基于MIMO技术的空时编码类型仿真实现

沈阳理工大学学士学位论文

摘 要

未来的无线通信系统的目标是实现无所不在的、高速、可靠的移动多媒体传输。由多发射和多接收天线组成的多输入多输出MIMO（Multiple.Input Multiple.Output）技术正是在不牺牲发射功率和信号带宽的条件下，达到这一目标的有效技术之一。MIMO技术在无线通信链路两端均使用多个天线，可以充分利用无线传播中的多径传输，使频谱利用率和链路可靠性得到极大的提高。与MIMO技术紧密相关的就是空时编码，本文介绍常见的两种空时编码技术：分层空时码和空时格型码的性能和复杂度，最后对两种编码方案的优缺点进行总结比较。

本文首先对无线MIMO系统的信道模型、信道容量两个主要方面涉及到的有关理论进行了分析；然后研究和介绍分层空时码和空时格型码的原理和编码方法，及其对MIMO信道改善情况，并且比较两种编码方法各方面的优缺点；最后在瑞利衰落MIMO信道下，对空时格型码进行MATLAB仿真与分析，并给出了有关仿真结果。

关键词： MIMO；MATLAB；空时编码；分层空时码；空时格型码

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Abstract

The future breadband wireless communication systems are expected to provide ubiquitous, high-reliability, and high-data-rats mobile multimedia transmission. MIMO （Multiple-Input Multiple-Output）technique utilizing multiple antennas to realize multiple transmissions and multiple receiving can exploit space resource adequately and can improve channel capacity without any loss in bandwidth and transmitting power. So it can meet the need of high data transmission in future wireless communications, closely associated with MIMO technology is space-time coding.The paper introduces principle of three kinds of common space-time coding oftechnology, introduces emphatically the space-time codes, layered grid space-time code, grouping space-time code three common space-time coding scheme and complexity, the performance of the advantages and disadvantages of the three kinds of encoding scheme is summarized. Firstly, the wireless MIMO system, channel models, channel capacity involves two main aspects of the theory are analyzed; research and introduce the layered space-time codes, space-time trellis codes and space time block codes and the principles and coding methods, with it to MIMO channel improvement situation and compare advantages and disadvantages of various aspects of coding; Finally, in theRayleigh fading MIMO channel, I carry on the MATLAB simulation and analysis for the three codes: layered space-time codes, space-time trellis codes and space-time block codes , and give the simulation results.

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Keywords： MIMO；MATLAB； Space.Time Coding； Space.Time Trellis Coding

II

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目 录

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绪 论 .................................................................................................................................. 1 1.1 课题背景 ................................................................................................................... 1 1.2 MIMO技术概述 ....................................................................................................... 2 1.3 空时编码技术概述 ................................................................................................... 3

1.3.1 分层空时码 .................................................................................................... 3 1.3.2 空时格型码 .................................................................................................... 3 1.3.3 空时分组码 .................................................................................................... 4

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MIMO技术的基本机理及通信过程 ................................................................................ 5 2.1 MIMO系统 ............................................................................................................... 5 2.2 MIMO空时信号模型 ............................................................................................... 5 2.3 MIMO对系统性能的改善 ....................................................................................... 7 2.4 MIMO研究现状 ....................................................................................................... 8 3 MIMO系统的信道特性及容量分析 ................................................................................ 10

3.1 无线信道的衰落特性 ............................................................................................. 10

3.1.1 大尺度衰落 .................................................................................................. 11 3.1.2 小尺度衰落 .................................................................................................. 12 3.1.3 衰落信道的包络统计特性 .......................................................................... 13 3.2 MIMO系统的信道容量 ......................................................................................... 14

3.2.1 恒参信道的信道容量 .................................................................................. 15 3.2.2 随参信道的信道容量 .................................................................................. 16

4 空时编码类型及仿真 ...................................................................................................... 17

4.1 空时编码技术的简介 ............................................................................................. 17

4.1.1 空时编码的系统模型 .................................................................................... 17 4.2 空时分层码 ............................................................................................................. 18

4.2.1 空时分层码的概念 ...................................................................................... 18 4.2.2 空时分层码的编码方法 .............................................................................. 18 4.3 空时格型码 ............................................................................................................. 20

4.3.1 空时格型码的概念 ...................................................................................... 20 4.3.2 空时格型码的编码方法 .............................................................................. 21

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4.3.3 空时格型码的程序 ...................................................................................... 24 4.3.4 空时格形码仿真与分析 .............................................................................. 28

5 两种编码性能的仿真与分析 .......................................................................................... 30

5.1 两种编码方法的性能仿真 ..................................................................................... 30

5.1.1 空时分层码的性能仿真 .............................................................................. 30 5.1.2 空时格型码的性能仿真 .............................................................................. 30

结 论 ........................................................................................................................................ 33 致 谢 ........................................................................................................................................ 34 参考文献 .................................................................................................................................. 35 附录A：英文原文 .................................................................................................................. 36 附录B：汉语翻译 .................................................................................................................. 43 附录C：源程序 ...................................................................................................................... 48

IV

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1 绪 论

1.1 课题背景

最早的无线通信出现在 1897 年，马可尼(Marconi)首次使用无线电进行信息传输并获得了成功。随后的一百多年里，伴随着计算机技术和大规模集成电路技术的发展，无线通信的理论和技术不断取得进步，并成为当今世界最活跃的科研领域之一。从早期的仅在船舶、航空、列车、公共安全等专用领域应用，到如今成为人们日常生活中不可缺少的重要通信方式，无线通信在社会发展中发挥了越来越重要的作用，无线通信突破了有线通信的物理限制，使得用户可以自由地在任何无线电波能够到达的地方进行通信，大大拓宽了通信的空间范围和活跃度。无线通信系统的发展已经经历了大致三个阶段，而且目前正在向后三代或第四代宽带无线通信系统(B3G/4G)的方向发展[1][2]。

第一代无线通信系统(1G)主要是模拟蜂窝和无绳电话系统，采用的是模拟技术和频分多址(FDMA)技术，其典型的代表有美国的AMPS、英国的TACS，北欧的NMT450/900等模拟蜂窝通信系统等.它的主要缺点是频率利用率低、容量小、业务单一、安全性差，不能满足飞速发展的移动通信业务量的需要，于是人们开始转向研究数字通信，出现了第二代移动通信系统。

第二代无线通信系统(2G)起源于20世纪的80年代末，所采用的技术大致可以分为两大类——数字时分多址(TDMA)技术和数字窄带码分多址(CDMA)技术，其代表分别是欧洲的GSM系统和美国的IS.95系统，2G的这两类系统的容量和功能与第一代模拟系统相比有了很大的提高，但业务种类仍然主要限于话音和低速数据，频率使用率仍然较低，而且这两大系统的实现技术有着本质的区别，无法兼容。

第三代无线通信系统(3G)的概念最早是在1985年由国际电联(ITU)提出的，当时称为未来公共陆地移动通信系统(FPLMTS：Future Public Land mobile Telecommunication System)，后来考虑到该系统预计在2000年左右投入商用，而且工作于2000MHz频段，而改为国际移动通信系统IMT.2000(International MobileTelecommunications.2000)。IMT.2000的目标是全球统一频段，统一标准，全球无缝覆盖及漫游；实现高服务质量，高保密性能，高频谱效率；提供多媒体业务，并使终端结构简单，便于携带，价格较低；可与各种移动通信系统融合：包括蜂窝、无绳电话和卫星移动通信等，并适应多用户环

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