MIMO-OFDM系统在选择性衰落信道下的容量分析

摘要MIMO技术是无线通信技术发展的一次重大飞跃，它能够突破无线频率资源限制，大幅度提高无线通信系统效率，被认为是无线通信技术未来发展的方向。

然而，MIMO技术也彻底打破传统的无线通信模式，它要求系统使用多根发射和接收天线同时地发射和接收数据，使得无线通信系统结构、分析方法、调制、编码、信道估计、检测和多址方式等各个方面面临挑战。

本文在国内外相关研究工作的基础上，针对MIMO信道容量理论进行深入研究。

首先介绍了MIMO的研究现状，包括已取得的进展和存在的问题。

并在移动无线信道特点的基础上，阐述了MIMO信道的特征，建立了数学模型。

然后，仿真了数种典型恒定信道参数系统的容量以及空间相关性对信道容量的影响，进而得出结论：MIMO系统可以有效的提高信道容量, 但是由于天线之间相关性的影响，MIMO系统容量也有所下降。

其次，分析了STBC系统的容量，并将其与全开环MIMO系统的容量进行了比较。

最后重点实现了OFDM技术的仿真，并讨论了MIMO-OFDM系统在频率选择性信道下的容量以及多径和空间相关对其系统容量的影响。

关键词：多输入多输出信道容量空间相关性空时分组码正交频分复用AbstractMultiple-input-multiple-output(MIMO) technology is a significant breakthrough in the development of wireless communication technologies. It can get rid of the constraint of radio frequency resource and greatly increase the spectral efficiency of wireless systems, and thus is considered as the future development trend of wireless communication technologies. However, MIMO technology thoroughly breaks the mode of traditional wireless communications, since it requires multiple transmit and receive antennas to simultaneously transmit and receive data information in the same time, which challenges all the aspects of wireless communications including system architecture, analytical methods, modulation, coding, detection, channel estimation, multiple access, and so on. On the basis current research works, this paper investigates MIMO channel capacity . Firstly, the author introduces the current study of MIMO, include the inprovements which were received and the challenges which are faceing to.Then, it analyses the wireless channels, and expounds the MIMO channel characteristic, and models the MIMO channel . Secondly, it simulates the capacity of several typical invariableness parameter channels and the impact of channel space correlation on the capacity of MIMO system . From the simulation, we can take the conclusion that MIMO system can effictively improve thannel is decreased. Thirdly, it analyzes the capacity of STBC system , then comparises the capacity of MIMO system and STBC.Finally,it is simulated the Orthogonal Frequency Division Multiplexing(OFDM), and discussed that the capacity of MIMO-OFDM system over frequency selective fading channels,then simulated the impe capacity of channel, but due to the impact of channel space correlation, the capacity of chact of multiple paths and channel space correlation on the capacity of MIMO – OFDM system .Key words：MIMO channel capacity correlation STBC OFDM目录摘要 (I)Abstract (II)第1章MIMO系统概述 (1)1.1 无线通信的发展概况 (1)1.2 MIMO系统的发展 (2)1.2.1研究的背景和意义 (2)1.2.2已取得的进展 (4)1.2.3存在的问题 (5)1.3 MIMO技术简介 (7)1.3.1 MIMO 系统的概念 (7)1.3.2 MIMO 系统的特点 (9)第2章无线MIMO空时信道的一般理论 (11)2.1 移动无线信道的衰落特性 (11)2.1.1 无线移动信道传播特性 (11)2.1.2三种经典的衰落分布 (13)2.2 无线MIMO空时信道模型 (14)2.2.1 信道矩阵H的计算 (15)2.2.2 信道模型 (16)第3章 MIMO系统的容量 (18)3.1 引言 (18)3.2 恒参信道条件下的MIMO信道容量分析 (19)3.2.1各种系统的信道容量 (19)3.2.2 信道容量的仿真结果比较 (24)3.3 信道相关对MIMO信道容量的影响 (25)3.3.1 信道相关性的定义 (26)3.3.2 相关信道模型 (27)3.3.3 相关信道下容量的分析 (28)第4章 STBC系统的信道容量分 (30)4.1 STBC概述 (30)4.1.1 空时分组码的研究现状 (30)4.1.2 STBC原理 (30)4.1.3 STBC构造 (31)4.2 STBC的容量分析与仿真 (32)4.2.1 STBC的容量分析 (32)4.2.2 STBC信道容量的仿真与分析 (33)第5章 MIMO-OFDM系统的容量分析 (36)5.1 引言 (36)5.1.1 OFDM 技术 (36)5.1.2 MIMO-OFDM 技术 (39)5.2 MIMO-OFDM系统模型 (41)5.3 MIMO-OFDM各态历经容量分析与仿真 (42)5.3.1 MIMO-OFDM各态历经容量 (42)5.3.2 MIMO-OFDM各态历经容量的仿真与分析 (43)结论 (45)致谢 ......................................... 错误!未定义书签。

MIMO 系统的原理及容量分析张大朋（班级：011291，学号：01129016）Email:captaindp@ 电话：187xxxxxxxxProject website:摘 要：本文简要讨论了无线通信系统中多输入多输出（Multiple Input Multiple Output,MIMO ）这一技术的原理及性能。

通过分析MIMO 系统的原理和在平坦衰落信道与频率选择性衰落信道条件下的容量，及与传统的单输入多输出（Single Input Multiple Output,SIMO ）系统容量的比较，论证了这一技术对无线通信的系统容量的提高。

关键词：MIMO ；系统容量；无线通信Principle and Capacity Analysis of MIMO SystemDapeng Zhang(Class:011291，Student No:01129016)Email: captaindp@ Telephone number:187xxxxxxxxProject website:Abstract:This article briefly discusses the instrument and performance of Multiple-Input Multiple-Output( MIMO) in wireless communication system.By analyzing the principle and the performance of MIMO systems in the condition of flat fading channel and frequency selective fading channel capacity and comparing MIMO with Single Input Multiple Output(SIMO) system,proving that this technology improved the capacity of wireless communications.Key words:MIMO;system capacity;wireless communications1 引言在传统的无线通信系统中，发射端和接收端通常是各使用一根天线，这种单天线系统也称为单输入和单输出（Single Input Single Output ，SISO ）。

多天线系统信道容量问题相对于传统的单输入单输出(SISO)通信系统,多输入多输出(MIMO)系统能够在不增加额外带宽和发射功率的前提下大幅提高通信系统容量,因此吸引了极大的研究热情。

其中MIMO系统的信道容量问题是研究的热点问题之一。

关于MIMO系统信道容量的研究,主要是计算各类型信道及各种系统的容量表达式,包括上下界限、近似解和精确解。

在计算信道容量方面,开始都假设信道之间的衰落是独立的,在这种假设下得到了各种容量的表达式。

然而现实情况中由于无线终端或基站周围散射体的缺失、移动设备尺寸的限制等原因,信道衰落往往是相关的。

所以在后续研究中,一般都考虑信道是相关的。

但是由于数学上的困难,直到最近才有信道半相关情况下的一些容量结果。

而对于信道两边同时相关的情况,目前发表的研究结果较少。

近几年被提出的天线选择技术,由于即能保持MIMO系统的优点,又能降低MIMO系统的复杂度和成本,也成为研究的热点。

理所当然,天线选择MIMO系统的容量问题也是一个重点研究对象。

然而同样由于数学上的困难,目前对于两端同时进行天线选择的MIMO系统,因为无法得到所选信道矩阵的概率密度函数,使得该系统的容量问题成为一个难点。

在容量研究中,除了纯粹的计算问题之外,还有一类和容量相关的系统优化问题。

此类问题主要是发生在自适应系统,在容量最大化准则下进行系统的优化,对系统资源进行调度。

目前研究较多的是自适应多用户多天线OFDM(正交频分复用)系统,因为多用户和子载波的合理搭配可以进一步提高系统容量。

然而目前的算法存在着较多问题,如普适性不强,考虑系统过于特殊等。

基于以上问题,本文主要对多输入多输出天线(MIMO)系统信道容量相关问题进行了研究。

本文的主要工作包括:[1]本文中首次将和MIMO系统信道容量相关的数学问题进行了一些整理,总结了一些常用推导方法和数学工具,主要包括1)多元统计分析知识,主要是Wishart矩阵概率密度函数及其性质;特别对于Wishart矩阵的性质在信道容量求解过程中的作用进行了详细的描述。

《MIMO-OFDM系统中信道估计及信号检测算法的研究》篇一一、引言在现代无线通信系统中，多输入多输出（MIMO）技术和正交频分复用（OFDM）技术被广泛地应用。

MIMO技术通过在发射端和接收端配置多个天线，可以有效地提高系统的数据传输速率和通信质量。

而OFDM技术则通过将频带划分为多个子信道，并在每个子信道上独立地调制信号，能够抵抗多径干扰和频率选择性衰落的影响。

然而，这两种技术都面临着复杂的信道环境和噪声干扰等问题，因此需要研究和设计有效的信道估计和信号检测算法。

本文将针对MIMO-OFDM系统中的信道估计及信号检测算法进行研究。

二、MIMO-OFDM系统概述MIMO-OFDM系统结合了MIMO和OFDM两种技术的优势，能够提供更高的数据传输速率和更好的通信质量。

在MIMO-OFDM系统中，多个天线同时发送和接收信号，每个天线之间相互独立，从而提高了系统的空间复用能力和分集增益。

同时，OFDM技术将频带划分为多个子信道，使得每个子信道上的信号可以独立地进行调制和解调，从而有效地抵抗了多径干扰和频率选择性衰落的影响。

三、信道估计算法研究信道估计是MIMO-OFDM系统中的重要环节，其目的是通过对接收信号进行处理和分析，估计出信道的状态信息，为后续的信号检测和均衡提供依据。

常见的信道估计方法包括基于导频的信道估计方法和基于盲信道估计方法。

基于导频的信道估计方法是在发送端定期发送已知的导频信号，接收端通过接收到的导频信号和已知的导频信息进行比较，从而估计出信道的状态信息。

这种方法简单易行，但需要占用一定的频带资源。

基于盲信道估计方法则是利用接收到的数据信号进行信道估计，不需要额外的导频信号。

常见的盲信道估计方法包括最小二乘算法、最大似然算法、迭代软判决算法等。

这些方法可以通过对接收到的数据进行迭代和优化处理，从而更准确地估计出信道的状态信息。

四、信号检测算法研究信号检测是MIMO-OFDM系统中的另一个重要环节，其目的是从接收到的信号中检测出发送端发送的数据信息。

目录摘要 (I)ABSTRACT (II)引言 (1)1绪论 (2)1.1多输入多输出系统概论 (2)1.1.1什么是多输入多输出 (2)1.1.2多输入多输出的优点 (2)1.2多输入多输出技术分类 (2)1.3多输入多输出研究现状 (3)1.3.1取得的进展 (3)1.3.2存在的问题 (3)1.4多输入多输出应用前景 (4)1.4.1无线宽带移动通信系统 (4)1.4.2传统蜂窝移动通信系统 (5)1.5本论文的主要内容 (5)2MIMO无线通信系统 (6)2.1MIMO系统的信道容量 (6)2.1.1MIMO信道模型 (6)2.1.2SISO信道容量 (8)2.1.3MIMO信道容量 (8)2.2无线通信衰落特性 (9)2.2.1无线信道传播特性 (9)2.2.2三种经典的衰落分布 (10)3MIMO系统信道容量分析 (12)3.1平均功率分配的MIMO信道容量 (12)3.2MIMO系统遍历信道容量 (12)3.3MIMO系统发射端已知的信道容量 (14)4MIMO信道模型的仿真设计 (17)4.1MIMO系统的遍历信道容量仿真 (17)4.2MIMO系统发送端已知的信道容量仿真 (18)总结 (20)致谢 (21)参考文献 (22)附录 (23)摘要多输入多输出技术是无线通信领域智能天线技术的重大突破，它扩展了一维智能天线技术，具有极高的频谱利用率，能在不增加带宽的情况下提高通信系统的容量。

本文中首先对MIMO系统的发展历史以及应用前景等进行了基本的介绍。

并对MIMO 技术的原理、模型以及信道容量进行了基本的分析。

介绍了无线信道的传播特性以及三种衰落分布。

还对信道容量的分析方法进行了介绍，例如平均功率分配法以及发送端已知信道参数的信道容量（用注水算法进行分析），介绍了MIMO系统的遍历容量。

最后利用MATLAB对信道容量进行了相应的仿真。

关键词：MIMO信道容量平均功率分配法注水法A BSTRACTMIMO is major breakthrough in the field of wireless communications intelligence antenna technology.It extends the one-dimensional intelligence antenna technology,which has extremely high spectrum efficiency,and improves the capacity of communication system without increasing bandwidth.The thesis goes first to the basic introduction of the development history and application perspective of the MIMO system.Then,a brief analysis about the principle,models and channel capacity of MIMO is given,which presents the propagation feature and three wireless channel and the three types of fading distribution of wireless channel.It also introduces the analysis methods of the channel capacity.For instants,the average power distribution method and the known channel of transmitter of the channel capacity.(Evaluating with the water-filling methods),and the ergodic capacity of MIMO system.At last,by applying the MATLAB,this thesis does the emulation according to its characteristics.Keywords:MIMO；channel capacity；the equal power allocation；water-filling引言MIMO(Multiple Input Multiple Output)技术作为无线通信领域的智能天线技术的重大突破，能在不增加带宽的基础上成倍的增加信道容量和频谱利用率。

MIMO系统信道模型及信道容量MIMO通信技术与正交频分复用OFDM技术相结合是3G移动通信时代和后3G时代的关键技术之一，不仅能进一步提高频谱利用率，抗频率选择性衰落还具有良好的抗多径干扰等能力，本文针对MIMO-OFDM信号检测算法展开研究，在接收端和发送端分别采用多天线能显著地提高系统容量，但容量的提高必须采用合适的信号处理技术，现在有各种方案可应用到MIMO系统，如最大似然（ML）检测算法、迫零（ZF）检测算法、最小均方误差（MMSE）检测算法、V-BLAST检测算法等，人们提出了各种各样的改进算法，为了评估这些信号检测算法的特性，必须建立一个合适的基于MIMO系统的无线信道模型标签：OFDM技术；MIMO通信技术；信道容量1 MIMO系统的频率选择性信道模型在实际的MIMO无线系统中由于无线传输线路伴随着各种衰落和多径效应的广泛存在，使MIMO通信系统的信道的频率随时间不断变化。

当信道的时延扩展远远大于或相当于符号的持续间隔。

发送的信号发生了时间色散现象，这样就引起了码间串扰（ISI），接收端所接收到得信号中包含了经历衰减和时延的发送的多径信号，产生了接收信号失真。

这样的信道称为频率选择性信道，如图1所示。

为MIMO系统的信道矩阵。

假定信道服从瑞利分布，中的元素是均值为零的高斯随机变量。

是MIMO信道在第径，时的信道脉冲响应。

当时对应频率平坦性衰落信道矩阵。

信道的协方差矩阵可近似发射端的协方差矩阵与接收端的协方差矩阵的Kronecke积，所以第径MIMO信道脉冲响应的协方差矩阵为，其中和分别是发射端和接收端第径的协方差矩阵。

其中为接收角扩展度，为接收天线的间距，为发射角扩展度，为发射天线的间距。

2 无线通信系统信道容量分析3 小结MIMO信道的容量在很大的程度上取决于天线之间的相关性能和MIMO信道矩阵的满秩情况。

在MIMO信道模型中，考虑相关性的方式类似于通常在波束形成（BF）信道模型中的做法，用一个相关矩阵前乘或后乘信道矩阵来控制天线的相关度，使其成为路径角度、天线间隔和工作波长的函数。

MIMO系统中的信道建模与容量分析随着无线通信技术的不断发展，多输入多输出（MIMO）系统已成为提高无线信号传输效率和可靠性的重要技术手段。

MIMO系统通过在发送和接收端同时使用多个天线来实现多路传输和接收，并利用信道状态信息来优化信号传输。

为了有效地设计和优化MIMO系统，需要对信道进行准确的建模和容量分析。

首先，在MIMO系统中，信道建模是非常重要的一步。

信道建模即通过建立数学模型来描述信号在传输过程中所经历的衰落、延迟和失真等特性。

常用的信道模型包括射线模型、瑞利衰落模型和莱斯衰落模型等。

在MIMO 系统中，由于存在多个天线，信道建模需要考虑天线之间的空间相关性。

通常可以使用复正态分布来描述MIMO信道的相关性，其中的相关矩阵反映了天线之间的相关性和功率分配。

其次，容量分析是评估MIMO系统性能的重要指标。

容量分析可用于确定MIMO系统在给定条件下所能达到的最高数据传输速率。

基于信道状态信息的MIMO系统容量分析通常采用信息论的方法进行，而信息论关注的是在给定的信道条件下，数据可以以多快的速率传输而不发生误差。

因此，容量分析可以帮助我们确定有效的调制和编码方案，以最大化MIMO系统的数据传输速率。

在进行MIMO系统容量分析时，常用的性能指标包括信噪比、误码率和中位数吞吐量等。

信噪比是信号功率与噪声功率之比，可以衡量信号传输的质量。

误码率是指在给定信噪比条件下传输的错误比特数量，通常用于评估系统的可靠性。

中位数吞吐量是指在给定的信道条件下达到50%的数据传输速率，可以作为容量分析的参考指标。

进行MIMO系统容量分析时，需要先确定信道状态信息，即利用已有的信道测量数据或通过信道估计算法获取信道矩阵。

然后，根据所采用的调制和编码方案，通过信息论的方法计算出MIMO系统的容量。

常用的容量分析方法包括水容量法、差分熵和最大固定速率等。

除了信道建模和容量分析，还有一些其他方面需要考虑。

例如，天线选择和配置、功率控制、信道估计和预编码等都会影响MIMO系统的性能。

MIMO与OFDM：无线局域网核心技术分析-电脑资料MIMO技术与OFDM技术相结合被视为下一代高速无线局域网的核心技术，。

本文全面分析了MIMO与OFDM技术在无线局域网中的应用，探讨了MIMO、OFDM中的关键技术，并展望了其发展前景。

1.引言无线通信作为新兴的通信技术在日常生活中的作用越来越大。

近年来，无线局域网技术发展迅速，但无线局域网的性能、速度与传统以太网相比还有一定距离，因此如何提高无线网络的性能和容量日益显得重要。

目前，IEEE802.11已成为无线局域网的主流标准。

1997年802.11标准的制定是无线局域网发展的里程碑，它是由大量的局域网以及计算机专家审定通过的标准。

其定义了单一的MAC层和多样的物理层，先后又推出了802.1lb，a和g物理层标准。

802.1lb使用了CCK调制技术来提高数据传输速率，最高可达11Mbit/s。

但是传输速率超过11Mbit/s，CCK为了对抗多径干扰，需要更复杂的均衡及调制，实现起来非常困难。

因此，802.1l工作组为了推动无线局域网的发展，又引入0FDM调制技术。

最近，刚刚正式批准的802.1lg标准采用OFDM技术，和802.1la一样数据传输速率可达54Mbit/s。

另外，IEEE802.1la运行在5GHz的UNII频段上，采用OFDM技术。

但是，它不能兼容IEEE802.11b的产品，对于现在市场上占统治地位的IEEE802.11b来说，不能兼容就意味着推广存在着巨大的困难;其次，由于无线电波传输的特性，在5GHz上运行的IEEE802.1la覆盖范围相对较小。

IEEE802.11g工作在2.4GHz频段上，能够与802.1lb的WIFI系统互相连通，共存在同一AP的网络里，保障了后向兼容性。

这样原有的WLAN系统可以平滑地向高速无线局域网过渡，延长了IEEE802.1lb产品的使用寿命，降低用户的投资。

而对于今后要开展的在无线局域网中的多媒体业务来说，最高为54Mbit/s的数据速率还远远不够。