MIMO系统无线信道容量的实验仿真.pdf

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1、科技创新与应用l2o14~18期科技创新MIMO系统无线信道容量的实验仿真侯大志t燕国云z(1、海军装备技术研究所，上海2000832、92608部队，上海200083)摘要：介绍了MIMO系统信道容量的计算方法，分析了天线数目对MIMO系统信道容量的影响，MIMO系统容量随最小天线数目的增加而增加，极大地提高了系统容量。利用Matlab对系统进行验证和仿真，验证对比了SISO、SIMO、MISO和MIMO系统在不同条件下的信道容量。关键词：MIMO；信道容量；Matlab；信噪比引言下面说明信道容

2、量与信道矩阵H的相关。假定m=min(nn0，定随着通信技术的发展，人们开始在收、发端使用多个天线进行义空域信号的处理，并发现通过增加空间维数获得系统的容量增加，于是得到了多人多出(MIMO)系统信道容量的表达式，这对传统的Q=1fH日Hs,<二(7)信道容量概念是一个巨大的发展。文章介绍了MIMO系统的信道容量算法，并利用Matlah仿真了天线数目增多对信道容量的影响，对是Q的一个特征值，可得：提高飞行器测控系统整体性能有较好的借鉴意义。兀(一入)=det(Al~一Q)1MIMO系统模型(8)假设

3、一个点对点的MIMO系统由n个发射天线、n个接收天线同时，通过式(6)将一ncr2／P替换式(8)中的得到：组成，则系统的信道模型如下图1所示。该系统信道的线性模型可以描述为：珥(1+等de“¨寿fq]v=Hx+n(1)若信道系数盯为随机变量，则式(6)、(9)表示的是瞬时容量，再通过对所有信道系数取均值得到平均容量。另外，当n不断增大时，使得Q—I，可以得到信道容量的近似式：ntz耋∞一于5导oPC：Wmlog2(1+-LT)Bit／sr1n、从式(10)可以看出，当发射天线数目很多时，信道容量随

4、的增大而线性增大，也就是说可以在不增加带宽和发射功率的情况下成倍地提高信道容量。3Matlab实验仿真分析及讨论3．1SISO、SIMO和MISO的仿真比较与分析零均值、方差为1的加性高斯噪声变量。下面对SISO(1x1)、SIMO(2x1)、SIM0(4x1)、MISO(1x3)和2MIMO系统信道容量的导出MISO(1x6)的确定性信道容量进行了仿真比较，仿真结果如下图2所示。分析比较仿真结果可知：当信道无衰落时，可对信道矩阵H进行奇异值分解，得到：Y=Hx+n—UDV+r／(2)其中，u与u∞

5、为酉矩阵，O(n×nJ的对角线上包含H的奇．]”。。。“u异值，上标+表示矩阵的共轭转置。将式(2)左乘得：UY=DV++n=嚆+五(3){，一矩阵HH+的非零特征值的数量等于矩阵H的秩，用表示。对jnr)(n的矩阵H，秩的最大值为m=min(nn0。用、／表示矩阵H的奇二．．．．．．．．_．．一一-’．-．1_．_．__．

6、异值。将、／i代入式(3)中，得到接收信号为：O51020M30SNR(dB)：一，{l√置+，(=，2，‘·‘7)(41曩，(一+1，吖+2，···nr)图2SISO、SIM

7、O和MISO信道图3SISO和MIMO信道容量比较图接收元素(，丫+1，+2，⋯n，)与发射信号无关，即信道增益容量比较图为零。可以认为，通过式(4)得到的等效MIMO信道是由个去耦平(1)在同一信噪比条件下，SIMO系统比SISO系统容量有一定行子信道组成的，为每个子信道分配的矩阵H的奇异值相当于信道的提高，其中SIMO(1×2)容量约为SISO容量的1．2倍，sIM0(1x4)幅度增益。所以，并行独立信道的总容量为各子信道的容量之和，从容量约为SISO容量的1．6倍，这和理论结果基本一致。而得出

8、MIMO系统容量为：(2)在同一信噪比条件下，MISO系统较SISO系统的容量几乎没有提高，这主要是因为发射总功率被平均分到所有发射天线上，c：喜：c+㈦导致各发射天线的功率有所下降，在此情况下，其信道容量变化就不明显。式中，w为各子信道的带宽；P是在第i个子信道中接收的信3．2SISO和MIMO的仿真比较与分析号功率，P。P／n，其中、／为信道矩阵H的奇异值，P为发射总功下面对S1SO、MIMO(2x2)和MIMO(4x4)的确定性信道容量进率，盯为信道系数，则信道容量可写成：行了仿真比较。假设发

9、射天线和接收天线互不相关，仿真结果如下图3所示。通过仿真结果分析比较可知：在M=N=2和M=N=4的情c：1og～(1+)Bit／(6)况下，MIMO系统的信道容量近似为SISO的2倍和4倍，这一结果nto-是由于MIMO系统通过空间复用在空间产生了M条并行的子空间从式(6)可以看出，MIMO链路的信道容量很大程度上取决于矩信道，其总的容量等于各个子信道之和，从而大大地提高了信道容阵H的秩^y。可认为，MIMO系统可利用多径这种在传统通信中被量。认为是有害的因素，创造