1、I / 42 畢業畢業 設設 計（論計（論 文）文）題 目：基于 MATLAB 的 MIMO 系統信道容量 與性能分析 畢業設計（論文）誠信聲明書畢業設計（論文）誠信聲明書本人聲明：本人所提交的畢業論文基于 MATLAB 的 MIMO 系統信道與其性能分析是本人在指導教師指導下獨立研究、寫作的成果，論文中所引用他人的文獻、數據、圖件、資料均已明確標注；對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式注明并表示感。II / 42本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔。論文 （簽字）時間：2015 年 6 月 5 日指導教師已閱：（簽字） 時間：2015 年 6 月 5 日郵電大學畢業

2、設計(論文)開題報告通信與信息工程 學院電子信息科學與技術專業 10 級 03 班III / 42課題名稱：基于 MATLAB 的 MIMO 系統信道 容量與其新能分析學生： 易海博 學號：03102085指導教師： 高佛設報告日期：2015 年 3 月 26 日郵電大學本科畢業設計（論文）開題報告學號03102085易海博導師高佛設題目基于 MATLAB 的 MIMO 系統信道容量與其性能分析IV / 42選題目的（為什么選該課題） 多輸入多輸出(MIMO)系統是近十年來現代數字通信領域最重大的技術突破之一。該技術催生了許多先進通信技術，被認為是解決未來無線通信領域信道容量和頻譜傳輸速率的的

3、關鍵技術之一。MIMO 系統發明之后，在短短幾年被廣泛應用，其優勢在于潛在容量巨大，且隨著收發天線數目較小的一方呈線性增長。MIMO 通信系統可以在不需要增加額外帶寬和額外功率的條件下，顯著地提高信道容量和頻譜利用率，這一特性使它成為無線通信領域研究的熱點。但由于使用多根天線同時發射信號，這就增加了接收端信號檢測的難度，信號檢測的好壞直接關系到該系統的整體性能，所以信號檢測技術的研究是該領域研究的一個熱點之一。然而，MIMO 系統大容量的實現和系統其它性能的提高以與 MIMO 系統中用的各種信號處理算法的性能優劣都極依賴于 MIMO 信道的特性，特別是個天線之間的相關性。最初對 MIMO系統性

4、能的研究與仿真通常都是在獨信道的假設下進行的，這與實際的 MIMO 信道大多數情況下具有一定的空間相性是不太符合的。MIMO 系統的性能在很大程度上會受到信道相關性的影響。因此，建立有效的能反映 MIMO 信道空間相關特性并且適用于系統級和鏈路級仿的 MIMO 信道模型對于選擇合適的處理算法來評估系統性能就顯得相當重要。前期基礎（已學課程、掌握的工具，資料積累、軟硬件條件等）已學課程：線性代數 A，概率論與隨機過程 B，基于 Simulink 的通信系統，信號分析仿真，數字信號處理 A，信息論與編碼 A，數字信號處理器原理 B，數字通信系統設計，信號檢測與估值，軟件無線電掌握工具：VC+6.0

5、 和 visual studio 編譯器，Matlab資料積累：1.熟悉 MATLAB2.4G LTE 物理層的 MIMO 技術3.SISO、SIMO、MISO、MIMO 系統在慢衰落瑞利信道條件下的信道容量表達式進行理論推導4.MIMO 系統信道容量的分析和計算機仿真軟件條件：Windows 系統 ,matlab硬件條件：PC 機一臺（為軟件提供基礎）V / 42要解決的問題（做什么）1.對 MIMO 無線衰落信道模型和衰落統計特性的研究是設計空時處理和編碼法、進行 MIMO無線鏈路性能仿真和系統容量評估的首要問題。目前的研究主包括兩個方面：一方面是對MIMO 信道衰落空時統計特性的測量和理

6、論分析；一方面是對 MIMO 信道建模方法的研究。2.MIMO 信道模型的多天線的拓撲結構和擺放方式已不僅局限于陣列形式，還包括小尺度圍的分集形式和擴展到大尺度的分散布置形式。此外，影響 MIMO 信道衰落特征的因素將同時包括接收和發送端周圍的空間和時間的衰落統計特性，這導致了從理論上描述 MIMO 信道空時衰落特征的統計特性的困難，也引發了 MIMO 信道建模的合理性、準確性和復雜度等問題。因此，如何構建準確的 MIMO 信道模型來仿真現實的信道環境成為目前研究的重點。工作思路和方案（怎么做）1.本課題主要研究 MIMO 球形譯碼檢測算法性能，主要的技術指標如下：信道容量：它代表每秒或每個信

7、道符號能傳送的最大信息量，或者說小于這個數的信息率必能在此信道中無錯誤地傳送。是描述系統有效性的標準。2.選定題目，并開始查找相關資料了解題目含義；確定研究容并完成開題報告；重點學習 MIMO 相關知識，對基于瑞利信道的多天線系統進行建模，并著手論文的相關部分容。3.查閱相關文獻，了解無線衰落信道的基本特征，分析無線通信系統的大尺度衰落和小尺度衰落的類型，同時完成此部分論文。查閱相關文獻，研究發生頻率選擇性衰落時間選擇性衰落和空間選擇性衰落的條件，以與慢衰落和快衰落的概念，同時完成此部分論文。4.在 MATLAB 仿真軟件上實現 SISO、SIMO、MISO、MIMO 系統在慢衰落瑞利信道條件

8、下的信道容量仿真。5.完成論文，并仔細修改，準備答辯；畢業答辯。指導教師意見簽字： 2015 年 3 月 30 日VI / 42郵郵電電大大學學畢畢業業設設計計 ( (論論文文) )成成績績評評定定表表學生易海博性別男學號03102085專 業班 級電科 1003 班課題名稱 基于 MATLAB 的 MIMO 系統信道容量與其性能分析指導教師意見評分（百分制）：指導教師( (簽字) )：年月日評閱教師意見評分（百分制）：評閱教師(簽字)：年月日驗收小組意見評分（百分制）：驗收教師(組長)(簽字)：年月日答辯小組意見評分（百分制）： 答辯小組組長(簽字)：年月日評分比例指導教師評分 20() 評

9、閱教師評分 30() 驗收小組評分 30() 答辯小組評分 20()學生總評成績百分制成績等級制成績答辯委員會意見畢業論文(設計)最終成績(等級)：學院答辯委員會主任( (簽字) )：年月日頁碼為阿拉伯數字，引言為第一頁VII / 42目錄目錄摘要摘要 I IABSTRACTABSTRACT -IIII引言引言 1 11 1緒論緒論 2 21.1選題背景 21.2LTE 的研究背景 21.3MIMO 的研究意義 31.4論文的主要工作和貢獻 42LTE2LTE 系統介紹系統介紹 5 52.1LTE 的關鍵技術 52.1.1LTE 系統和物理層相關的性能指標 52.1.2多載波技術 52.2LT

10、E 的工作方式 62.2.1FDD 雙工方式 62.2.2TDD 雙工方式 62.2.3H-FDD 雙工方式 72.3無線幀結構 82.3.1幀結構類型 182.3.2幀結構類型 292.4LTE 的關鍵技術 MIMO102.4.1MIMO 系統的概念 102.4.2MIMO 系統常見的幾種傳輸模式 112.4.3MIMO 系統的優點 123 3無線衰落信道的基本特征無線衰落信道的基本特征 14143.1大尺度衰落 143.1.1路徑損耗 143.1.2陰影衰落 143.2小尺度衰落 153.2.1頻率選擇性衰落 153.2.2時間選擇性衰落 153.2.3空間選擇性衰落 153.2.4Ray

11、leigh 和 Rice 衰落 173.3本章小結 184MIMO4MIMO 信道建模信道建模 19194.1信道容量的分類 194.2發送端未知信道 CSI 時 MIMO 信道容量 21VIII / 424.3SISO、SIMO 和 MISO 信道容量 234.3.1單輸入單輸出 SISO 系統 234.3.2單輸入多輸出 SIMO 系統 244.3.3多輸入單輸出 MISO 系統 255 5結束語結束語 2828致致 2929參考文獻參考文獻 3030I / 42摘要摘要近年來，隨著無線通信的迅猛發展，多輸入多輸出(MultipleInput MultipleOutput，MIMO)技術已

12、逐漸成為核心技能之一。首先不加多帶寬，其次不增加分外發射功率的前提條件下，信息的傳輸可以實現高速率，因而在有限的頻率帶寬上可以完成更高速度信息傳輸的要求，這對稀缺的頻譜資源的解決方案提供了強有力的技術條件，因此具有廣闊的應用前景的移動通訊體系。不過，在現實通訊情況中 MIMO 的通訊機能長受到無線信道衰落特色的影響，是以 MIMO 的大圍使用仍面臨著大批尚待解決的問題。故需要對無線 MIMO 容量進行深入的研究。LTE 物理層的 MIMO 技術使了用空間的自由度，在發射端和接收端采納多天線技術，充分發掘了潛在的空間資源，能夠在不增添頻率資源和天線發射功率的條件下，成倍的升高系統的頻帶利用率和吞

13、吐量。本論文調查研究了 4G LTE 物理層的 MIMO技術，包括 LTE 體系網絡結構、關鍵技術和幀結構等。對 MIMO 體系的信道容量進行了剖析和計算機仿真，在理論角度上推導和剖析對比了 SISO、SIMO、MISO、MIMO 系統信道容量表達式，這個推導的過程是在在慢衰落瑞利信道條件下進行的。文章還分析了無線信道的基本特征和無線信道的多徑效應，推導和描述了多徑衰落的頻率選擇性和信道響應時變特性的參數，推導了萊斯信道模型和瑞利信道模型的使用條件，并且要給出典型模型的具體數學表達。關鍵字：多輸入多輸出；衰落II / 42ABSTRACTABSTRACTMIMO(Multiple-Input

14、Multiple-Output)technology is one of the key technologies to realize the high-speed broadband wireless communication in the future，with a broad application prospectHowever, compared to the conventional single-antenna communication system，the multi-antenna application of MIMO encounters with a large

15、number of issues to be examinedThe performance of MIMO communication depends largely on the fade characteristics of the radio channelsHence，researches on the modeling of the wireless MIMO fading channel and the simulation technology ale needed in order to facilitate the development of the wireless M

16、IMO communication techniquesThe MIMO technology of LTE physical layer use the spatial degrees of freedom, and utilize the multi antenna technology at transmitting end and receiving end, fully exploit the space resources, could increase the system bandwidth utilization and throughput doubled in the c

17、ase of doesnt increase the frequency and antenna transmit power. This paper studied the MIMO technology of 4G LTE physical layer, including the network structure, key technology and frame structure of LTE system. In this paper, the channel capacity of MIMO system is analyzed and simulated, SISO, SIM

18、O, MISO, MIMO system channel capacity expressions under conditions of the slow fading Rayleigh channel are derived and be analyzed and compared. We also analyzed the basic characteristics and the multipath effect of wireless channel; derived and described the frequency selective of multipath fading

19、and the parameters of channel response time-varying characteristics; deduced the Ricean channel model and Rayleigh channel model using conditions; and given a detailed mathematical expression of a typical model.Keywords:MIMO fade 1 / 42引言引言未來移動通信要滿足在任何時間、任何地點、向任何人提供快速可靠的通信服務的要求，將擁有高的數據傳輸率、高的頻譜利用效率、低

20、的發射功率、靈活的業務支撐能力，會把無線通信的傳輸容量和速率提高十倍乃至數百倍。隨著各種寬帶數據業務和無線通信業務的不斷發展，無線資源，特別是頻譜資源變得越來越緊，高效地利用有限的通訊資源已經成為了無線通信技術發展的關注所在。研究表明，多天線的 MIMO 技術可以在不增加系統帶寬和天線總發送功率的情況下，充分使用空間資源，有效的對抗無線信道的衰落，大大提高系統的信道容量和頻譜利用率。第 1 章設置為緒論，主要述了 LTE 的研究背景與 MIMO 是研究意義。在第 1 章的最后討論了本篇文章的各章的主要研究容與論文的主要架構與其貢獻。第 2 章主要講述了 LTE 的關鍵技術和工作方式，無線幀結構

21、關鍵技術 MIMO，得出 MIMO 系統的優點 MIMO 技術利用多天線配置，充分利用時空資源，改善在衰落信道下的系統容量。第 3 章主要介紹了無線衰落信道的基本特征，小尺度衰落影響著本地區域接收機天線上的時延和信號電平動態衰落圍。無論信號帶寬為多少，本地區域的平均信號電平都是不變的。本章著重描述了無線信道的基本特征類型，并對大尺度衰落和小尺度衰落模型中的進行詳細研究。文章詳盡描述了瑞利衰落信道模型和萊斯衰落信道模型。第 4 章是 MIMO 信道建模，并分別對 SISO,SIMO,MISO 系統進行仿真。第 5 章致。2 / 421 1緒論緒論1.11.1選題背景選題背景通過幾十年的發展演進的

22、移動通信系統，從開始到現在已經過了幾次。其中，第一代的移動通訊系統(也就是 1G)產生在二十世紀八十年代，僅僅實現了可以通訊的原始要求，這是一種基于模擬的信號方式的移動通信體制。從 2G 開始,移動通信系統開始了第一次重大變革，引入了數字化的概念。3G 移動通信系統是一種創新，這種創新具有寬帶高速移動通信的世界。長期演進(LTE, Long Term Evolution)系統12是 4G 系統。事實上，更確切地說，4G 系統指的是 LTE 系統的 Release10。這個版本也被稱為 LTE-Advanced，并有很多的傳輸速率的提高，等等。3GPP (3rd Generation Partn

23、er Project)機構，全稱為第三代合作伙伴計劃，根本掌管促成 LTE 項目（通用移動通訊體系技術的長期演進項目） 。源委大批高級優秀的技術人才進行研發和考證，LTE 項目在許多方面都符合了第四代通訊技能的要求和具有第四代通信技巧的特征，我們稱之為“準 4G”技能。從 2008 年以后，技能人員對更為優越的 LTE-A 系統舉行了更深入體系的鉆研，在本來的已經妥帖研究LTE 技能的根本基礎之上，通過添加一些先進的通信技術和原有技術的提高，在速度上相對于原 LTE 系統 LTE-A 系統的性能有很大的提高，真正根據 4G 系統的要求完成。在眾多 4G 標準中,LTE 系統標準占據了一個舉足輕

24、重的位置。1.21.2LTELTE 的研究背景的研究背景在低層面上，為了對付 WIMAX 標準的市場之間的競爭，在高層面上，為了融合寬帶無線接入與移動通訊，3GPP 驅動了 LTE 項目。早期的寬帶無線接入定位于替換有線寬帶接入（如數字用戶線（Digital Subscriber Line） ）技術，它的發展經歷了固定本地接入，游牧城域接入到廣域移動接入的過程，體現出了明顯的“寬帶接入移動化”的趨勢，以因特網（Internet）為代表的信息技術（IT）行業移動普與帶來了新的機遇，也為傳統的移動通信行業已經形成了競爭和挑戰。在保持蜂窩轉移實力的同步要求，3GPP 和3GPP2 越來越看重低速的局

25、部域場景下的進入能力，移動通信寬帶化的趨勢帶來了移動通信業從傳統的語音服務擴展到寬帶數據服務領域的一個新的機會。基于“移動通訊寬帶化”的認識以與應答“寬帶接入移動化”挑釁的要求，3GPP 起頭了“長期演進”的過程3。在 LTE 項目的推出是對移動通信的寬帶行業的共識。但是一次偉大的技術變革，不是一朝一夕就能夠實現的。先進無線通信技能的鉆研一定要佇立在學術界和基礎鉆研領域豐富的技術儲藏的底子之上。包括相關的數學，物理，無線電工程，也是3 / 42通信理論、信號處理、無線資源管理和其他方面的理論積累。OFDM 和 MIMO 技術一直被認為是 B3G/4G 的關鍵技術。在 IMT-Advanced

26、名目開動以前，國際上曾經對B3G 進行了寬泛的鉆研，并得到了一期期重大進展。早在第二十世紀末，貝爾實驗室，北電等企業開始應用 MIMO 技術的研究和開發，在美國北部，在 MIMO 技術的研究和開發一直處于領先地位。日本 NTT DoCoMo 公司在 2003 年的外場試驗選用 OFDM技能，在 100MHZ 帶寬中抵達了 100Mbits/s 數據傳輸速度，表現出了 OFDM/MIMO 技能在供應高的帶寬傳輸和岑嶺速度方面的巨強本領。2000 年，Flarion 公司研發了Flash-OFDM 系統，經歷商用組網測試初步考證了 OFDM 系統具有大規模組網本領。2006 年，數學國外移動通訊運

27、營商共同建樹了下一代移動網絡（Next Generation Mobile Network,NGMN）論壇，它引頸了新一代寬帶移動通信的趨勢，促進 NGMN 論壇變為無線通訊領域最具影響非標準化組織。國際研究和標準化工作，從促進 LTE項目的開發，或用于 LTE 的技術指標，或 LTE 認證設備可以實現與 LTE 的經驗教訓提供參考學習。同時，在全球寬帶移動通信的研究，我們也組織相關的研究，并積極參與國際交流和標準化工作。在“十五”期間，以高校為主的國家的“863”計劃在未來的大學為基礎的國家已表現出對中國 B3G 關鍵技術的研究實現。在實施基礎研究項目的同時，我國十分重視 B3G 等寬帶移動

28、通信的標準化工作。在隨訪中，國際標準化的學術交流活動，積極組織國相關標準化工作。我國踴躍投身于中國，日本和國(CJK)準則的共同項目。我國的一些單位還參與了歐洲 winner 項目，并且承擔了部分的研究工作4。1.3MIMO1.3MIMO 的研究意義的研究意義未來移動通訊要滿足無論何時、無論何地、向無論何人供給迅速牢靠的通訊辦事的要求。未來無線移動通信系統將擁有高的數據傳輸率、高的頻譜利用效率、低的發射功率、靈活的業務支撐能力，會把無線通信的傳輸容量和速率提高十倍乃至數百倍。跟隨各類寬帶數據交易和無線通訊業務的不停開發，通訊資源，特別是頻帶資源變得愈來愈重要，高速效率地使用數量稀少的通訊條件已

29、經變成了無線通訊技能變化的關注點。研究表明，多根天線的 MIMO 技術可以在不加多系統帶寬和天線總發送功率的情形下，充分使用空間資源，有用的抗衡無線信道的衰敗，大幅度提升體系的信道數據容量和頻譜條件利用率。然而，MIMO 體系高容量目標實現和體系其它本能指標和 MIMO 體系使用的各類信息計算方法的好壞很高程度上仰仗 MIMO 信道特色，特別是各個天線之間的相關性00。每每假如傳輸信道是單獨的，繼而對 MIMO 信道性能進行模擬，這與現實中的MIMO 信道肯定具有空間上的相互關性是矛盾的。信道相關聯的性質很高深度上會改4 / 42變 MIMO 體系的機能。1.41.4論文的主要工作和貢獻論文的

30、主要工作和貢獻本文重點研究 LTE-A 系統中的 MIMO 信道容量，文中對 MIMO 系統的信道容量進行分析和計算機仿真，在理論角度上推導和剖析對比了 SISO、SIMO、MISO、MIMO 系統信道容量表達式，這個推導的過程是在在慢衰落瑞利信道條件下進行的。分析了無線信道的基本特征和無線信道的多徑效應，推導了描述多徑衰落的頻率選擇性和信道響應時變特性的參數，推導了萊斯信道模型和瑞利信道模型的使用條件，并且給出了典型模型的具體數學表達。2LTE2LTE 系統介紹系統介紹1G使用蜂窩組網，標準：AMPS、TACS 等。采用模擬技術和頻域劃分多址(FDMA)等技術。5 / 422GIS-95，數

31、字技術，GSM，使 TDM、FDM、CDMA 提供數字語音業務和低速數據業務。3GTD-SCDMA、CDMA2000、WIMAX、WCDMA、 ，技能指示標準：室的速度達到2Mbps，室外的速度達到 385kbps，行車的速度達到 144kbps。能夠完成高速率傳輸，語音業務與寬帶多媒體，無線接入 Internet 等服務。4G(LTE)使用正交頻分復用與多輸入多輸出技術。在 200MHZ 體系帶寬下，下行峰值速度達到 100Mbps，上行峰值速度達到 50MHZ18。提供 IMS 等高速數據傳輸任務。2.1LTE2.1LTE 的關鍵技術的關鍵技術LTE 項目是 4G 標準(4th-Gener

32、ation)技術，這是優于現有的 3G 技術，具體表現方面如下：抬高了峰值速度和頻譜效用、系統帶寬安排十分變通、保障了服務質量而且很高程度上減小了網絡時延等19，這是 LTE-A 技術研究的前提和基礎，也是目前全球主流運營商的選擇。2.1.12.1.1LTELTE 系統和物理層相關的性能指標系統和物理層相關的性能指標（1）對變通系統支持寬帶圍 1.4-20MHZ。（2）支撐下行峰值速度高達 100Mbit/s，上行峰值速度也達 50Mbit/s。（3）同時支持 FDD 和 TDD 系統，并要求兩種系統的設計差異盡量小。2.1.22.1.2多載波技術多載波技術傳統意義上的頻分復用(FDM)和頻分

33、多址(FDMA)技術把相對來說比較寬的頻帶分解成許多個相對較窄的子載波來并行傳輸，在相鄰子載波之間保留較大的間隔，以此來避免各個子載波之間形成的串擾20。正交頻分復用(OFDM)的子載波間堆疊分布，并且子載波之間相互正交，用來防止各個子載波之間形成的干預。有一部分重疊分布的子載波能夠在很大程度上增進進頻譜效率的提升。LTE 的上下行鏈路分別采納單載波頻分多址(SC-FDMA)技能21和正交頻分多址(OFDMA)技能。LTE 物理層下行接收機信號處理框圖如圖 2-1 所示。其中接收端處理流程可以認為是發射端反向操作。6 / 42碼字解調解擾解資源粒子映射信道估計OFDM解調并串變換MIMO檢測O

34、FDM解調圖 2-1 LTE 下行鏈路接受端信號處理示意框圖2.2LTE2.2LTE 的工作方式的工作方式定義 LTE 項目為 3G 技術的演進，按照 3GPP 的要求，LTE 既要支持在成對頻譜中的部署，又要支持在非成對頻譜中的部署，以此來使用現在所有的 3G 頻段，并在未來當第二代移動通訊體系退出網絡后，它可以重復使用留出的頻段。是以，LTE體系需求支撐 TDD 和 FDD 兩雙工模式。同時，LTE 還考慮支持半雙工 FDD(Half-duplex FDD, H-FDD)這種特殊的雙工方式。2.2.12.2.1FDDFDD 雙工方式雙工方式FDD 雙工方式是指在蜂窩通信系統中的上行鏈路信號

35、下兩不同頻段的信號分別發送，某些特定頻段保護間隔是上行和下行頻段之間留。為了避免干擾之間的上行鏈路和下行鏈路信號。HDD 使用上下行成對頻段，信號的發射與接收可以同時進行，因而減少了上下行信號間的反饋時延。FDD 雙工方式在功率控制、鏈路自適應、信道和干擾反饋等方面有獨特的優勢。2.2.22.2.2TDDTDD 雙工方式雙工方式TDD 雙工方式中，發射與接收信號在同一頻帶，上行信號和下行信號由不同的時間段的發送來識別。TDD 雙工方式的信號能夠在不是成對的頻段發送，因而相比于 FDD 系統擁有配置靈活的特點。同時，因為上下行信號占用的無線信道資源能夠通過調節上下行時隙間的比例靈活更改，非常適應

36、于 3G 和 B3G 等以 IP 分組業務為主要特性的移動蜂窩網絡。TDD 能夠使用信道的對稱性，這給系統的信道估計的簡便，信號測量和多天線技術帶來了益處。近年來隨著 TD-SCDMA(Time Division-Synchronous Code Division Multiple Access，時分同步碼分多址)產業的不斷完善以與 TDD 設備的日趨成熟，蜂窩移動通信領域加大了對 TDD 系統的研究力度，在隨后的演進系統中 TDD 雙工模式將會扮演更加重要的作用。7 / 422.2.3H-FDD2.2.3H-FDD 雙工方式雙工方式H-FDD 是相對于現有的 FDD 而言的另一種雙工方式。在

37、半雙工 FDD 中，基站應用全雙工 FDD 形式，盡管采用成對頻譜終端的發射信號與接收信號在不同的頻帶上傳輸，但其接收和發射信號卻不能夠同時進行。H-FDD 在接收處接收信號和在發送處發送信號的方法和 TDD 類似。在 LTE 中采納 H-FDD 的法子基于以下幾點思考。首先，從能帶結構的角度來看，因為很多零碎的頻段的存在，全雙工 FDD 方法是不可能滿足所有的部署；其次，在 H-FDD 終端收發雙工模式沒有 FDD 嚴格，所以最終的價格相對較低；再次，對于一些業務，數據傳輸速率相對較低，H-FDD 方式可以減少功率損耗，延長電池的使用時間。LTE-A 引入了多輸入多輸出、正交頻分多址復用/S

38、C-FDMA 等技能，因而物理層布局相比于原來的其它通信準繩有太大的分歧，主要體現在無線幀結構、參考信號配置等方面。在 3GPP 制訂的 LTE/LTE-A 技術準則中，TS36.201 對物理層舉行了完全的描繪7，TS36.211 則解釋說明了發送和接收物理信道、參考信息，介紹了框架結構，調制的方法和如何生成 OFDM 和 SC-FDMA 信號等8。對 LTE-A 物理層技術的介紹，結合以上規格。LTE 無線接口是指用戶與網絡之間的接口，包括三個亞層，協議結構如圖 2-2所示，子層環說服務接入點之間的不同的層或層(SAPs，Service Access Points)。無線資源控制（RRC）

39、物理層介質訪問控制（MAC）層1層2層3傳輸信道邏輯信道圖 2-2物理層周圍的無線接口協議架層 2 的介質訪問控制(MAC，Medium Access Control)子層與層 1 的物理層和層3 的無線資本掌管(RRC，Radio Resource Control)子層之間具有接口。MAC 子層的8 / 42傳輸信道由物理層提供，傳輸信道描述了信息的傳輸方式，即定義了“信息是如何傳輸的” 。而層 2 的無線鏈路控制(RLC，Radio Link Control)亞層的邏輯信道則由MAC 亞層提供，邏輯信道描述了信息的類型，即定義了“傳輸的是什么信息” 。物理層完成了傳輸通道向物理傳輸通道的映

40、照，落成了經歷傳輸通道為接入口朝上層提供數據傳送的服務。為了實現數據傳輸，物理層將提供下面的一些功能9：在傳輸信道進行差錯檢測并向高層提供提示信息；前向糾錯（FEC，Forward Error Correction）編碼/解碼的傳輸通道；混合自愿重傳(HARQ)申請；編碼的傳輸通道與物理信道之間的速度配合；編碼的傳輸通道向物理通道的映射；物理通道的功率相加；物理通道的調制與解調；頻率同步和時間同步；無線功能(radio characteristics)測量朝上提供指示信息；多輸入多輸出(MIMO)天線處理；傳輸分集；波束賦形；射頻處理等等。2.32.3無線幀結構無線幀結構在物理層規，時間域通常

41、是由時間單位多表示，它被定義為時間單位，在15000 者之間的間隔為 15KHz，該定義為1/(15000 2048)dTs，其中，子載波之間的間隔是 15kHz，具有最高的帶寬分配和數為 204810。LTE-A 系統的上行和下行信道都以無線幀結構傳輸數據，一個無線子幀的長度為：30720010fdTTms。LTE-A 系統支持 TDD 和 FDD 雙工模式，由于 TDD 使用向上和向下之間的時間差，資源是不連續的，有必要引入保護間隔避免上下之間的干擾。所以 LTE-A 分別設計了用于 FDD 的幀構造例 1 和用于 TDD 的幀構造例 2。2.3.12.3.1 幀結構類型幀結構類型 1 1

42、幀構造例 1 用于全雙工和半雙工的 FDD 模式。每個無線報文共有 20 個時隙，是時隙 0 到 19，它們的總長為 10ms，每個長為153600.5slotdTTms。每個子幀由兩個連續的時隙組成，即子幀i包括第2i和第21i時隙。如圖 2-3 所示11。#1#3#2#4#19#18一個子幀一個時隙153600.5slotdTTms一個無限幀10fTms圖 2-3幀結構類型 19 / 42在同一頻道不同時隙發送和接收信號的 FDD 模式。所以對于每一幀，10 幀可以分為下行也可以用來傳送上行，依靠 FDD 頻分和資源下行單方向在時間上是連續的。2.3.22.3.2 幀結構類型幀結構類型 2

43、 2如圖 2-4 所示，幀結構類型 2 適用于 TDD 模式。每個無盡的數據幀包括兩個半幀，每一半幀長是1536005sdTTms，含有 8 個時隔（即 4 個子幀）和一個特別地域12，這個特殊的地域由下行導入頻時隔(DwPTS，Downlink Pilot Time Slot)、上行導入頻時隔(UpPTS，Uplink Pilot Time Slot)和保護間隔(GP，Guard Period)組成的。子幀#0子幀#2 子幀#3子幀#5子幀一個時隙15360slotdTT半幀1536005dTms子幀#4子幀#7子幀#9子幀#830720dT一個無線幀30720010fdTTms30720d

44、TDwPTSDwPTSGPGPUpPTSUpPTS圖 2-4幀結構類型 2（切換周期為 5ms）協定規定 GP、UpPTS 和 DwPTS 的長能夠由系統配置，這三個物理量的總長要為1 毫秒。在 LTE-A 中，上、下行子幀報文切換時間蘊含 5ms 和 10ms 兩種情形，此中U 示意用于朝上傳輸的子報文，D 是以朝下傳輸的子報文，蘊含 GP、UpPTS 以與DwPTS 的特別子報文用 S 來表現。當切換周期為 5ms 時，子幀 2、子幀 7 和 UpPTS 將用來進行上行傳輸。當切換周期是 10ms 時，DwPTS 在兩個半報文中生存，然而 UpPTS 和 GP 僅僅在第一個半報文中生存，在

45、第二個半報文中的 DwPTS 計量尺度為 1ms。子幀 2 和 UpPTS 將來認為朝上的傳輸，子幀 9 和子幀 7 將來認為朝下的傳輸。在上面的兩種開關周期處境中，子幀 0 和子幀 5 以與 DwPTS 牢固的用于下行傳輸。10 / 422.4LTE2.4LTE 的關鍵技術的關鍵技術 MIMOMIMOMIMO 是 LTE 的關鍵技術之一，由于本文要介紹 MIMO 信道容量，所以一下部分著重介紹 MIMO。MIMO 無線通信體系是使用時空處置為根本方式對信號舉行剖析的。該系統在多徑傳輸的過程中，不僅能夠提高頻譜的利用率，還有效地加快了傳輸速率，因而被看做成核心突破點，為新一代無線通信系統開辟了

46、更廣闊的前景。MIMO 技巧因為空間中具備多個發射的天線和接收的天線，因此在信道模式、信道系統的容量等方面都有其特別獨到的復雜性。介紹了 MIMO 系統的 MIMO 結構。2.4.1MIMO2.4.1MIMO 系統的概念系統的概念MIMO 技術的出現為無線移動通信開創了一個嶄新的領域，可以在很大程度上提高系統的頻譜效率。簡單來說 MIMO 技術的工作原理：把需要傳送的數據分解成若干個并行的數據流，之后在多根天線上各自進行同時同頻率的數據傳輸，而且發射端天線的總共發射功率保持不變。然后，再由接收端的多條天線單獨的收到多個不同的數據流，在接收終端將其辨認判別，而且是使用 MIMO 解調技巧，最后規

47、復出來發射端天線的原數據流。（1）分集增益多徑衰落信道的傳輸的可靠性可以通過由每個天線的空間分集改善。一個發射天線的傳送途徑中的數據體驗了深度削弱的假設的情況下，其他一個相對來說獨立的傳送途徑很可能有一個較強烈的信號輸送。因此，我們可以挑選多個信號在多徑信號中，能夠升高接收端天線的瞬時的信號噪生比率和平均的信號噪聲比率，提升20-30dB13的幅度。（2）陣列增益就是通過預編碼技術或是波束成形技術，把一個甚至多個指定方向上的能量集合起來。（3）空間復用增益它使用了空間道彼此之間的強和弱的互相關聯性，同時傳輸有差別的信號數據流分別在多個彼此獨立的空間信道上，如此能夠使數據傳輸的峰值速度大大的升高

48、。2.4.2MIMO2.4.2MIMO 系統常見的幾種傳輸模式系統常見的幾種傳輸模式（1）單天線模式11 / 42單天線模式就是傳統無線傳播信道，也就是理解意義上的一發一收，即單個發射天線發送數據流，經由信道，再由單個接收天線接收。11發射端接收端圖 2-5單天線模式（2）發射分集模式發射分集模式就是多個發射天線發出同樣的信號做復數變化，提高了系統的可靠性。122h22h11h12h2111發射端接收端圖 2-6天線發射端口的發射分集（3）空間復用模式空間復用就是發射端的多根天線同時發送不同的信號，接收端的多根天線分別接收，提高了傳輸數據量和系統的有效性。1122發射端接收端圖 2-7空間復用

49、模式MIMO 體系在輸入訊息的過程中，首先利用空時的處理的技術將串行比特流變換為幾個并行子數據流，然后在一樣頻率下通過不同天線發送出去。在體系的回收端，12 / 42因為信號的傳輸途徑不止一條，因此不光要保證天線組數不少于發射天線數目，還應該準確地估算出來信道的特色和子碼流間的干系。只有將這幾路信號聯合處理，才能將有效信息從發送子流中分離，最終轉換成串行碼輸出。它的工作原理如圖 2-8 所示。空時處理RXRXRX空時處理TXTXTX多徑信道圖2-8MIMO系統的原理圖恰是基于 MIMO 體系通道能夠為多數并行子通道的突出特點，抵抗信息衰落和抵抗信息干擾的能力體系能夠提高，傳輸速率和利用帶寬率比

50、較好。2.4.3MIMO2.4.3MIMO 系統的優點系統的優點MIMO 技術利用多天線配置，充分利用時空資源，改善在衰落信道下的系統容量。系統容量14，它是在一定信噪比下的傳輸速率最大值，在通信系統的計量工作中，是一個重要的性能指標。當傳輸信道為瑞利衰落和單獨存在，MIMO 收發器是 N M，其容量可表示為式（2-1）:HzbpsHHMICHN/detlog2(2-1)上式中，是接收端收到信息的平均信噪比，MNnmhH是信道的系數矩陣，其元素nmh是其中一條路徑的衰落系數。如果M，N很大，那么信道容量可以近似為：2/log,min2NMC (2-2)由式（2-2）知，當 minM,N線性增大

51、時，MIMO 體系的信道容量也會相互對應的呈線性增長的趨勢變大。13 / 423 3無線衰落信道的基本特征無線衰落信道的基本特征無線通信都是通過電磁波來傳遞消息的。電磁波在傳播過程中有直射、反射、散射和衍射等 4 種主要的傳播方式，經過這些傳輸路徑之后，到達接收端的接收信號和發射信號不再一樣。無線通信鏈路對信息傳輸的影響主要包括大尺度衰落和小尺度衰落，而大尺度衰落又包括路徑損耗和陰影衰落，小尺度衰落包括頻域選擇性衰落、時間選擇性衰落和空間選擇性衰落。這些衰落并非獨立的，大尺度衰落和小尺度衰落往往是同時存在的。無線通信條件下，信號傳播過程中可能會經過很多的障礙，比如建筑物、街道、大樹以與移動的汽

52、車等等。信號的傳播路徑大致可以分為以下 4 種，在較開闊的地區，如草原和村莊，直線傳播比較常見；反射是信號傳輸的另外一種重要的方式，14 / 42信號傳輸過程中往往要經過建筑物、地面以與高山的反射；在無線通信模型中，一般不考慮折射現象，這是因為信號經過障礙物的邊界時發生折射時的衰減太大的緣故；當信號碰到小的障礙物時便會分成多個方向隨機的信號即是產生散射現象。3.13.1大尺度衰落大尺度衰落該模型適用于描述發送方和接收方之間的距離達到幾百或幾千米的信號強度的改變。一般而言，大尺度衰落表示的是接收信號的平均值在一定的時間隨著傳輸距離和環境的變化而展現出來的緩慢的變化。無線通信信道對傳輸信號的大尺度

53、形象是通過途徑損耗和陰影衰落一起反映出來的。3.1.13.1.1 路徑損耗路徑損耗當發送方與接收方之間的距離在數百米或數千米的距離上變化時，不管室信道還是室外信道，接收信號的平均功率值都與信號經過距離 d 的 n 次方成反比。不管收發距離取何值，大尺度的路徑損耗都可以用下面的式子表示 Error!Error! ReferenceReference sourcesource notnot found.found.。 0010 logdPL ddBPL dnd(3-1) N 表示路徑損耗指數，表征了路徑損耗隨著距離增長的速度，n 的值取決于傳輸環境。在自由空間條件下，n 的值取為 2。0d代表了近

54、地參考距離，d 表示收發雙方之間的距離。式(3-1)中的上劃線的含義是對于給定的 d 的全部可能路徑損耗的綜合平均值。3.1.23.1.2 陰影衰落陰影衰落電磁信號在傳輸過程中由于受到高山、高大建筑物等的的阻礙，在這些障礙物后面會產生電磁場的陰影，引起場強中值的波動，進而導致信號的衰減，這種現象就被稱作是陰影衰落。它是由大尺度衰落模型來衡量的，統計特性往往服從的是對數正態分布。表達式(2-1)沒有考慮到收發距離一樣情況下不同位置環境不同。經測試可知，對于隨意的 d，特定位置的路徑損耗的統計特性將服從隨機正態分布。 0010 logdPL ddBPL dnXtd (3-2)其中，X是單位為 dB

55、 的均值為零的高斯隨機變量；是標準差，單位 dB。3.23.2小尺度衰落小尺度衰落在無線信號的傳輸過程中，因為不同路徑的電磁波傳輸的距離不同，所以不同路徑的電磁波到達接收方的時間和相位都不一樣。具有不同相位的多個信號在接收方的疊加結果也不一樣：同相信號疊加的結果是使使信號幅度增強，反向信號的疊15 / 42加則會使信號幅度衰減。如果發送方和接收方的距離在小尺度上變化能引起接收信號功率的劇烈變化，這種現象被稱作小尺度衰落。由以上定義可知，小尺度衰落反映的是在較短的距離或者時間接收信號所呈現的快速起伏特性。它包括了頻率選擇性衰落、時間選擇性衰落和空間選擇性衰落。3.2.13.2.1 頻率選擇性衰落

56、頻率選擇性衰落頻率選擇性衰落產生的原因是信號的多徑效應，由于傳輸過程中的多徑效應會產生時延擴展，在頻域發生頻率選擇性衰落，信號在不同頻率上的衰減特性不同，有的頻率上急劇衰減而有的頻率上具有緩慢衰減的特性。3.2.23.2.2 時間選擇性衰落時間選擇性衰落無線通信中發射方和接收方的相對運動或無線信道中其它物質的運動導致無線通信信道具有時變性。而無線通信信道是時變性引起了時間選擇性衰落，信號的頻帶寬度被展寬。多普勒擴展和相干時間是描述信道事變性的參數。3.2.33.2.3 空間選擇性衰落空間選擇性衰落信息在當地散射體作用下出現角度上的擴大，招致天線之間生成必然的相互關聯性，這稱為空間上的選擇性的衰

57、落，相干距離往往來描述。多徑信號到天線陣列的到達的角度的擴展變寬稱之為接收機的角度擴展。一樣，多徑的反射和散射造成的發射角的擴展變寬被認為發射機的角度的擴展。角度擴展告訴了接收信號的集中能量的角度疇，發生空間的選擇性的衰落，也就是說信號幅值與天線的空間地位有一定的聯系。相干距離定義為兩根天線上的最大空間距離，當信道響應的保持很強的相關性的時候。較短的相干距離，角度擴展越大，相反，較長的相干距離，角度擴展越小。表 3-1衰落信道的特性信道選擇性信道擴展相干參數頻率選擇性時延擴展相干帶寬時間選擇性多普勒擴展相干時間空間選擇性角度擴展相干距離16 / 42綜合三種小尺度衰落特性，表 3-1 歸納了三

58、種衰落信道的特性，表 3-2 歸納了三種衰落信道的分類。表 3-2 衰落信道的分類基于參數衰落信道分類滿足條件平坦衰落信道信號帶寬時延擴展時延擴展頻率選擇性衰落信道信號帶寬相干帶寬; 信號周期相干時間; 信號帶寬多普勒擴展多普勒擴展慢衰落信道信號周期多普勒擴展標量信道單天線系統角度擴展矢量信道角度擴展不為零的多天線系統3.2.4Rayleigh3.2.4Rayleigh 和和 RiceRice 衰落衰落無線通信的信號在傳輸路徑上要受到各種物體的干擾和影響，最終接受端接收到的信號是多個路徑信號的疊加。下面的式子表示信道矩陣 H 的元素:,1,.,;1,.,pqjpqpqrtHr epMqM (3

59、-3)pqr代表信道增益；pq代表相位，假設相位服從, 上的均勻分布，由于幅度分布的不同，信道又可以劃分服從不一樣的衰落分布，比如萊斯衰落分布和銳利衰落分布 Error!Error! ReferenceReference sourcesource notnot found.found.Error!Error! ReferenceReference sourcesource notnot found.found.。1) Rayleigh 衰落接收信號可以看作是由很多的平面波組合而成的，這種接收信號即是廣義平穩復高斯的平穩隨機過程，所以可以利用廣義平穩復高斯隨機過程對信道進行建模。瑞利分布的概率密

60、度函數:17 / 42 222exp02rrp rr (3-4)公式中，是接收機接收到的電壓信號的 RMS 值，2即是接收信號的平均功率。小于等于 R 的接收信號的包絡由下面的式子(CDF)給出： 2201 exp2RrRP RP rRp r dr (3-5)2) Rice 衰落當傳播路徑中存在直射波時，小尺度衰落的包絡服從萊斯分布。在這種情況下，從不同的角度而來的多徑分量疊加在靜態主要信號。包絡檢波器的檢波輸出就會多出一個直流分量。主要的信號到來是伴隨著許多薄弱的多徑信號，形成萊斯分布。當主信號減弱，混合信號包絡服從瑞利分布。所以說，當主信號分量減弱時，萊斯分布轉換為瑞利分布。Rice 分布