los环境mimo系统关键技术研究(附件)【字数：16934】
摘 要摘 要多输入多输出(MIMO)传输的高频谱效率的传统上依赖于丰富的散射环境中多路复用增益,并不总是在视距(LOS)环境中,特别是在更高的微波频段。无线电频率的多输入输出（MIMO）传输方案预计由于他们的高频率使用效率将成为超高效的移动通信实例。另一方面，自从高射频带来大量传播损耗，导致了收缩的服务区域，这样有可能使视距系统出现。不过在LOS信道的多天线传输的信道容量有一个显著的退化，这个是一个复杂的问题。论文研究了一种天线阵设计规则，阐述了一维或二维天线阵列的场景的LOS-MIMO系统,其保证了多路复用增益，并且在二维天线阵列情况下有严格的垂直约束。对最小天线阵列区域、条件数和信道容量进行了分析。接着分析了一个方正的天线阵列MIMO系统。通过在LOS信道中改变天线形态和信噪比来研究天线形态和信道容量的关系，也分析了纯LOS信道矩阵的奇异值和条件数。通过改变LOS信道的天线形态和信噪比，LOS-MIMO信道的电脑仿真结果显示了最优条件数和信道容量。关键词LOS-MIMO；视距传输；天线；信道容量
目 录
第一章 绪论 1
1.1 课题的研究背景 1
1.1.1 MIMO技术简介 1
1.1.2 LOSMIMO技术概述 3
1.2 选题意义和研究内容 4
1.3 论文的结构 4
第二章 无线信道的特点 6
2.1 无线信道的物理模型 6
2.1.1 视距传输下的固定的发送和接收天线 6
2.1.2 视距传输下的移动天线 7
2.1.3 反射墙和固定天线 8
2.1.4 反射墙和移动天线 10
2.1.5 来自地平面的反射 11
2.1.6 移动的天线和多个反射镜 12
2.2 时间相干和频率相干 13
2.2.1 多普勒扩展和相干时间 13
2.2.2 时延扩展与相干带宽 14
2.3 统计信道模型 16
2.3.1 建模基本原理 16
2.3.2 瑞利衰落和莱斯衰落 17
2.3.3 抽头增益自相关函数 18
第三章 天线个数对信道容 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
量的影响 20
3.1 确定性MIMO信道的多路复用功能 20
3.1.1 通过奇异值分解的功能 20
3.1.2 秩和条件数 22
3.2 天线分集 23
3.2.1 接收分集 23
3.2.2 发送分集 25
3.3 线性时不变高斯信道 25
3.3.1 单输入多输出(SIMO)信道 25
3.3.2 多输入单输出(MISO)信道 26
3.4 搭建MATLAB的仿真平台 27
3.5 接收和发送天线数与信道容量的关系 28
3.6 仿真结果分析 30
第四章 视距传输下天线阵列对信道容量的影响 32
4.1 视距传输SIMO信道 32
4.2 视距传输MISO信道 34
4.3 只有视距传输路径的天线阵列 34
4.4 天线阵列设计 36
4.4.1 LOSMIMO信道模型和信道容量 36
4.4.2 一维天线阵列 37
4.4.3 二维天线阵列 38
4.5 仿真结果分析 42
结 论 44
致 谢 45
参 考 文 献 46
第一章 绪论
1.1 课题的研究背景
最近，连续增长的多媒体的容量在移动通信系统内容上表现了具有超高效的移动通信的需求,即：超过每秒千兆级别。众所周知，多输入输出传输技术由于它的高频率成为了实现超高效的移动通信的有效方法。通过在接收端和发送端使用多天线，多天线技术可以使用独立的多路广播频道来实现信号的分离。因此，多个单独的信息流使用多天线技术能被送到同一个无线电频率。此外，一个宽的带宽也是超高效的移动通信所必需的。高频无线电对于这个要求是合适的,因为它在频率高的时候相对容易地保证宽的带宽。然而，当使用高频率的无线的时候，因为传播损耗的增加，同样传输功率的覆盖范围会变得更小。这样的话，在LOS信道下大量的移动终端下，其在服务区被迫与基站交流。因为在多径的环境中视距波比反射波更占主导地位,不同天线上接收到的信号变得几乎一样。由于这个，分离接收信号变得很难并且导致了信道容量的下降。
许多研究已经尝试去解决LOS信道的MIMO传输问题。即使有一个强大的LOS组件增强几何阵列性能和给出了视距输入输出具体位置天线的表达式，不过这些方法还是只能提高局部区域的信道容量,因为接收器被使用在一个广泛的位置中，所以移动通信是无效的。
很多场景中都有直射路径，不过直视路径总是影响MIMO展现其优点，由于直视路径能够让信道的相关性变强，致使信道矩阵的秩下降。不过A.R.Nix研究了通过改变优化天线间的间距来保持LOSMIMO空间子信道的相关性，这为论文的分析提供了基础知识。
1.1.1 MIMO技术简介
这些年来以来,伴随迅速发展的因特网技术与移动通信的脚步,无线因特网的技术与多媒体的数据业务已经存在于第五代移动通信中。MIMO技术是未来无线通信系统中实现高数据速率的传输、改善传输的质量和提高信道容量的重要途径。不过频谱的资源一般是有限制的,开发具有非常高频谱利用率的无线通信技术可以满足高速率的情况。在无线移动通信的领域中，智能天线技术的重大突破是MIMO技术。这个技术可以在不增加带宽的情况下，提升通信系统的容量与频谱的利用率,所以大众普遍认为下一代移动通信的重要技术之一是MIMO技术。
图11 MIMO系统示意图
MIMO系统是采用多天线的方法来完成空间复用的。依据接收端和发送端的天线个数的多少，相比较一般的SISO系统，SIMO系统与MISO系统可以存在MIMO系统里。MIMO系统的结构图为图11。
一般情况下,衰落可能由多径信道所引起,因此衰落通常被视为有害因素。不过有相关资料显示,和MIMO系统相比较,一个可以利用的因素是多径信道。MIMO系统在接收端和发送端都使用多天线(或者阵列区域)和多通道的配置,相对于多径无线信道来分析MIMO系统的多入多出的特点。在通过空时编码之后，传输的信息流造成了N个信息的子流。这N个信息的子流通过N个天线来传输,通过空间信道之后，然后通过M个接收天线收到。多天线的接收端可以使用空时编码，空时编码处理可以使得这些信息子流解码和分离[1]，最终完成非常好的处理。信道接收到了这N个信息的子流,并且同一频带有各发射信号,所以可以使得带宽变宽。如果独立响应了发射天线与接收天线之间的道路,那么一些并行空间通道可以存在于多入多出系统。信息由这些并行空间通道发送和接收之后,肯定能够提升数据速率。所以在每个天线阵列的分配方面，和系统性能有关的重要因素是数据与数据子流的独立性，在天线阵列的链路之间，衰落的相关性决定了独立的数据子流的数量,所以在MIMO系统中，和MIMO系统有关的重要因素之一是天线阵列链路之间的衰落相关性。可以更好地利用收发信号的全部时频域和空间域的特点的是MIMO系统,其包含以下的特点:
目 录
第一章 绪论 1
1.1 课题的研究背景 1
1.1.1 MIMO技术简介 1
1.1.2 LOSMIMO技术概述 3
1.2 选题意义和研究内容 4
1.3 论文的结构 4
第二章 无线信道的特点 6
2.1 无线信道的物理模型 6
2.1.1 视距传输下的固定的发送和接收天线 6
2.1.2 视距传输下的移动天线 7
2.1.3 反射墙和固定天线 8
2.1.4 反射墙和移动天线 10
2.1.5 来自地平面的反射 11
2.1.6 移动的天线和多个反射镜 12
2.2 时间相干和频率相干 13
2.2.1 多普勒扩展和相干时间 13
2.2.2 时延扩展与相干带宽 14
2.3 统计信道模型 16
2.3.1 建模基本原理 16
2.3.2 瑞利衰落和莱斯衰落 17
2.3.3 抽头增益自相关函数 18
第三章 天线个数对信道容 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
量的影响 20
3.1 确定性MIMO信道的多路复用功能 20
3.1.1 通过奇异值分解的功能 20
3.1.2 秩和条件数 22
3.2 天线分集 23
3.2.1 接收分集 23
3.2.2 发送分集 25
3.3 线性时不变高斯信道 25
3.3.1 单输入多输出(SIMO)信道 25
3.3.2 多输入单输出(MISO)信道 26
3.4 搭建MATLAB的仿真平台 27
3.5 接收和发送天线数与信道容量的关系 28
3.6 仿真结果分析 30
第四章 视距传输下天线阵列对信道容量的影响 32
4.1 视距传输SIMO信道 32
4.2 视距传输MISO信道 34
4.3 只有视距传输路径的天线阵列 34
4.4 天线阵列设计 36
4.4.1 LOSMIMO信道模型和信道容量 36
4.4.2 一维天线阵列 37
4.4.3 二维天线阵列 38
4.5 仿真结果分析 42
结 论 44
致 谢 45
参 考 文 献 46
第一章 绪论
1.1 课题的研究背景
最近，连续增长的多媒体的容量在移动通信系统内容上表现了具有超高效的移动通信的需求,即：超过每秒千兆级别。众所周知，多输入输出传输技术由于它的高频率成为了实现超高效的移动通信的有效方法。通过在接收端和发送端使用多天线，多天线技术可以使用独立的多路广播频道来实现信号的分离。因此，多个单独的信息流使用多天线技术能被送到同一个无线电频率。此外，一个宽的带宽也是超高效的移动通信所必需的。高频无线电对于这个要求是合适的,因为它在频率高的时候相对容易地保证宽的带宽。然而，当使用高频率的无线的时候，因为传播损耗的增加，同样传输功率的覆盖范围会变得更小。这样的话，在LOS信道下大量的移动终端下，其在服务区被迫与基站交流。因为在多径的环境中视距波比反射波更占主导地位,不同天线上接收到的信号变得几乎一样。由于这个，分离接收信号变得很难并且导致了信道容量的下降。
许多研究已经尝试去解决LOS信道的MIMO传输问题。即使有一个强大的LOS组件增强几何阵列性能和给出了视距输入输出具体位置天线的表达式，不过这些方法还是只能提高局部区域的信道容量,因为接收器被使用在一个广泛的位置中，所以移动通信是无效的。
很多场景中都有直射路径，不过直视路径总是影响MIMO展现其优点，由于直视路径能够让信道的相关性变强，致使信道矩阵的秩下降。不过A.R.Nix研究了通过改变优化天线间的间距来保持LOSMIMO空间子信道的相关性，这为论文的分析提供了基础知识。
1.1.1 MIMO技术简介
这些年来以来,伴随迅速发展的因特网技术与移动通信的脚步,无线因特网的技术与多媒体的数据业务已经存在于第五代移动通信中。MIMO技术是未来无线通信系统中实现高数据速率的传输、改善传输的质量和提高信道容量的重要途径。不过频谱的资源一般是有限制的,开发具有非常高频谱利用率的无线通信技术可以满足高速率的情况。在无线移动通信的领域中，智能天线技术的重大突破是MIMO技术。这个技术可以在不增加带宽的情况下，提升通信系统的容量与频谱的利用率,所以大众普遍认为下一代移动通信的重要技术之一是MIMO技术。
图11 MIMO系统示意图
MIMO系统是采用多天线的方法来完成空间复用的。依据接收端和发送端的天线个数的多少，相比较一般的SISO系统，SIMO系统与MISO系统可以存在MIMO系统里。MIMO系统的结构图为图11。
一般情况下,衰落可能由多径信道所引起,因此衰落通常被视为有害因素。不过有相关资料显示,和MIMO系统相比较,一个可以利用的因素是多径信道。MIMO系统在接收端和发送端都使用多天线(或者阵列区域)和多通道的配置,相对于多径无线信道来分析MIMO系统的多入多出的特点。在通过空时编码之后，传输的信息流造成了N个信息的子流。这N个信息的子流通过N个天线来传输,通过空间信道之后，然后通过M个接收天线收到。多天线的接收端可以使用空时编码，空时编码处理可以使得这些信息子流解码和分离[1]，最终完成非常好的处理。信道接收到了这N个信息的子流,并且同一频带有各发射信号,所以可以使得带宽变宽。如果独立响应了发射天线与接收天线之间的道路,那么一些并行空间通道可以存在于多入多出系统。信息由这些并行空间通道发送和接收之后,肯定能够提升数据速率。所以在每个天线阵列的分配方面，和系统性能有关的重要因素是数据与数据子流的独立性，在天线阵列的链路之间，衰落的相关性决定了独立的数据子流的数量,所以在MIMO系统中，和MIMO系统有关的重要因素之一是天线阵列链路之间的衰落相关性。可以更好地利用收发信号的全部时频域和空间域的特点的是MIMO系统,其包含以下的特点:
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