MIMO信道容量的仿真分析

第21卷第1期 系统 仿 真 学 报© V ol. 21 No. 12009年1月 Journal of System Simulation Jan., 2009有限状态下MIMO 信道容量的研究及仿真分析肖 珂1，白文乐2，苏明超2，刘泽民1（1.北京邮电大学电信工程学院，北京 100876；2.北方工业大学信息工程学院，北京 100144）摘 要：研究了有限状态下MIMO 衰落信道容量，建立了输入为离散调制信号的MIMO 系统模型，证明了均匀分布为取得此时信道容量的最佳输入概率分布，并提出了一种基于Monte-Carlo 积分的估计方法，通过该估计方法比较了输入为PSK 和QAM 信号时的受限信道容量。

仿真结果表明，该估计方法近似程度好，复杂度低。

相同阶数时输入分别为PSK 和QAM 信号的信道容量近似相等，均匀分布的受限信道容量可认为是QAM 输入下MIMO 信道容量的下界。

关键词：MIMO ；信道容量；相移键控调制；Monte-Carlo中图分类号：TP391.9 文献标识码：A 文章编号：1004-731X (2009) 01-0036-03On Capacity of MIMO Fading Channel with Finite-size ConstellationXIAO Ke 1, BAI Wen-le 2, SU Ming-chao 2, LIU Ze-min 1(1. College of Telecommunication Engineering, Beijing University of Posts and Telecommunication, Beijing 100876, China;2. College of Information Engineering, North China University of Technology, Beijing 100144, China)Abstract: The capacity of the Multiple Input Multiple Output (MIMO) system with constellations was studied . It is proved that the uniform distribution is the best input probability distribution to compute the channel capacity. Based on Monte-Carlo integral, an estimation method of the discrete capacity was proposed . The proposed method was used to compare the PSK and QAM input capacities. Numerical results show that PSK input and QAM input capacities with the same modulation orders are approximately equal, and that the constrained channel capacity with uniform distribution can be considered as the lower bound of MIMO channel capacity with QAM input.Key words: Multiple-Input Multiple-Output; Channel Capacity; Phase-Shift Keying; Monte-Carlo引 言为了适应不断出现的新业务需求，提高数据率是无线通信不懈的目标。

浙江师范大学本科毕业设计(论文)正文目录摘要 (1)关键词 (1)英文摘要 (1)英文关键词 (1)1绪论 (2)1.1无线MIMO系统概述 (2)1.2MIMO通信系统仿真的发展现状和研究背景 (2)1.2.1 无线MIMO系统的发展现状 (2)1.2.2 无线MIMO系统的研究趋势 (3)1.3本文的主要工作及内容安排 (3)2无线MIMO通信系统理论基础 (4)2.1 MIMO技术基本原理 (4)2.2无线信道 (5)2.3 MIMO通信系统模型 (6)3 无线信道统计模型 (9)3.1 瑞利(Rayleigh)衰落模型 (9)3.2 莱斯(Rician)衰落模型 (10)3.3 Nakagami衰落模型 (10)4 互相关Nakagami衰落信道的产生方法 (11)4.1 Brute force法 (12)4.2 Sims仿真法 (12)4.3 分解合成法 (12)4.3.1 相关Nakagami信道产生步骤 (13)4.3.2 通过输入Nakagami协方差求高斯矩阵协方差 (13)4.3.3 产生Nakagami矩阵 (17)5 仿真以及结果分析 (19)5.1 Brute force法仿真以及结果分析 (19)5.2 Sims仿真法仿真以及结果分析 (20)5.3 分解合成法仿真以及结果分析 (21)6 总结 (23)参考文献 (24)移动通信中MIMO信道的仿真研究数理与信息学院通信工程何匡熙(10900121)指导老师：张筱燕（讲师）摘要：随着3G(The Third Generation,3G)的广泛使用，信息通信技术发展变化日新月异，为满足日益增长的通信需求，便在发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线，也就是应用MIMO(Multiple Input Multiple Output,MIMO)技术。

MIMO系统能够大大提高频谱利用率和系统的容量，在有限的无线频带下传输更高速率的数据信息，更是新一代移动通信的核心技术。

MIMO信道容量的仿真分析数字移动通信与个人通信论文题目：MIMO系统信道容量的研究学生姓名李其信学号201120952院系信息科学与技术学院专业信号与信息处理MIMO系统信道容量的研究李其信（西北大学信息科学与技术学院，陕西西安710127）摘要：本文首先对MIMO技术进行了简要介绍。

其次，从信息论角度研究了MIMO系统的信道容量，对平均分配天线发射功率下的几种典型系统(SISO、MISO、SIMO、MIMO)的平均信道容量进行了分析和比较，并对两类特殊的MIMO信道（全1信道和正交信道）的容量进行了特殊的分析，得到了信道容量的计算公式。

同时给出了当发射天线和接收天线数很大时的MIMO信道极限容量的估算方法。

关键词：多输入多输出（MIMO）系统；信道容量；中图分类号：文献标识码：A 文章编号：1001-2400(2XXX)0X-0-0Research on the Capaity for MIMO SystemLI QI-xin( College of Information Science and Technology, Northwest University, Xi’an 710127, China)Abstract: In this paper,firstly,it gives a brief introduction of MIMO technology. Secondly,some average capacities of several typical systems，such as SlSO，MISO，SIMO，MIMO，are theoretically analyzed and simulated from the point ofview of information theory．The difference among those typical systems is compared and the relationship between the capacity and different schemes of distributing power are discussed．And two types of special MIMO channel (all channels and orthogonal channel) capacity for a special analysis was calculated channel capacity.It gives the limit estimating method when the mumber of the transmitting and receiving antennas of MIMO.Key Words: MIMO(Multiple-Input Multiple-Output) channel capacity随着信息技术，尤其是互联网技术的迅猛发展，信息的载体形式由传统的文字形式向多媒体形传统的无线通信系统是采用单一发射天线和单一接收天线的通信系统，即所谓的SISO天线系统。

目录中文摘要 .................................................................................................................. 错误！未定义书签。

Abstract ..................................................................................................................... 错误！未定义书签。

第一章绪论 ............................................................................................................ 错误！未定义书签。

引言 .................................................................................................................. 错误！未定义书签。

1.1MIMO的概念 ........................................................................................... 错误！未定义书签。

1.2无线MIMO技术的研究现状 .................................................................. 错误！未定义书签。

1.2.1已取得的进展................................................................................. 错误！未定义书签。

学校代码 14199 学号 00909002 分 类 号 密级本科毕业论文（设计）教 学 部 信息工程教学部专业名称 通信工程年 级 2009级学生姓名 包宇坤指导教师 黄 威2013 年 5月 21 日 MIMO 系统的信道容量分析 及Matlab 仿真MIMO系统的信道容量分析及Matlab仿真摘要：MIMO技术是在通信系统的收发两端放置多根天线的一种通信技术。

多输入多输出技术是近年来无线通信领域理论研究的一个重大突破。

该技术能在不增加系统带宽和发射功率的前提下大大增加系统容量、提高系统频带利用率、改善系统的性能,从而成为新一代高数据率、多数据类型无线通信系统的关键技术。

众所周知,信道容量表示一个通信系统的极限传输率。

由于对容量分析结果会对实际通信系统的设计提供理论依据和指导。

因此,对MIMO系统信道容量的分析无疑是一个重要而基本的研究课题。

本文对MIMO系统进行了研究,主要集中在MIMO系统的信道容量分析。

首先从MIMO的概念入手，介绍了当前的无线通信技术。

然后围绕MIMO无线通信系统进行了展开，介绍了MIMO技术的基本原理、空时编码技术和MIMO系统的模型与容量。

随后对仿真软件MATLAB做了简单的介绍。

最后应用MATLAB软件对不同发射天线、不同接收天线、不同信噪比下的MIMO系统容量进行计算机仿真，并对仿真结果进行了分析。

关键字：MIMO技术,信道容量,空时编码,无线通信Channel capacity of MIMO systems analysis and Matlab simulationAuthor ：Bao YukunTutor ：Huang Wei Abstract：Multiple-input-multiple-output (MIMO) is a communication technology that multiple antennas are set transmitters and receivers. It is an important breakthrough in the area of wireless communication. The system capacity and frequency spectrum efficiency of communication systems can be improved by this technology without extra frequency bandwidth and with no additional power expenditure. MIMO is becoming a key technology of the new generation high data rate wireless mobile communication system. As well known , the channel capacity of a communications system is the limit of the transmission rate. The analysis results of capacity can provide the theoretical basis and guidance to the actual capacity communications system designed. Therefore, the MIMO system channel capacity analysis is an important and basic research topics.This paper investigates the MIMO system, mainly concentrated in the capacity of the MIMO system.First of all, from the perspective of the concept of MIMO, this paper introduces the current wireless communication technologies.Then revolves around MIMO wireless communication system, introduces the basic principle of MIMO technology space-time coding technique and model and the capacity of MIMO system. After this, the paper makes a simple introduction about the simulation software MATLAB.At last, applies MATLAB software to simulate this system in different transmitting antenna, different receiving antenna and different signal to noise ratio. And make some analysis of the simulation results.Keywords：MIMO technology，channel capacity，Space-Time Coding，wireless communication目录第1章绪论 11.1MIMO的概念 11.2无线MIMO技术的研究现状 21.3 论文的主要内容 3 第2章MIMO无线通信系统 42.1 MIMO技术的基本原理 42.2空时编码技术 52.2.1 空时编码技术及其分类 52.2.2 空时编码技术的应用前景 62.3 MIMO系统信道容量 62.3.1 MIMO系统信道模型 62.3.2 MIMO系统信道容量推导9 第3章MIMO系统容量仿真143.1 MATLAB简介143.2搭建MATLAB仿真平台143.3 MIMO系统信道容量的仿真和结果分析16 结论18 致谢19 参考文献20 附录21第1章绪论未来移动通信的目标是，能在任何时间、任何地点、向任何人提供快速可靠的通信服务。

分布式天线系统MIMO信道容量分析一、内容综述随着无线通信技术的不断发展，分布式天线系统(Distributed Antenna System,DAS)已经成为现代通信系统中的重要组成部分。

特别是在MIMO(多输入多输出)技术的应用背景下，分布式天线系统为提高系统性能和频谱效率提供了有力支持。

本文将对分布式天线系统的MIMO信道容量分析进行全面梳理，旨在为相关领域的研究者和工程师提供一个理论参考和实践指导。

首先本文将介绍分布式天线系统的基本概念、组成结构以及其在MIMO通信中的优势。

在此基础上，针对MIMO信道容量分析的基本原理和方法进行详细阐述，包括信道容量的定义、计算公式、性能指标等。

此外本文还将重点讨论分布式天线系统在MIMO通信中的信道建模方法，如香农费诺方程、高斯谢泼德方程等，以及这些模型在实际应用中的局限性和改进策略。

其次本文将对分布式天线系统的MIMO信道容量进行深入研究，包括单用户和多用户两种场景下的信道容量分析。

针对单用户场景，本文将探讨分布式天线系统如何通过引入阵列自适应技术和空间分集技术来提高信道容量；而对于多用户场景，本文将研究分布式天线系统如何利用波束形成技术、空时分组码(SpaceTime Block Coding,STBC)等技术来实现多用户同时传输和共享信道资源，从而提高整体系统性能。

本文将结合国内外相关研究成果，对分布式天线系统的MIMO信道容量分析进行总结和展望。

通过对现有理论研究和实际应用的分析，本文将提出一些有针对性的建议和发展方向，以期为进一步推动分布式天线系统在MIMO通信中的应用和发展提供理论支持和技术指导。

1.1 背景介绍随着无线通信技术的飞速发展，多输入多输出(MIMO)技术已经成为现代无线通信系统的重要组成部分。

MIMO技术通过在发射和接收天线之间引入多个天线，极大地提高了无线通信系统的频谱效率、抗干扰能力和数据传输速率。

然而随着MIMO系统容量的提高，信道容量分析变得越来越复杂，尤其是在分布式天线系统中。

收稿日期：2006-03-06；修订日期：2006-04-29作者简介：贺中堂（1971-），男，江苏丰县人，讲师，博士研究生，主要研究方向：通信信号处理、空时信号处理； 张力军（1942-），男，浙江文章编号：1001-9081（2006）08-1799-03MIMO 系统各态历经信道容量的分析与仿真贺中堂1，张力军1，陈自力2（1.南京邮电大学通信与信息工程学院，江苏南京210003；2.徐州空军学院电工电子教研室，江苏徐州221000）(hezta@)摘 要：以信息论的观点为基础，在假设信道状态信息仅收端已知的情况下，采用等功率发射方案，研究了瑞利衰落信道下MIMO（多输入多输出）系统各态历经信道容量，推导了三种特殊MIMO 信道的各态历经信道容量表达式，以及在小信噪比下等收发天线MIMO 系统的容量近似公式，并通过仿真进行了验证，仿真结果表明该近似公式比较精确。

关键词：多输入多输出；各态历经信道容量；Wishart 分布函数；Gamma 函数中图分类号：TP393.03 文献标识码：AAnalysis and simulations for ergodic capacity channel of MIMO systemsHE Zhong-tang 1,ZHANG Li-jun 1,CHEN Zi-ii 2（1.School of Communication and Information Engineering,Nanjing Uniuersity of Posts and Telecommunications,Nanjing Jiangsu 210003,China ；2.Electrical and Electronic Teaching and Researching Offices,Xuzhou Airforce College,Xuzhou Jiangsu 221000,China ）Abstract:Under the assumption that the channei state information was avaiiabie oniy at the receiver,the capacity of MIMO systems in Rayieigh fading channei was investigated on the basis of information theory.Three speciai expressions for the MIMO capacity over ergodic fiat fading channei were derived.An asymptotic formuia for MIMO systems with eguai number of transmit and receive antennas in smaii SNR was aiso given.Simuiation resuits show that this approximation is reiativeiy accurate.Key words:MIMO;ergodic channei capacity;Wishart distribution function;Gamma function0 引言采用MIMO （多输入多输出）的无线通信系统可以带来比SISO （单发单收）系统更多的优点，比如增加通信系统容量、提高频谱利用效率，下一代（4G ）无线移动通信已考虑在移动台和基站设置多个收发天线。

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。

学校代码14199学号00909002分类号密级本科毕业论文（设计）教学部信息工程教学部专业名称通信工程年级2009级学生姓名包宇坤指导教师黄威2013年5月21日MIMO 系统的信道容量分析及Matlab 仿真MIMO系统的信道容量分析及Matlab仿真摘要：MIMO技术是在通信系统的收发两端放置多根天线的一种通信技术。

多输入多输出技术是近年来无线通信领域理论研究的一个重大突破。

该技术能在不增加系统带宽和发射功率的前提下大大增加系统容量、提高系统频带利用率、改善系统的性能,从而成为新一代高数据率、多数据类型无线通信系统的关键技术。

众所周知,信道容量表示一个通信系统的极限传输率。

由于对容量分析结果会对实际通信系统的设计提供理论依据和指导。

因此,对MIMO系统信道容量的分析无疑是一个重要而基本的研究课题。

本文对MIMO系统进行了研究,主要集中在MIMO系统的信道容量分析。

首先从MIMO的概念入手，介绍了当前的无线通信技术。

然后围绕MIMO无线通信系统进行了展开，介绍了MIMO技术的基本原理、空时编码技术和MIMO系统的模型与容量。

随后对仿真软件MATLAB做了简单的介绍。

最后应用MATLAB软件对不同发射天线、不同接收天线、不同信噪比下的MIMO系统容量进行计算机仿真，并对仿真结果进行了分析。

关键字：MIMO技术,信道容量,空时编码,无线通信Channel capacity of MIMO systems analysis and Matlab simulationAuthor：Bao YukunTutor：Huang Wei Abstract：Multiple-input-multiple-output(MIMO)is a communication technology that multiple antennas are set transmitters and receivers.It is an important breakthrough in the area of wireless communication.The system capacity and frequency spectrum efficiency of communication systems can be improved by this technology without extra frequency bandwidth and with no additional power expenditure.MIMO is becoming a key technology of the new generation high data rate wireless mobile communication system.As well known, the channel capacity of a communications system is the limit of the transmission rate.The analysis results of capacity can provide the theoretical basis and guidance to the actual capacity communications system designed.Therefore,the MIMO system channel capacity analysis is an important and basic research topics.This paper investigates the MIMO system,mainly concentrated in the capacity of the MIMO system.First of all,from the perspective of the concept of MIMO,this paper introduces the current wireless communication technologies.Then revolves around MIMO wireless communication system,introduces the basic principle of MIMO technology space-time coding technique and model and the capacity of MIMO system.After this,the paper makes a simple introduction about the simulation software MATLAB.At last,applies MATLAB software to simulate this system in different transmitting antenna,different receiving antenna and different signal to noise ratio.And make some analysis of the simulation results.Keywords：MIMO technology，channel capacity，Space-Time Coding，wireless communication目录第1章绪论11.1MIMO的概念1.2无线MIMO技术的研究现状21.3论文的主要内容3第2章MIMO无线通信系统2.1MIMO技术的基本原理42.2空时编码技术52.2.1空时编码技术及其分类52.2.2空时编码技术的应用前景62.3MIMO系统信道容量62.3.1MIMO系统信道模型2.3.2MIMO系统信道容量推导9第3章MIMO系统容量仿真3.1MATLAB简介3.2搭建MATLAB仿真平台3.3MIMO系统信道容量的仿真和结果分析16结论18致谢19参考文献20附录21第1章绪论未来移动通信的目标是，能在任何时间、任何地点、向任何人提供快速可靠的通信服务。