MIMO技术综述及编码技术仿真
MIMO技术综述及编码技术仿真[20200406123801]
摘 要
在人类社会的发展进程中，人们之间联系的方式不断的发生着变化，从以前的人工送信，到现在的电话、电脑，通讯方式越来越便捷。无线通信的使用更加方便了人们之间的交流，人们对于通信质量的要求推动了无线通信技术的创新和改革。移动通信的广泛应用，频谱资源的日趋紧张，迫切需要提高无线通信速率，在这样的背景下，多输入多输出系统应运而生。
本文重点研究了多输入多输入（Multiple input Multiple output，MIMO）系统，阐述了 MIMO系统的起源、发展进程以及现在的实现技术。MIMO技术的出现为提高移动通信信道容量提供了一个很好的解决办法。文章后半部分对空时编码的各种技术进行简要综述及分析，也将MIMO与空时编码技术相结合，并通过仿真对各个方案的性能进行对比分析。从MATLBA的仿真图可以看出：在数据传输性能上，使用用空时编码方案和不使用空时编码方案结果相差很大，空时编码方案在提升移动通信性能上具有很大的优越性。从图形可以看出，空时编码技术对于MIMO系统性能的提升具有很大的意义，同时也为接下来的无线通信技术发展提供了研究方向。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:MATLAB多输入多输出空时编码
Key Words: MIMO；Space-timing coding；MATLAB目 录
1、绪论 2
1.1无线通信的发展及相关技术 2
1.2 MIMO技术的研究背景 2
2、MIMO技术综述 3
2.1 MIMO技术 3
2.2 MIMO的信道模型 4
2.3 MIMO的信道容量 6
3、MIMO系统的空时编码 8
3.1分集技术 8
3.2空时编码的技术基础 9
3.2.1空时编码模型 9
3.3空时编码分类 10
3.3.1空时块码 10
3.3.2空时格码 13
4、仿真结果与分析 16
4.1 MATLAB软件介绍 16
4.2仿真结果 16
4.2.1 Alamouti编码方案的编码结果 16
4.2.2 编码方案比较及性能分析 17
结束语 19
参考文献 20
1、绪论
1.1无线通信的发展及相关技术
社会的进步，科学技术的发展，人们对通讯技术的要求也愈来愈高，期望愈来愈快的数据传输速率，无线通信的质量可以不断的提升。这样的需求推进了通讯技术的进步。进步与挑战并存，其中最大的一个挑战就是如何在系统频谱效率不变的情况下，不断提升其传输速率。同时，科学技术的飞速发展，日益紧张的频谱资源也是现实中遇到的一大阻碍。这些问题为技术的发展提供了一个突破口，必须从有别于传统观念的方向来扩展频域资源，进行技术的开发，提高频谱利用率。空时编码的出现解决了这个问题。空时编码与MIMO相结合的方法可以不占用另外的频谱资源，同时这种技术也可以将移动无线的不利因素转变成有利因素，而不用对原有的系统进行太大的改动。这种技术只要在无线通信的空中接口处进行一些小的技术改造，就可以大幅度的提高系统的运行质量。正是由于它的这个优点，MIMO系统下的空时编码技术成了最具发展前景的移动通信技术之一。
1.2 MIMO技术的研究背景
近年来无线通信技术飞速发展，但是无线通讯的进步仍然一直致力于解决如何在恶劣的信道环境下和有限的带宽内提高数据传输的速率和质量。在传统的无线通讯系统中，都是根据香农速率进行研究，以至于电信工作者无论使用怎样的调制方法和信道编码方法，传输速率只能接近香农速率，但是无法超越，这成了现代无线通讯发展的一大瓶颈。
移动通信技术愈来愈广泛的被应用于人们的日常生活中，同时互联网要求无线接入，无线通讯速率的提高成为了越来越紧迫的研究任务。技术人员们为了突破速率上的瓶颈，想出了各种方法。提高移动通信的信道容量一般可以使用以下三种方法，一是设置更多的基站；二是拓宽已使用的频带；三是提高频谱的使用效率。从文献[3]中可以知道，要是使用第一种方法，会增加更多的蜂窝，这样代价会很高。因此，技术人员将目光瞄准到了提高频谱利用率上。
多输入多输出技术就很好的提高了利用率，很好的解决了信道容量的问题，并且被证明是提高数据传输率和通讯质量的最有效的方法。多天线技术被应用在MIMO系统的发射端和接收端，进行信息的传输与接收。MIMO可以不增加带宽就提高通讯系统的容量，同时提高频谱的利用率，这个特点使得它成为了4G通讯的重要技术[1]。
2、MIMO技术综述
2.1 MIMO技术
多输入多输出（MIMO）是一个抽象的数学模型，用于描述多天线通讯系统 [2]。MIMO的多个天线可以独立的发送信号，然后通过多个接收天线接收，并进行信号解码、恢复。为了解决信道衰落的问题，研究人员提出了MIMO系统的方案。对于一般的通讯系统，多径会引起衰落，这对通讯系统是非常不利的。但是多径的因素对于MIMO系统则相反。文献[3]中提到，多径在MIMO中是一个有利因子。MIMO系统的多径能有效的抑制衰落[3]。图1-1的MIMO系统中，信息发送前进行一些必要的空时处理，处理好后发送出去，信息的解码回复工作由接收端的天线完成，运用各种空时检测技术来完成这项工作。通过以上的分析可以知道，发射天线与接收天线结合的方式是MIMO技术的基础，这样的设计可以改善通讯质量，提高用户间的通讯效率。换一种说法就是，多输入多输出系统在移动基站和移动终端均配置了阵列天线，基站的天线阵元的间距必须足够大，这样才能确保每个接收信号不相关，而对于移动终端天线阵元的间距大概0.5倍波长就可以了，这样的设置可以保证各阵元接收信号之间都不相关。
图1-1 MIMO系统原理图
另一方面， MIMO系统跟其他系统一个很大的区别就是它任意的无线信道之间都是独立的，相关性小。而且用MIMO系统进行信息的传送的时候，由于公用的是同一频带，因此也没有增加带宽，这也是MIMO系统的一个主要优点——能显著改善信道容量。
MIMO系统的另外一个显著的优点是提高了信息传输的可靠性。上文提到，MIMO系统的任一信道响应是独立的，是以可以在MIMO中构建出多个并行的空间信道，由这些信道传输的信息是相互独立，这样能显著降低误码率，提高信息传输的可靠性。
近几年MIMO技术得到了很大的关注，主要原因是它能在不改变带宽或总的发送功率损耗的情况下，显著提高系统的吞吐量，并能增加传送间隔。多个发射天线和接收天线构成一个空间，这就是MIMO的核心技术，所构成的空间提供的自由度能提升通讯系统的频谱效率，加快信息传递速率，通讯质量也得到显著的改善。
2.2 MIMO的信道模型
有许多因素可以影响无线通信系统的性能，其中无线信道的环境是主要的因素[4]。同有限信道的静态和可预测的特点不同的是，无线信道环境是动态的、不可预测的，因此无线信道的建模是必不可少的。随着全球经济的发展，全球各地人们的联系越来越紧密，这也推动了通信技术的发展。为了能让人们有更好的通信体验，通信系统性能的优化至关重要。而信道作为无线通信的基础，深入了解信道，有助于我们更好的设计出高性能、高频谱利用率的无线通信技术。
衰落是无线信道的典型特征之一，指信号幅度在时间和频率上的波动[5]。根据文献[5]中的介绍与分析，可以知道衰落是另外一种形式的信号恶化的来源。跟最普遍的来源——加性噪声相比，衰落会引起无线信道的非加性信号扰动。
根据信号传输的距离来划分衰落。在长距离内，若接收信号强度缓慢的变化，这样的衰落就称为大尺度衰落。通常情况下，收发天线的距离、载波频率、高度和环境决定大尺度衰落的特性。而在较短的距离里，信号电平在多条路径的相消或相长下的快速波动就是小尺度衰落。小尺度衰落的特性与信道频率选择性有关。图2-1是衰落信道的各种类型。
图2-1 衰落信道的分类
现设一个 的MIMO系统，假定没有码间干扰，发射信号带宽小，换句话说可以用一个复增益因子来描述每一条信号的路径（即子信道是平坦衰落的）。信道模型如图2-2所示：
图2-2 信道模型
MIMO信道的输入和输出的关系为
（2-1）
摘 要
在人类社会的发展进程中，人们之间联系的方式不断的发生着变化，从以前的人工送信，到现在的电话、电脑，通讯方式越来越便捷。无线通信的使用更加方便了人们之间的交流，人们对于通信质量的要求推动了无线通信技术的创新和改革。移动通信的广泛应用，频谱资源的日趋紧张，迫切需要提高无线通信速率，在这样的背景下，多输入多输出系统应运而生。
本文重点研究了多输入多输入（Multiple input Multiple output，MIMO）系统，阐述了 MIMO系统的起源、发展进程以及现在的实现技术。MIMO技术的出现为提高移动通信信道容量提供了一个很好的解决办法。文章后半部分对空时编码的各种技术进行简要综述及分析，也将MIMO与空时编码技术相结合，并通过仿真对各个方案的性能进行对比分析。从MATLBA的仿真图可以看出：在数据传输性能上，使用用空时编码方案和不使用空时编码方案结果相差很大，空时编码方案在提升移动通信性能上具有很大的优越性。从图形可以看出，空时编码技术对于MIMO系统性能的提升具有很大的意义，同时也为接下来的无线通信技术发展提供了研究方向。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:MATLAB多输入多输出空时编码
Key Words: MIMO；Space-timing coding；MATLAB目 录
1、绪论 2
1.1无线通信的发展及相关技术 2
1.2 MIMO技术的研究背景 2
2、MIMO技术综述 3
2.1 MIMO技术 3
2.2 MIMO的信道模型 4
2.3 MIMO的信道容量 6
3、MIMO系统的空时编码 8
3.1分集技术 8
3.2空时编码的技术基础 9
3.2.1空时编码模型 9
3.3空时编码分类 10
3.3.1空时块码 10
3.3.2空时格码 13
4、仿真结果与分析 16
4.1 MATLAB软件介绍 16
4.2仿真结果 16
4.2.1 Alamouti编码方案的编码结果 16
4.2.2 编码方案比较及性能分析 17
结束语 19
参考文献 20
1、绪论
1.1无线通信的发展及相关技术
社会的进步，科学技术的发展，人们对通讯技术的要求也愈来愈高，期望愈来愈快的数据传输速率，无线通信的质量可以不断的提升。这样的需求推进了通讯技术的进步。进步与挑战并存，其中最大的一个挑战就是如何在系统频谱效率不变的情况下，不断提升其传输速率。同时，科学技术的飞速发展，日益紧张的频谱资源也是现实中遇到的一大阻碍。这些问题为技术的发展提供了一个突破口，必须从有别于传统观念的方向来扩展频域资源，进行技术的开发，提高频谱利用率。空时编码的出现解决了这个问题。空时编码与MIMO相结合的方法可以不占用另外的频谱资源，同时这种技术也可以将移动无线的不利因素转变成有利因素，而不用对原有的系统进行太大的改动。这种技术只要在无线通信的空中接口处进行一些小的技术改造，就可以大幅度的提高系统的运行质量。正是由于它的这个优点，MIMO系统下的空时编码技术成了最具发展前景的移动通信技术之一。
1.2 MIMO技术的研究背景
近年来无线通信技术飞速发展，但是无线通讯的进步仍然一直致力于解决如何在恶劣的信道环境下和有限的带宽内提高数据传输的速率和质量。在传统的无线通讯系统中，都是根据香农速率进行研究，以至于电信工作者无论使用怎样的调制方法和信道编码方法，传输速率只能接近香农速率，但是无法超越，这成了现代无线通讯发展的一大瓶颈。
移动通信技术愈来愈广泛的被应用于人们的日常生活中，同时互联网要求无线接入，无线通讯速率的提高成为了越来越紧迫的研究任务。技术人员们为了突破速率上的瓶颈，想出了各种方法。提高移动通信的信道容量一般可以使用以下三种方法，一是设置更多的基站；二是拓宽已使用的频带；三是提高频谱的使用效率。从文献[3]中可以知道，要是使用第一种方法，会增加更多的蜂窝，这样代价会很高。因此，技术人员将目光瞄准到了提高频谱利用率上。
多输入多输出技术就很好的提高了利用率，很好的解决了信道容量的问题，并且被证明是提高数据传输率和通讯质量的最有效的方法。多天线技术被应用在MIMO系统的发射端和接收端，进行信息的传输与接收。MIMO可以不增加带宽就提高通讯系统的容量，同时提高频谱的利用率，这个特点使得它成为了4G通讯的重要技术[1]。
2、MIMO技术综述
2.1 MIMO技术
多输入多输出（MIMO）是一个抽象的数学模型，用于描述多天线
图1-1 MIMO系统原理图
另一方面， MIMO系统跟其他系统一个很大的区别就是它任意的无线信道之间都是独立的，相关性小。而且用MIMO系统进行信息的传送的时候，由于公用的是同一频带，因此也没有增加带宽，这也是MIMO系统的一个主要优点——能显著改善信道容量。
MIMO系统的另外一个显著的优点是提高了信息传输的可靠性。上文提到，MIMO系统的任一信道响应是独立的，是以可以在MIMO中构建出多个并行的空间信道，由这些信道传输的信息是相互独立，这样能显著降低误码率，提高信息传输的可靠性。
近几年MIMO技术得到了很大的关注，主要原因是它能在不改变带宽或总的发送功率损耗的情况下，显著提高系统的吞吐量，并能增加传送间隔。多个发射天线和接收天线构成一个空间，这就是MIMO的核心技术，所构成的空间提供的自由度能提升通讯系统的频谱效率，加快信息传递速率，通讯质量也得到显著的改善。
2.2 MIMO的信道模型
有许多因素可以影响无线通信系统的性能，其中无线信道的环境是主要的因素[4]。同有限信道的静态和可预测的特点不同的是，无线信道环境是动态的、不可预测的，因此无线信道的建模是必不可少的。随着全球经济的发展，全球各地人们的联系越来越紧密，这也推动了通信技术的发展。为了能让人们有更好的通信体验，通信系统性能的优化至关重要。而信道作为无线通信的基础，深入了解信道，有助于我们更好的设计出高性能、高频谱利用率的无线通信技术。
衰落是无线信道的典型特征之一，指信号幅度在时间和频率上的波动[5]。根据文献[5]中的介绍与分析，可以知道衰落是另外一种形式的信号恶化的来源。跟最普遍的来源——加性噪声相比，衰落会引起无线信道的非加性信号扰动。
根据信号传输的距离来划分衰落。在长距离内，若接收信号强度缓慢的变化，这样的衰落就称为大尺度衰落。通常情况下，收发天线的距离、载波频率、高度和环境决定大尺度衰落的特性。而在较短的距离里，信号电平在多条路径的相消或相长下的快速波动就是小尺度衰落。小尺度衰落的特性与信道频率选择性有关。图2-1是衰落信道的各种类型。
图2-1 衰落信道的分类
现设一个 的MIMO系统，假定没有码间干扰，发射信号带宽小，换句话说可以用一个复增益因子来描述每一条信号的路径（即子信道是平坦衰落的）。信道模型如图2-2所示：
图2-2 信道模型
MIMO信道的输入和输出的关系为
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