基于Matlab的MIMO通信系統(tǒng)仿真(共22頁)

1、精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上北京郵電大學基于Matlab的MIMO通信系統(tǒng)仿真專業(yè)：信息工程班級：姓名：學號：專心-專注-專業(yè)目錄一、概述1、背景MIMO 表示多輸入多輸出。在第四代移動通信技術標準中被廣泛采用，例如IEEE 802.16e (Wimax)，長期演進()。在新一代()標準中，通常用于 IEEE n，但也可以用于其他 802.11 技術。MIMO 有時被稱作空間分集，因為它使用多空間通道傳送和接收數據。只有站點（移動設備）或接入點（AP）支持 MIMO 時才能部署 MIMO。MIMO 技術可以顯著克服信道的衰落，降低誤碼率。該技術的應用，使空間成為一種可以用于提高性能的資

2、源，并能夠增加無線系統(tǒng)的覆蓋范圍。通常，多徑要引起衰落，因而被視為有害因素。然而研究結果表明，對于MIMO系統(tǒng)來說，多徑可以作為一個有利因素加以利用。MIMO系統(tǒng)在發(fā)射端和接收端均采用多天線(或陣列天線)和多通道，MIMO的多入多出是針對多徑無線信道來說的。傳輸信息流s(k)經過空時編碼形成N個信息子流ci(k)，I=1，N。這N個子流由N個天線發(fā)射出去，經空間信道后由M個接收天線接收。多天線接收機利用先進的空時編碼處理能夠分開并解碼這些數據子流，從而實現最佳的處理。2、課程設計的研究目的設計一個基于Matlab的MIMO通信系統(tǒng)仿真。3、MIMO系統(tǒng) 【1】 MIMO的三種主要技術 當前，M

3、IMO技術主要通過3種方式來提升無線傳輸速率及品質：（1）空間復用（Spatial Multiplexing）: 系統(tǒng)將數據分割成多份，分別在發(fā)射端的多根天線上發(fā)射出去，接收端接收到多個數據的混合信號后，利用不同空間信道間獨立的衰落特性，區(qū)分出這些并行的數據流。從而達到在相同的頻率資源內獲取更高數據速率的目的。（2）傳輸分集技術，以空時編碼（Space Time Coding）為代表： 在發(fā)射端對數據流進行聯(lián)合編碼以減小由于信道衰落和噪聲所導致的符號錯誤率。空時編碼通過在發(fā)射端增加信號的冗余度，使信號在接收端獲得分集增益。（3）波束成型（Beam Forming）： 系統(tǒng)通過多根天線產生一個具

4、有指向性的波束，將信號能量集中在欲傳輸的方向，從而提升信號質量，并減少對其他用戶的干擾。 【2】 MIMO系統(tǒng)的概述多輸入多輸出（Multi-input Multi-output；MIMO）是一種用來描述多的抽象數學模型，能利用發(fā)射端的多個天線各自獨立發(fā)送信號，同時在接收端用多個天線接收并恢復原信息。該技術最早是由于1908年提出的，他利用多天線來抑制（fading）。根據收發(fā)兩端天線數量，相對于普通的單輸入單輸出系統(tǒng)（Single-Input Single-Output，SISO），MIMO此類多天線技術尚包含早期所謂的“”，亦即單輸入多輸出系統(tǒng)（ Single-Input Multi-Ou

5、tput，SIMO）和多輸入單輸出系統(tǒng)（Multiple-Input Single-Output，MISO）。由于MIMO可以在不需要增加帶寬或總發(fā)送功率耗損（transmit power expenditure）的情況下大幅地增加系統(tǒng)的數據（throughput）及發(fā)送距離，使得此技術于近幾年受到許多矚目。MIMO的核心概念為利用多根發(fā)射天線與多根接收天線所提供之空間自由度來有效提升無線通信系統(tǒng)之，以提升傳輸速率并改善通信質量。 【3】 MIMO系統(tǒng)的信道模型 采用多發(fā)送多接收的天線系統(tǒng), 副發(fā)送天線, 副接收天線的MIMO的系統(tǒng)信道模型如圖1.3所示。用表示第i根發(fā)送天線到第j根接收天線之

6、間的信道衰落系數, 表示i副發(fā)送天線發(fā)送的信號, 為第j 副接收天線接收到的信號,考慮平坦的衰落信道則它們之間關系寫成矩陣的形式為：, 其中定義表示n 發(fā)射天線在發(fā)射的信號向量； 表示n 接收天線在時間t接收的信號向量；表示t時刻的加性高斯白噪聲向量；，H為信道衰落系數矩陣。其中的幅度服從Rayleigh分布。二、基本原理 1、基本流程2、MIMO原理核心思想：時間上空時信號處理同空間上分集結合。 時間上空時通過在發(fā)送端采用空時碼實現： 空時分組、空時格碼，分層空時碼。 空間上分集通過增加空間上天線分布實現。此舉可以把原來對用戶來說是有害的無線電波多徑傳播轉變?yōu)閷?/p>

7、用戶有利。  MIMO系統(tǒng)模型： MIMO信道模型分集與復用n 根據各根天線上發(fā)送信息的差別，MIMO可以分為發(fā)射分集技術和空間復用技術。n 發(fā)射分集：在不同的天線上發(fā)射包含同樣信息的信號(信號的具體形式不一定完全相同)，達到空間分集的效果，起到抗衰落的作用 典型代表：空時塊碼（STBC）n 空間復用：在不同的天線上發(fā)射不同的信息，獲得空間復用增益，從而大大提高系統(tǒng)的容量和頻譜利用率 典型代表：分層空時碼3、 空時塊碼n Alamouti提出了采用兩個發(fā)射天線和一個接收天線的系統(tǒng)可以得到采用一個發(fā)射天線兩個接收天線系統(tǒng)同樣的分集增益。n 將每k個輸入字符映射為一個

8、矩陣，矩陣的每行對應在p個不同的時間間隔里不同天線上所發(fā)送的符號。n 2*2舉例：三、仿真設計1、流程圖2、主要模塊及參數3、信源產生n 產生獨立等概二進制信源n Matlab函數：randsrc()n 編碼塊長度： 40-6114（3GPP TS36.212 Table 5.1.3-3） 推薦值：320,1024,2560,5120利用randsrc（）隨機產生0與1的數，利用公式將其變成1與-1，即產生信源。4、信道編碼Option 1:卷積碼(3GPP TS25.212 4.2.3.1) 根據要求，卷積碼編碼器為（3，1,8）編碼器，G0=（）轉換為八進制為557；G1=（）轉換為八進制

9、為663；G1=（）轉換為八進制為711.卷積碼記憶長度為9.5、調制調制模塊基本要求：QPSKQPSK調制的函數可以利用matlab函數庫自帶的QPSK函數進行編寫。但是由于QPSK是M=4進行映射的，所以將隨機產生的信源利用reshape函數變成兩列，即00映射成，01映射成，10映射成，11映射成。解調時利用matlab自帶的demodulate函數。6、AWGN信道Matlab實現：randn()信噪比與AWGN噪聲的關系：由于信源經過QPSK調制，相當于在兩條坐標軸的平面（一條實數軸，一條虛數軸）每一個方向都有隨機的高斯白噪聲分布，然后各自乘以相應的幅度，將得出的噪聲加入QPSK調制

10、的信號里，得到的便是經過AWGN信道的信號。7、輸出統(tǒng)計n 誤碼率統(tǒng)計n 輸出： 橫坐標-SNR Eb/N0 (Eb/N0 vs Es/N0?) 縱坐標-BER（誤比特率），BLER（誤塊率）n 畫圖：semilogy(x,y)4、 程序塊設計1、 代碼1、MIMO:SNR_dB=0:1:30; %信噪比范圍LOOP=500; %- %-信源產生- %- for i=1:length(SNR_dB) snr=10(SNR_dB(i)/10); %信噪比轉換 sgma=sqrt(8/snr/3); %噪聲方差 error0=0; error1=0; error2=0; error3=0; for

11、 a=1:LOOP N=2560; %仿真序列長度 S=randsrc(1,N,0,1); %二進制序列信源 產生n個隨機數 %- %-有信道編碼- %- S00=convolutionalcode(S); %-QPSK調制- s=QPSK(S00); s0=zeros(1,3*N/4); %將調制后的信息奇偶拆分成兩個信息以進行MIMO發(fā)射 s1=zeros(1,3*N/4); for b1=1:2:(3*N/2) s0(ceil(b1/2)=s(b1); s1(ceil(b1/2)=s(b1+1); end N1=size(s0,2); %-有信道編碼（2發(fā)2收）- h0=sqrt(0.5

12、).*(randn(1,N1)+1i.*randn(1,N1); %設置信道沖激響應 h1=sqrt(0.5).*(randn(1,N1)+1i.*randn(1,N1); h2=sqrt(0.5).*(randn(1,N1)+1i.*randn(1,N1); h3=sqrt(0.5).*(randn(1,N1)+1i.*randn(1,N1); %-接收到的信號（沖激響應與發(fā)送序列卷積）- R0=h0.*s0+h1.*s1; %接收信號矢量（不含高斯噪聲） R1=-conj(s1).*h0+h1.*conj(s0); %移動通信P166 R2=h2.*s0+h3.*s1; R3=-conj(

13、s1).*h2+h3.*conj(s0); %通過AWGN信道加入噪聲后的沖擊序列 r0=(R0+sgma.*(randn(1,N1)+1i*randn(1,N1);%接收信號矢量（有噪聲） r1=(R1+sgma.*(randn(1,N1)+1i*randn(1,N1); r2=(R2+sgma.*(randn(1,N1)+1i*randn(1,N1); r3=(R3+sgma.*(randn(1,N1)+1i*randn(1,N1); s_0=conj(h0).*r0+h1.*conj(r1)+conj(h2).*r2+h3.*conj(r3);%STBC空時譯碼 s_1=conj(h1)

14、.*r0-h0.*conj(r1)+conj(h3).*r2-h2.*conj(r3); for l0=1:3*N/4 %將接收到的信號合并 Y0(2*l0-1)=s_0(l0); Y0(2*l0)=s_1(l0); end y0=DEQPSK(Y0); %QPSK解調 m0=viterbi(y0); %維特比譯碼 n0,e0=biterr(m0,S);%計算誤比特率 error0=error0+n0; %有信道編碼2發(fā)1收 hr0=sqrt(0.5).*(randn(1,N1)+1i.*randn(1,N1); %瑞利信道函數 hr1=sqrt(0.5).*(randn(1,N1)+1i.*

15、randn(1,N1); Rr0=hr0.*s0+hr1.*s1; %接收信號矢量(不含高斯噪聲) Rr1=-conj(s1).*hr0+hr1.*conj(s0); rN0=(Rr0+sgma.*(randn(1,N1)+1i*randn(1,N1);%接收信號矢量(含復高斯噪聲) rN1=(Rr1+sgma.*(randn(1,N1)+1i*randn(1,N1); sr_0=conj(hr0).*rN0+hr1.*conj(rN1);%STBC空時譯碼 sr_1=conj(hr1).*rN0-hr0.*conj(rN1); for l1=1:3*N/4 %將接收到的信號合并 Y1(2*l

16、1-1)=sr_0(l1); Y1(2*l1)=sr_1(l1); end y1=DEQPSK(Y1); %QPSK解調 m1=viterbi(y1); %維特比譯碼 n1,e1=biterr(m1,S);%計算誤比特率 error1=error1+n1; %- %無信道編碼 %- sn=QPSK(S); %QPSK調制 for b2=1:2:(N/2) %將調制后的信息奇偶拆分成兩個信息以進行MIMO發(fā)射 sn0(ceil(b2/2)=sn(b2); sn1(ceil(b2/2)=sn(b2+1); end N2=size(sn0,2); %無信道編碼（2發(fā)2收） hn0=sqrt(0.5)

17、.*(randn(1,N2)+1i.*randn(1,N2); %瑞利信道函數 hn1=sqrt(0.5).*(randn(1,N2)+1i.*randn(1,N2); hn2=sqrt(0.5).*(randn(1,N2)+1i.*randn(1,N2); hn3=sqrt(0.5).*(randn(1,N2)+1i.*randn(1,N2); Rn0=hn0.*sn0+hn1.*sn1; %接收信號矢量（無噪聲） Rn1=-conj(sn1).*hn0+hn1.*conj(sn0); Rn2=hn2.*sn0+hn3.*sn1; Rn3=-conj(sn1).*hn2+hn3.*conj(

18、sn0); rn0=(Rn0+sgma.*(randn(1,N2)+1i*randn(1,N2); %接收信號矢量（有噪聲） rn1=(Rn1+sgma.*(randn(1,N2)+1i*randn(1,N2); rn2=(Rn2+sgma.*(randn(1,N2)+1i*randn(1,N2); rn3=(Rn3+sgma.*(randn(1,N2)+1i*randn(1,N2); sn_0=conj(hn0).*rn0+hn1.*conj(rn1)+conj(hn2).*rn2+hn3.*conj(rn3); sn_1=conj(hn1).*rn0-hn0.*conj(rn1)+conj

19、(hn3).*rn2-hn2.*conj(rn3); for l2=1:N/4 %將接收到的信號合并 Y2(2*l2-1)=sn_0(l2); Y2(2*l2)=sn_1(l2); end y2=DEQPSK(Y2); %QPSK解調 y2=y2' n2,e2=biterr(y2,S);%計算誤比特率 error2=error2+n2; %無信道編碼（2發(fā)1收） hN0=sqrt(0.5).*(randn(1,N2)+1i.*randn(1,N2); %瑞利信道函數 hN1=sqrt(0.5).*(randn(1,N2)+1i.*randn(1,N2); RN0=hN0.*sn0+hN

20、1.*sn1; %發(fā)射序列與接收序列的卷積 RN1=-conj(sn1).*hN0+hN1.*conj(sn0); rN0=(RN0+sgma.*(randn(1,N2)+1i*randn(1,N2); %接收信號矢量（有噪聲） rN1=(RN1+sgma.*(randn(1,N2)+1i*randn(1,N2); sN_0=conj(hN0).*rN0+hN1.*conj(rN1); sN_1=conj(hN1).*rN0-hN0.*conj(rN1); for l3=1:N/4 %將接收到的信號合并 Y3(2*l3-1)=sN_0(l3); Y3(2*l3)=sN_1(l3); end y

21、3=DEQPSK(Y3); %QPSK解調 y3=y3' n3,e3=biterr(y3,S);%計算誤比特率 error3=error3+n3; end BER0(i)=error0/(LOOP*N);BER1(i)=error1/(LOOP*N);BER2(i)=error2/(LOOP*N);BER3(i)=error3/(LOOP*N); end semilogy(SNR_dB,BER0,'-b+'); hold on; semilogy(SNR_dB,BER1, 'r'); grid on; semilogy(SNR_dB,BER2,'

22、-g'); grid on; semilogy(SNR_dB,BER3,'-.k'); grid on; legend('2Tx2R:卷積信道編碼','2Tx1R有信道編碼','2Tx2R無信道編碼','2Tx1R無信道編碼'); xlabel('SNR/dB'); ylabel('BER');2、viterbifunction decodingsequence=viterbi(m)trel = poly2trellis(9,557,663,711); tblen=7; %卷

23、積碼記憶深度decodingsequence=vitdec(m,trel,tblen,'trunc','hard');decodingsequence=decodingsequence'3、QPSKfunction modulatingsignal=QPSK(s)s=s'H=modem.pskmod('M',4,'InputType', 'Bit'); modulatingsignal=modulate(H,s); modulatingsignal=modulatingsignal'4、DEQPSKfunction demodulatingsignal=DEQPSK(s)h= modem.pskdemod('M',4,'OutputType', 'Bit');s=s'demodulatingsignal=demodulate(h,s);5、convolutionalcode%卷積碼編碼器%msg信號%constrainlength約束長度（寄存器數目加一）%codegenerator沖擊響應g（轉換成八進制）function code=convolutionalcode(ms