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【摘要】MIMO（Multiple Input Multiple output）技术是新一代无线通信系统采用的核心技术之一，能够在不增加带宽和发射功率的情况下成倍地提高通信系统的容量。本文对MIMO系统在平坦衰落信道下的信道容量进行了研究，并对MIMO系统在该信道下的容量进行了仿真。
【关键词】多入多出平坦衰落系统容量
一、引言
随着无线通信技术的发展，高速数据传输业务的需求已经越来越来迫切，然而无线通信借以提高数据传输速率的传统资源———信道带宽和发射功率———目前都已濒临饱和，因此依靠增加这两种资源来提高传输速率已经无法满足需求。而MIMO技术能够在不增加带宽和发射功率的情况下成倍地提高通信系统的容量，是新一代无线通信系统采用的核心技术之一[1]。
由于系统容量会受到采用的信道模型及天线相关性等因素的影响[2]，在分析MIMO系统的信道容量之前，必须建立一个具体的信道模型。
二、MIMO系统容量分析
2.1MIMO系统构架
发送端：数据在发送端，先进行信号编码，然后把串行数据转换成并行数据。最后对并行数据经行时空编码，空分复用到每个发射天线上，通过多天线发射出去。
信道：并行的空时编码数据经过调制发射后，传输的信道特性对数据的影响很大。本文的信道是建立在频率平坦衰落信道下的。
接收端：通过无线多径先对接收到的数据，经过时空解码，并行数据转换成串行数据，然后通过信号解码，还原成原来的信号。
2.2平坦衰落信道模型
无线通信信道可以分为三种模型，如图2所示（横坐标为传播距离，纵坐标为接收信号功率）。
（1）path loss：路径损耗。指电波在无障碍物下的直线传播所产生的损耗。
（2）slow fading：慢衰落，即平坦衰落信道。是由于电波在传播路径上遇到障碍物所产生的阴影效应引起的。
（3）fast fading：快衰落，即频率选择性衰落。是由于电波在传播中受到各种障碍物反射、散射所产生的多径效应引起的。
在平坦衰落（频率非选择性衰落）情况下，MIMO的信道模型相对比较简单，每对发射和接收天线间的子信道可以等效成一个服从Rayleigh衰落的子信道[5]。假设系统为M×N天线提供，M为发射天线个数，N为接收天线个数。从时域的角度考虑，输入输出的关系为：
Y=HX+N（1）
其中X为M×1发送信号矢量，Y为N×1接收信号矢量，N为加性高斯白噪声。
三、仿真和分析
在MATLAB平台上面，对MIMO系统经行仿真，得到容量与信噪比之间的关系如图3（横坐标为’信噪比dB’，纵坐标为’MIMO系统容量bit/s/Hz’）：
本次仿真对信道带宽做了归一化处理，做了三种情况下的系统容量仿真：（1）传统的单发送单接收天线，即不采用MIMO技术；（2）采用2个发送天线和2个接收天线的MIMO系统；（3）采用4个发送天线和4个接收天线的MIMO系统。
从仿真结果可以看出：（1）与传统的单发送单接收天线相比，MIMO通信系统能够明显地提高系统的容量。（2）当发射功率和信道带宽固定时，MIMO系统的容量将随着天线数的增加而增。（3）系统天线数目不变的情况下，提高系统的信噪比能够提高系统容量。
四、结束语
本文研究了平坦衰落信道下的MIMO系统的容量，先给出系统容量的数学模型，然后利用Matlab仿真软件对MIMO系统在该信道下的容量进行了仿真分析。研究结果表明：MIMO通信系统能够在不增加带宽和发射功率的情况下成倍地提高通信系统的容量。
参考文献
[1] Tolga M. Duman. MIMO通信系统编码[M].北京：电子工业出版社，2008
[2]康桂华.无线MIMO信道的模型、容量、估计和实现算法研究[D].杭州：浙江大学，2004，4
[3]黄韬，等. MIMO相关技术与应用[M].北京：机械工业出版社，2007
[4]柳忠荣.无线移动信道模型的研究与实现[D].成都：电子科技大学，2004，3
[5]宁波. MIMO信道模型及衰落信号的空域相关性分析[D].北京：北京邮电大学，2009，6
[6]倪涛.提高MIMO系统容量的功率分配与编码方法的研究[D].大连：大连理工大学， 2007，12
【关键词】多入多出平坦衰落系统容量
一、引言
随着无线通信技术的发展，高速数据传输业务的需求已经越来越来迫切，然而无线通信借以提高数据传输速率的传统资源———信道带宽和发射功率———目前都已濒临饱和，因此依靠增加这两种资源来提高传输速率已经无法满足需求。而MIMO技术能够在不增加带宽和发射功率的情况下成倍地提高通信系统的容量，是新一代无线通信系统采用的核心技术之一[1]。
由于系统容量会受到采用的信道模型及天线相关性等因素的影响[2]，在分析MIMO系统的信道容量之前，必须建立一个具体的信道模型。
二、MIMO系统容量分析
2.1MIMO系统构架
发送端：数据在发送端，先进行信号编码，然后把串行数据转换成并行数据。最后对并行数据经行时空编码，空分复用到每个发射天线上，通过多天线发射出去。
信道：并行的空时编码数据经过调制发射后，传输的信道特性对数据的影响很大。本文的信道是建立在频率平坦衰落信道下的。
接收端：通过无线多径先对接收到的数据，经过时空解码，并行数据转换成串行数据，然后通过信号解码，还原成原来的信号。
2.2平坦衰落信道模型
无线通信信道可以分为三种模型，如图2所示（横坐标为传播距离，纵坐标为接收信号功率）。
（1）path loss：路径损耗。指电波在无障碍物下的直线传播所产生的损耗。
（2）slow fading：慢衰落，即平坦衰落信道。是由于电波在传播路径上遇到障碍物所产生的阴影效应引起的。
（3）fast fading：快衰落，即频率选择性衰落。是由于电波在传播中受到各种障碍物反射、散射所产生的多径效应引起的。
在平坦衰落（频率非选择性衰落）情况下，MIMO的信道模型相对比较简单，每对发射和接收天线间的子信道可以等效成一个服从Rayleigh衰落的子信道[5]。假设系统为M×N天线提供，M为发射天线个数，N为接收天线个数。从时域的角度考虑，输入输出的关系为：
Y=HX+N（1）
其中X为M×1发送信号矢量，Y为N×1接收信号矢量，N为加性高斯白噪声。
三、仿真和分析
在MATLAB平台上面，对MIMO系统经行仿真，得到容量与信噪比之间的关系如图3（横坐标为’信噪比dB’，纵坐标为’MIMO系统容量bit/s/Hz’）：
本次仿真对信道带宽做了归一化处理，做了三种情况下的系统容量仿真：（1）传统的单发送单接收天线，即不采用MIMO技术；（2）采用2个发送天线和2个接收天线的MIMO系统；（3）采用4个发送天线和4个接收天线的MIMO系统。
从仿真结果可以看出：（1）与传统的单发送单接收天线相比，MIMO通信系统能够明显地提高系统的容量。（2）当发射功率和信道带宽固定时，MIMO系统的容量将随着天线数的增加而增。（3）系统天线数目不变的情况下，提高系统的信噪比能够提高系统容量。
四、结束语
本文研究了平坦衰落信道下的MIMO系统的容量，先给出系统容量的数学模型，然后利用Matlab仿真软件对MIMO系统在该信道下的容量进行了仿真分析。研究结果表明：MIMO通信系统能够在不增加带宽和发射功率的情况下成倍地提高通信系统的容量。
参考文献
[1] Tolga M. Duman. MIMO通信系统编码[M].北京：电子工业出版社，2008
[2]康桂华.无线MIMO信道的模型、容量、估计和实现算法研究[D].杭州：浙江大学，2004，4
[3]黄韬，等. MIMO相关技术与应用[M].北京：机械工业出版社，2007
[4]柳忠荣.无线移动信道模型的研究与实现[D].成都：电子科技大学，2004，3
[5]宁波. MIMO信道模型及衰落信号的空域相关性分析[D].北京：北京邮电大学，2009，6
[6]倪涛.提高MIMO系统容量的功率分配与编码方法的研究[D].大连：大连理工大学， 2007，12