道衰落系数，并且其元素是同分布的独立的零均值、单位方差复循环的对称高斯随机变量。噪声向量为 ，并且其元素为循环复高斯随机变量。假定信道噪声功率谱密度为 ，则噪声向量 。
（2-2）
2.1.2 MIMO系统的天线选择技术
由于多天线要用到多射频RF电路，但多射频电路价格很高，所以，最重要的就是找到既具备MIMO天线的长处，成本低廉，复杂度不高的优化天线子集选择技术。多天线选择发送和接收系统的核心思想是：在一定的规则下，从M根发送天线当中选取MS根来用作信号发射天线，同样，从接收端的N根接收天线中选择NS根来作为信号接收天线，如此便可以构成MS NS的MIMO系统。通常，对应于多天线的应用系统，选择的标准可以分为两类：一类是将多天线提供的分集最大化从而降低传输误码率；还有一类是利用多天线提供的超大空间来提升传输效率。
2.1.3 MIMO系统的信号处理
过去人们主要研究MIMO技术单个用户点对点环境,不考虑其他用户常见的共信道干扰。近年来，学者们把研究重心渐渐转向多个用户的MIMO通道中。在MIMO环境中，如果多于一个用户，在下行链路使用空分多址能够大大增加系统的吞吐量。这种多用户MIMO系统的核心攻克问题在于怎样研发发射矢量，从而解决公共频道用户之间的干扰。“最好”的经典问题涵盖功率一定时信道的容量问题或以迎合不同用户相应的的功率控制问题。尽管针对通常的多用户MIMO通道,上述问题均未得到解决,但规定了某些条件能够找出闭环解决方法。
2.1.4 多天线系统在多址信道中的容量分析
多天线多地址环境,理论上的容量域已然十分明确,但怎样迎合用户对传输速度的要求,依旧不能很好地解决。从结构的角度,这是一个非线性优化问题,尽管经典的凸优化方法可以解决,但是会产生大量的计算过程,因此找到简单和快速的方法就很有必要。在一些特别情况下,如多用户和容量的优化问题，已经有文献提出了很有意义的多用户注水迭代算法,此方法利用矩阵理论和快速迭代求解凸优化理论，充分利用原始的结构优化问题。但这对实际网络特殊情况意义不大,因为在实际网络中，不同的用户在网络中处于不同位置,以同样的速度的加权值不能保证网络边缘用户的传输速率,所以处理长期用户传输速率低的用户，给大的加权值,以提高用户的传输速率。引入优先级之后,多个用户的使用和传播的能力规则不适用,必须采用加权和能力标准,用户的优先等级通过不同的用户率的权重来体现,越是高的优先级,用户速率的加权值就越大,反之亦然。
2.2 多入多出(MIMO)技术详解
MIMO技术可以在保持系统带宽不变的情况下，大幅度提高频谱的使用率，并扩大系统容量，是无线移动通信领域一大创新，该优点也使MIMO技术成为了当下无线通信领域的一项重要技术。
2.2.1 MIMO技术的发展史
其实，MIMO技术并不是新兴产物，早在上世纪九十年代初，马可尼就曾经提出可以用多入多出的方法来抵抗信道衰落。在20世纪70年代，也已经有学者曾经发现并提出，可以将将该技术植入到通信系统当中，但真正将MIMO技术引领入公众视线的则是90年代的贝尔实验室学者。90年代，泰拉塔尔研究得出了多入多出系统在衰落情况下的容量；1996年，有研究人员研究得出了对角-贝尔实验室分层空时算法（D-BLAST）；1998年，Tarokh和一些学者研究了可应用于多入多出系统的空时码国内外的学者对这类研究工作给予了极大的关心，有效地推动了MIMO技术的发展。
摘要
本文首先介绍综合概述了MIMO技术，并介绍了其研究成果及发展历程。接着简单讲述了什么是空时码，重点研究了空时码Alamouti的译码方案，并用MATLAB进行性能仿真。
无线频谱资源的相对稀缺对无线频谱的利用率有着越来越严格的要求，在当今的无线通信研究领域中，如何扩大信道容量是一个热点研究问题。于是MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)系统应运而生。不同于以往的单发单收系统，该系统在收发段均使用多根天线，并且把多径信道分为用来发送和接收数据流的若干独立的子空间信道，同时，各个发射信号使用同一频带，有效地使频谱使用率获得了提高，系统容量也成倍扩大。
MIMO双接收天线系统的性能比单接收天线性能要更好，双接收天线系统的性能甚至比加性高斯白噪声信道下的性能还优越，这个的原因是由于双接收天线系统不仅存在发射分集，而且存在接收分集，取得了2×2天线系统下的最大分集度。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:MIMO空时码Alamouti方案Matlab仿真
目 录
1. 绪 论 1
1.1 MIMO技术研究背景 1
1.2 论文主要研究内容 1
2. MIMO技术综述 2
2.1 MIMO技术的中心思想 2
2.1.1 无线MIMO系统模型 2
2.1.2 MIMO系统的天线选择技术 3
2.1.3 MIMO系统的信号处理 3
2.1.4 多天线系统在多址信道中的容量分析 4
2.2 多入多出(MIMO)技术详解 4
2.2.1 MIMO技术的发展史 4
2.2.2 MIMO的概念 5
2.3 4G通信中的多入多出（MIMO）技术 5
2.3.1 OFDM技术 6
2.3.2 MIMO与OFDM的结合 7
3. 空-时码的译码方法 8
3.1 Alamouti方案 8
3.2 Alamouti方案的译码原理 8
3.2.1 最大似然译码 8
3.2.2 Alamouti方案的译码原理 10
3.3 MATLAB仿真及结果显示 11
结束语 12
参考文献 13
致谢 15
1. 绪 论
1.1 MIMO技术研究背景
由于因特网和移动通信的迅猛发展，近年来，多媒体数据和无线网业务已经被使用进了部分第三代移动通信中。为了满足人们对高传输速率的要求，更加先进的技术应运而生。但是由于频谱资源的有限性，只有具备极高频谱利用率的无线通信技术才能够支持高速率传输。MIMO系统可以翻倍扩大通信系统容量，提升频谱使用率，并保持系统宽带不变。MIMO技术因上述优势而被视为当下通讯领域的一项重点技术。
无线频谱资源的相对稀缺对无线频谱的利用率有着越来越严格的要求，在当今的无线通信研究领域中，如何扩大信道容量是一个热点研究问题。于是MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)系统应运而生。不同于以往的单发单收系统，该系统在收发段均使用多根天线，并且把多径信道分为用来发送和接收数据流的若干独立的子空间信道，同时，各个发射信号使用同一频带，有效地使频谱使用率获得了提高，系统容量也成倍扩大。
1.2 论文主要研究内容
本文简单介绍了MIMO技术和MIMO当中的空时码Alamouti的译码研究，并用MATLAB进行了误码率仿真。第二章主要讨论了这篇论文的研究背景，也就是无线MIMO技术的工作原理，信道容量，MIMO与OFDM的结合，以及MIMO的研究发展现状。第三章先简单介绍了空时码，主要探讨了Alamouti方案的解码分析及误码率仿真。第四章对全文作了总结。
2. MIMO技术综述
2.1 MIMO综述
MIMO技术的中心思想是：与传统的单发单收系统不同，该技术在收发端分别使用若干根收发天线，使用若干根天线在收发端进行发送和接收信号来提高各个用户的服务质量。
与过去的单天线系统相比，MIMO技术可以很大程度上使频谱利用率得到了提升，是系统在无线频带一定的情况下，实现更快的数据传输能力。当前，世界各个国家已经开始或着手计划新一代移动通信技术的开发，力争在新一代移动通信领域独占一方。
2.1.1 无线MIMO系统模型
?本文在假设信道为瑞利衰落信道的情况下，讨论发射天线和接收天线数目分别为 和 的MIMO系统，并且系统的输入比特流是星座图当中的符号的映射，在经过孔氏编码之后产生的发射信号在各个符号周期内发射，系统模型如图2-1所示
输入数据流
图 2-1 无线MIMO系统模型
该系统的输入和输出方程如下
（2-1）
发送端的符号向量为 ,方差矩阵为 ；接收端的符号向量为 ；信道传输矩阵 为 维的矩阵，如式（2.2）所示。式中矩阵 中的元素 表示的是第 根发射天线到第 根接收天线间的信道衰落系数，并且其元素是同分布的独立的零均值、单位方差复循环的对称高斯随机变量。噪声向量为 ，并且其元素为循环复高斯随机变量。假定信道噪声功率谱密度为 ，则噪声向量 。
（2-2）
2.1.2 MIMO系统的天线选择技术
由于多天线要用到多射频RF电路，但多射频电路价格很高，所以，最重要的就是找到既具备MIMO天线的长处，成本低廉，复杂度不高的优化天线子集选择技术。多天线选择发送和接收系统的核心思想是：在一定的规则下，从M根发送天线当中选取MS根来用作信号发射天线，同样，从接收端的N根接收天线中选择NS根来作为信号接收天线，如此便可以构成MS NS的MIMO系统。通常，对应于多天线的应用系统，选择的标准可以分为两类：一类是将多天线提供的分集最大化从而降低传输误码率；还有一类是利用多天线提供的超大空间来提升传输效率。
2.1.3 MIMO系统的信号处理
过去人们主要研究MIMO技术单个用户点对点环境,不考虑其他用户常见的共信道干扰。近年来，学者们把研究重心渐渐转向多个用户的MIMO通道中。在MIMO环境中，如果多于一个用户，在下行链路使用空分多址能够大大增加系统的吞吐量。这种多用户MIMO系统的核心攻克问题在于怎样研发发射矢量，从而解决公共频道用户之间的干扰。“最好”的经典问题涵盖功率一定时信道的容量问题或以迎合不同用户相应的的功率控制问题。尽管针对通常的多用户MIMO通道,上述问题均未得到解决,但规定了某些条件能够找出闭环解决方法。
2.1.4 多天线系统在多址信道中的容量分析
多天线多地址环境,理论上的容量域已然十分明确,但怎样迎合用户对传输速度的要求,依旧不能很好地解决。从结构的角度,这是一个非线性优化问题,尽管经典的凸优化方法可以解决,但是会产生大量的计算过程,因此找到简单和快速的方法就很有必要。在一些特别情况下,如多用户和容量的优化问题，已经有文献提出了很有意义的多用户注水迭代算法,此方法利用矩阵理论和快速迭代求解凸优化理论，充分利用原始的结构优化问题。但这对实际网络特殊情况意义不大,因为在实际网络中，不同的用户在网络中处于不同位置,以同样的速度的加权值不能保证网络边缘用户的传输速率,所以处理长期用户传输速率低的用户，给大的加权值,以提高用户的传输速率。引入优先级之后,多个用户的使用和传播的能力规则不适用,必须采用加权和能力标准,用户的优先等级通过不同的用户率的权重来体现,越是高的优先级,用户速率的加权值就越大,反之亦然。
2.2 多入多出(MIMO)技术详解
MIMO技术可以在保持系统带宽不变的情况下，大幅度提高频谱的使用率，并扩大系统容量，是无线移动通信领域一大创新，该优点也使MIMO技术成为了当下无线通信领域的一项重要技术。
2.2.1 MIMO技术的发展史
其实，MIMO技术并不是新兴产物，早在上世纪九十年代初，马可尼就曾经提出可以用多入多出的方法来抵抗信道衰落。在20世纪70年代，也已经有学者曾经发现并提出，可以将将该技术植入到通信系统当中，但真正将MIMO技术引领入公众视线的则是90年代的贝尔实验室学者。90年代，泰拉塔尔研究得出了多入多出系统在衰落情况下的容量；1996年，有研究人员研究得出了对角-贝尔实验室分层空时算法（D-BLAST）；1998年，Tarokh和一些学者研究了可应用于多入多出系统的空时码国内外的学者对这类研究工作给予了极大的关心，有效地推动了MIMO技术的发展。
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