基于MATLAB的MIMO系统信道容量及性能分析毕业论文(33页).doc

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1、-基于MATLAB的MIMO系统信道容量及性能分析毕业论文-第 23 页 毕 业 设 计（论 文）题 目： 基于MATLAB的MIMO系统信道容量 及性能分析 毕业设计（论文）诚信声明书本人声明：本人所提交的毕业论文基于MATLAB的MIMO系统信道及其性能分析是本人在指导教师指导下独立研究、写作的成果，论文中所引用他人的文献、数据、图件、资料均已明确标注；对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明并表示感谢。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。论文作者： （签字）时间：2015年6月5日指导教师已阅： （签字） 时间：2015年6月5日西安邮电大学毕业设计(论文)开

2、题报告通信与信息工程 学院 电子信息科学与技术专业 10 级 03 班课题名称：基于MATLAB的MIMO系统信道 容量及其新能分析学生姓名： 易海博 学号：03102085指导教师： 高佛设 报告日期： 2015年3月26日 西安邮电大学本科毕业设计（论文）开题报告学号03102085姓名易海博导师高佛设题目基于MATLAB的MIMO系统信道容量及其性能分析选题目的（为什么选该课题） 多输入多输出(MIMO)系统是近十年来现代数字通信领域最重大的技术突破之一。该技术催生了许多先进通信技术，被认为是解决未来无线通信领域信道容量和频谱传输速率的的关键技术之一。MIMO系统发明之后，在短短几年内被

3、广泛应用，其优势在于潜在容量巨大，且随着收发天线数目较小的一方呈线性增长。MIMO通信系统可以在不需要增加额外带宽和额外功率的条件下，显著地提高信道容量和频谱利用率，这一特性使它成为无线通信领域研究的热点。但由于使用多根天线同时发射信号，这就增加了接收端信号检测的难度，信号检测的好坏直接关系到该系统的整体性能，所以信号检测技术的研究是该领域研究的一个热点之一。然而，MIMO系统大容量的实现和系统其它性能的提高以及MIMO系统中用的各种信号处理算法的性能优劣都极大地依赖于MIMO信道的特性，特别是个天线之间的相关性。最初对MIMO系统性能的研究与仿真通常都是在独信道的假设下进行的，这与实际的MI

4、MO信道大多数情况下具有一定的空间相性是不太符合的。MIMO系统的性能在很大程度上会受到信道相关性的影响。因此，建立有效的能反映MIMO信道空间相关特性并且适用于系统级和链路级仿的MIMO信道模型对于选择合适的处理算法来评估系统性能就显得相当重要。 前期基础（已学课程、掌握的工具，资料积累、软硬件条件等）已学课程：线性代数A，概率论与随机过程B，基于Simulink的通信系统，信号分析仿真，数字信号处理A，信息论与编码A，数字信号处理器原理B，数字通信系统设计，信号检测与估值，软件无线电掌握工具：VC+6.0和visual studio编译器，Matlab资料积累：1.熟悉MATLAB2.4G

5、 LTE物理层的MIMO技术3. SISO、SIMO、MISO、MIMO系统在慢衰落瑞利信道条件下的信道容量表达式进行理论推导4. MIMO系统信道容量的分析和计算机仿真软件条件：Windows系统 ,matlab硬件条件：PC机一台（为软件提供基础）要解决的问题（做什么）1.对MIMO无线衰落信道模型和衰落统计特性的研究是设计空时处理和编码法、进行MIMO无线链路性能仿真和系统容量评估的首要问题。目前的研究主包括两个方面：一方面是对MIMO信道衰落空时统计特性的测量和理论分析；一方面是对MIMO信道建模方法的研究。2.MIMO信道模型的多天线的拓扑结构和摆放方式已不仅局限于阵列形式，还包括小

6、尺度范围的分集形式和扩展到大尺度的分散布置形式。此外，影响MIMO信道衰落特征的因素将同时包括接收和发送端周围的空间和时间的衰落统计特性，这导致了从理论上描述MIMO信道空时衰落特征的统计特性的困难，也引发了MIMO信道建模的合理性、准确性和复杂度等问题。因此，如何构建准确的MIMO信道模型来仿真现实的信道环境成为目前研究的重点。 工作思路和方案（怎么做）1.本课题主要研究MIMO球形译码检测算法性能，主要的技术指标如下：信道容量：它代表每秒或每个信道符号能传送的最大信息量，或者说小于这个数的信息率必能在此信道中无错误地传送。是描述系统有效性的标准。2.选定题目，并开始查找相关资料了解题目含义

7、；确定研究内容并完成开题报告；重点学习MIMO相关知识，对基于瑞利信道的多天线系统进行建模，并着手论文的相关部分内容。3. 查阅相关文献，了解无线衰落信道的基本特征，分析无线通信系统的大尺度衰落和小尺度衰落的类型，同时完成此部分论文。查阅相关文献，研究发生频率选择性衰落时间选择性衰落和空间选择性衰落的条件，以及慢衰落和快衰落的概念，同时完成此部分论文。4. 在MATLAB仿真软件上实现SISO、SIMO、MISO、MIMO系统在慢衰落瑞利信道条件下的信道容量仿真。5. 完成论文，并仔细修改，准备答辩；毕业答辩。 指导教师意见签字： 2015年 3月30日西安邮电大学毕业设计 (论文)成绩评定表

8、学生姓名易海博性别男学号03102085专 业班 级电科1003班课题名称 基于MATLAB的MIMO系统信道容量及其性能分析指导教师意见 评分（百分制）：指导教师(签字)： 年 月 日评阅教师意见 评分（百分制）： 评阅教师(签字)： 年 月 日验收小组意见 评分（百分制）：验收教师(组长)(签字)： 年 月 日答辩小组意见 评分（百分制）： 答辩小组组长(签字)： 年 月 日评分比例指导教师评分20() 评阅教师评分30() 验收小组评分30() 答辩小组评分20()学生总评成绩百分制成绩等级制成绩答辩委员会意见毕业论文(设计)最终成绩(等级)： 学院答辩委员会主任(签字)： 年 月 日页

9、码为阿拉伯数字，引言为第一页目录摘要IABSTRACTII引言11绪论21.1选题背景21.2LTE的研究背景21.3MIMO的研究意义31.4论文的主要工作和贡献42LTE系统介绍52.1LTE的关键技术52.1.1LTE系统和物理层相关的性能指标52.1.2多载波技术52.2LTE的工作方式62.2.1FDD双工方式62.2.2TDD双工方式62.2.3H-FDD双工方式72.3无线帧结构82.3.1帧结构类型182.3.2帧结构类型292.4LTE的关键技术MIMO102.4.1MIMO系统的概念102.4.2MIMO系统常见的几种传输模式112.4.3MIMO系统的优点123无线衰落信

10、道的基本特征143.1大尺度衰落143.1.1路径损耗143.1.2阴影衰落143.2小尺度衰落153.2.1频率选择性衰落153.2.2时间选择性衰落153.2.3空间选择性衰落153.2.4Rayleigh和Rice衰落173.3本章小结184MIMO信道建模194.1信道容量的分类194.2发送端未知信道CSI时MIMO信道容量214.3SISO、SIMO和MISO信道容量234.3.1单输入单输出SISO系统234.3.2单输入多输出SIMO系统244.3.3多输入单输出MISO系统255结束语28致谢29参考文献30摘要近年来，随着无线通信的迅猛发展，多输入多输出(MultipleI

11、nput MultipleOutput，MIMO)技术已逐渐成为核心技能之一。首先不加多带宽，其次不增加分外发射功率的前提条件下，信息的传输可以实现高速率，因而在有限的频率带宽上可以完成更高速度信息传输的要求，这对稀缺的频谱资源的解决方案提供了强有力的技术条件，因此具有广阔的应用前景的移动通讯体系。不过，在现实通讯情况中MIMO的通讯机能长受到无线信道衰落特色的影响，是以MIMO的大范围使用仍面临着大批尚待解决的问题。故需要对无线MIMO容量进行深入的研究。LTE物理层的MIMO技术使了用空间的自由度，在发射端和接收端采纳多天线技术，充分发掘了潜在的空间资源，能够在不增添频率资源和天线发射功率

12、的条件下，成倍的升高系统的频带利用率和吞吐量。本论文调查研究了4G LTE物理层的MIMO技术，包括LTE体系网络结构、关键技术和帧结构等。对MIMO体系的信道容量进行了剖析和计算机仿真，在理论角度上推导和剖析对比了SISO、SIMO、MISO、MIMO系统信道容量表达式，这个推导的过程是在在慢衰落瑞利信道条件下进行的。文章还分析了无线信道的基本特征和无线信道的多径效应，推导和描述了多径衰落的频率选择性和信道响应时变特性的参数，推导了莱斯信道模型和瑞利信道模型的使用条件，并且要给出典型模型的具体数学表达。关键字：多输入多输出；衰落 ABSTRACTMIMO(Multiple-Input Mul

13、tiple-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 num

14、ber 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 MIMO

15、 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 thesystembandwidthutilization and throughput doubled in the case of

16、 doesnt increase thefrequencyand antennatransmit power. This paper studied the MIMO technology of 4G LTE physical layer, including the network structure,key technology andframe structure of LTE system. In this paper, the channel capacityofMIMOsystem is analyzedand simulated, SISO, SIMO, MISO, MIMO s

17、ystem 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 and the paramet

18、ers of channel response time-varying characteristics; deduced the Ricean channelmodel and Rayleighchannel modelusing conditions; and given a detailed mathematical expression of a typical model.Keywords:MIMO fade 引言 未来移动通信要满足在任何时间、任何地点、向任何人提供快速可靠的通信服务的要求，将拥有高的数据传输率、高的频谱利用效率、低的发射功率、灵活的业务支撑能力，会把无线通信的传输

19、容量和速率提高十倍乃至数百倍。随着各种宽带数据业务和无线通信业务的不断发展，无线资源，特别是频谱资源变得越来越紧张，高效地利用有限的通讯资源已经成为了无线通信技术发展的关注所在。研究表明，多天线的MIMO技术可以在不增加系统带宽和天线总发送功率的情况下，充分使用空间资源，有效的对抗无线信道的衰落，大大提高系统的信道容量和频谱利用率。第1章设置为绪论，主要陈述了LTE的研究背景及MIMO是研究意义。在第1章的最后讨论了本篇文章的各章的主要研究内容与论文的主要架构及其贡献。第2章主要讲述了LTE的关键技术和工作方式，无线帧结构关键技术MIMO，得出MIMO系统的优点MIMO技术利用多天线配置，充分

20、利用时空资源，改善在衰落信道下的系统容量。第3章主要介绍了无线衰落信道的基本特征，小尺度衰落影响着本地区域接收机天线上的时延和信号电平动态衰落范围。无论信号带宽为多少，本地区域的平均信号电平都是不变的。本章着重描述了无线信道的基本特征类型，并对大尺度衰落和小尺度衰落模型中的进行详细研究。文章详尽描述了瑞利衰落信道模型和莱斯衰落信道模型。第4章是MIMO信道建模，并分别对SISO,SIMO,MISO系统进行仿真。第5章致谢。1绪论1.1选题背景通过几十年的发展演进的移动通信系统，从开始到现在已经过了几次。其中，第一代的移动通讯系统(也就是1G)产生在二十世纪八十年代，仅仅实现了可以通讯的原始要求

21、，这是一种基于模拟的信号方式的移动通信体制。从2G开始,移动通信系统开始了第一次重大变革，引入了数字化的概念。3G移动通信系统是一种创新，这种创新具有宽带高速移动通信的世界。长期演进(LTE, Long Term Evolution)系统12是4G系统。事实上，更确切地说，4G系统指的是LTE系统的Release10。这个版本也被称为LTE-Advanced，并有很多的传输速率的提高，等等。3GPP (3rd Generation Partner Project)机构，全称为第三代合作伙伴计划，根本掌管促成LTE项目（通用移动通讯体系技术的长期演进项目）。源委大批高级优秀的技术人才进行研发和考

22、证，LTE项目在许多方面都符合了第四代通讯技能的要求和具有第四代通信技巧的特征，我们称之为“准4G”技能。从2008年以后，技能人员对更为优越的LTE-A系统举行了更深入体系的钻研，在本来的已经妥帖研究LTE技能的根本基础之上，通过添加一些先进的通信技术和原有技术的提高，在速度上相对于原LTE系统LTE-A系统的性能有很大的提高，真正根据4G系统的要求完成。在众多4G标准中,LTE系统标准占据了一个举足轻重的位置。1.2LTE的研究背景在低层面上，为了对付WIMAX标准的市场之间的竞争，在高层面上，为了融合宽带无线接入与移动通讯，3GPP驱动了LTE项目。早期的宽带无线接入定位于替换有线宽带接

23、入（如数字用户线（Digital Subscriber Line）技术，它的发展经历了固定本地接入，游牧城域接入到广域移动接入的过程，体现出了明显的“宽带接入移动化”的趋势，以因特网（Internet）为代表的信息技术（IT）行业移动普及带来了新的机遇，也为传统的移动通信行业已经形成了竞争和挑战。在保持蜂窝转移实力的同步要求，3GPP和3GPP2越来越看重低速的局部域场景下的进入能力，移动通信宽带化的趋势带来了移动通信业从传统的语音服务扩展到宽带数据服务领域的一个新的机会。基于“移动通讯宽带化”的认识以及应答“宽带接入移动化”挑衅的要求，3GPP起头了“长期演进”的过程3。在LTE项目的推出是

24、对移动通信的宽带行业的共识。但是一次伟大的技术变革，不是一朝一夕就能够实现的。先进无线通信技能的钻研一定要伫立在学术界和基础钻研领域丰富的技术储藏的底子之上。包括相关的数学，物理，无线电工程，也是通信理论、信号处理、无线资源管理和其他方面的理论积累。OFDM和MIMO技术一直被认为是B3G/4G的关键技术。在IMT-Advanced名目开动以前，国际上曾经对B3G进行了宽泛的钻研，并得到了一期期重大进展。早在第二十世纪末，贝尔实验室，北电等企业开始应用MIMO技术的研究和开发，在美国北部，在MIMO技术的研究和开发一直处于领先地位。日本NTT DoCoMo公司在2003年的外场试验选用OFDM

25、技能，在100MHZ带宽中抵达了100Mbits/s数据传输速度，表现出了OFDM/MIMO技能在供应高的带宽传输和岑岭速度方面的巨强本领。2000年，Flarion公司研发了Flash-OFDM系统，经历商用组网测试初步考证了OFDM系统具有大规模组网本领。2006年，数学国外移动通讯运营商共同建树了下一代移动网络（Next Generation Mobile Network,NGMN）论坛，它引颈了新一代宽带移动通信的趋势，促进NGMN论坛变为无线通讯领域最具影响非标准化组织。国际研究和标准化工作，从促进LTE项目的开发，或用于LTE的技术指标，或LTE认证设备可以实现与LTE的经验教训提

26、供参考学习。同时，在全球宽带移动通信的研究，我们也组织相关的研究，并积极参与国际交流和标准化工作。在“十五”期间，以高校为主的国家的“863”计划在未来的大学为基础的国家已表现出对中国B3G关键技术的研究实现。在实施基础研究项目的同时，我国十分重视B3G等宽带移动通信的标准化工作。在随访中，国际标准化的学术交流活动，积极组织国内相关标准化工作。我国踊跃投身于中国，日本和韩国(CJK)准则的共同项目。我国的一些单位还参与了欧洲winner项目，并且承担了部分的研究工作4。1.3MIMO的研究意义未来移动通讯要满足无论何时、无论何地、向无论何人供给迅速牢靠的通讯办事的要求。未来无线移动通信系统将拥

27、有高的数据传输率、高的频谱利用效率、低的发射功率、灵活的业务支撑能力，会把无线通信的传输容量和速率提高十倍乃至数百倍。跟随各类宽带数据交易和无线通讯业务的不停开发，通讯资源，特别是频带资源变得愈来愈重要，高速效率地使用数量稀少的通讯条件已经变成了无线通讯技能变化的关注点。研究表明，多根天线的MIMO技术可以在不加多系统带宽和天线总发送功率的情形下，充分使用空间资源，有用的抗衡无线信道的衰败，大幅度提升体系的信道数据容量和频谱条件利用率。然而，MIMO体系高容量目标实现和体系其它本能指标和MIMO体系使用的各类信息计算方法的好坏很高程度上仰仗MIMO信道特色，特别是各个天线之间的相关性00。每每

28、假如传输信道是单独的，继而对MIMO信道性能进行模拟，这与现实中的MIMO信道肯定具有空间上的相互关性是矛盾的。信道相关联的性质很高深度上会改变MIMO体系的机能。1.4论文的主要工作和贡献本文重点研究LTE-A系统中的MIMO信道容量，文中对MIMO系统的信道容量进行分析和计算机仿真，在理论角度上推导和剖析对比了SISO、SIMO、MISO、MIMO系统信道容量表达式，这个推导的过程是在在慢衰落瑞利信道条件下进行的。分析了无线信道的基本特征和无线信道的多径效应，推导了描述多径衰落的频率选择性和信道响应时变特性的参数，推导了莱斯信道模型和瑞利信道模型的使用条件，并且给出了典型模型的具体数学表达

29、。2LTE系统介绍1G使用蜂窝组网，标准：AMPS、TACS等。采用模拟技术和频域划分多址(FDMA)等技术。2GIS-95，数字技术，GSM，使TDM、FDM、CDMA提供数字语音业务和低速数据业务。3GTD-SCDMA、CDMA2000、WIMAX、WCDMA、，技能指示标准：室内的速度达到2Mbps，室外的速度达到385kbps，行车的速度达到144kbps。能够完成高速率传输，语音业务及宽带多媒体，无线接入Internet等服务。4G(LTE)使用正交频分复用及多输入多输出技术。在200MHZ体系带宽下，下行峰值速度达到100Mbps，上行峰值速度达到50MHZ18。提供IMS等高速数

30、据传输任务。2.1LTE的关键技术LTE项目是4G标准(4th-Generation)技术，这是优于现有的3G技术，具体表现方面如下：抬高了峰值速度和频谱效用、系统带宽安排十分变通、保障了服务质量而且很高程度上减小了网络时延等19，这是LTE-A技术研究的前提和基础，也是目前全球主流运营商的选择。2.1.1LTE系统和物理层相关的性能指标（1）对变通系统支持宽带范围1.4-20MHZ。（2）支撑下行峰值速度高达100Mbit/s，上行峰值速度也达50Mbit/s。（3）同时支持FDD和TDD系统，并要求两种系统的设计差异尽量小。2.1.2多载波技术传统意义上的频分复用(FDM)和频分多址(FD

31、MA)技术把相对来说比较宽的频带分解成许多个相对较窄的子载波来并行传输，在相邻子载波之间保留较大的间隔，以此来避免各个子载波之间形成的串扰20。正交频分复用(OFDM)的子载波间堆叠分布，并且子载波之间相互正交，用来防止各个子载波之间形成的干预。有一部分重叠分布的子载波能够在很大程度上增进进频谱效率的提升。LTE的上下行链路分别采纳单载波频分多址(SC-FDMA)技能21和正交频分多址(OFDMA)技能。LTE物理层下行接收机信号处理框图如图2-1所示。其中接收端处理流程可以认为是发射端反向操作。图2-1 LTE下行链路接受端信号处理示意框图2.2LTE的工作方式定义LTE项目为3G技术的演进

32、，按照3GPP的要求，LTE既要支持在成对频谱中的部署，又要支持在非成对频谱中的部署，以此来使用现在所有的3G频段，并在未来当第二代移动通讯体系退出网络后，它可以重复使用留出的频段。是以，LTE体系需求支撑TDD和FDD两双工模式。同时，LTE还考虑支持半双工FDD(Half-duplex FDD, H-FDD)这种特殊的双工方式。2.2.1FDD双工方式FDD双工方式是指在蜂窝通信系统中的上行链路信号下两不同频段的信号分别发送，某些特定频段保护间隔是上行和下行频段之间留。为了避免干扰之间的上行链路和下行链路信号。HDD使用上下行成对频段，信号的发射与接收可以同时进行，因而减少了上下行信号间的

33、反馈时延。FDD双工方式在功率控制、链路自适应、信道和干扰反馈等方面有独特的优势。2.2.2TDD双工方式TDD双工方式中，发射与接收信号在同一频带，上行信号和下行信号由不同的时间段内的发送来识别。TDD双工方式的信号能够在不是成对的频段内发送，因而相比于FDD系统拥有配置灵活的特点。同时，因为上下行信号占用的无线信道资源能够通过调节上下行时隙间的比例灵活更改，非常适应于3G和B3G等以IP分组业务为主要特性的移动蜂窝网络。TDD能够使用信道的对称性，这给系统的信道估计的简便，信号测量和多天线技术带来了益处。近年来随着TD-SCDMA(Time Division-Synchronous Cod

34、e Division Multiple Access，时分同步码分多址)产业的不断完善以及TDD设备的日趋成熟，蜂窝移动通信领域加大了对TDD系统的研究力度，在随后的演进系统中TDD双工模式将会扮演更加重要的作用。2.2.3H-FDD双工方式H-FDD是相对于现有的FDD而言的另一种双工方式。在半双工FDD中，基站应用全双工FDD形式，尽管采用成对频谱终端的发射信号与接收信号在不同的频带上传输，但其接收和发射信号却不能够同时进行。H-FDD在接收处接收信号和在发送处发送信号的方法和TDD类似。在LTE中采纳H-FDD的法子基于以下几点思考。首先，从能带结构的角度来看，因为很多零碎的频段的存在，

35、全双工FDD方法是不可能满足所有的部署；其次，在H-FDD终端收发双工模式没有FDD严格，所以最终的价格相对较低；再次，对于一些业务，数据传输速率相对较低，H-FDD方式可以减少功率损耗，延长电池的使用时间。LTE-A引入了多输入多输出、正交频分多址复用/SC-FDMA等技能，因而物理层布局相比于原来的其它通信准绳有太大的分歧，主要体现在无线帧结构、参考信号配置等方面。在3GPP制订的LTE/LTE-A技术准则中，TS36.201对物理层举行了完全的描绘7，TS36.211则解释说明了发送和接收物理信道、参考信息，介绍了框架结构，调制的方法和如何生成OFDM和SC-FDMA信号等8。对LTE-

36、A物理层技术的介绍，结合以上规格。LTE无线接口是指用户与网络之间的接口，包括三个亚层，协议结构如图2-2所示，子层环说服务接入点之间的不同的层或层(SAPs，Service Access Points)。图2-2物理层周围的无线接口协议架层2的介质访问控制(MAC，Medium Access Control)子层与层1的物理层和层3的无线资本掌管(RRC，Radio Resource Control)子层之间具有接口。MAC子层的传输信道由物理层提供，传输信道描述了信息的传输方式，即定义了“信息是如何传输的”。而层2的无线链路控制(RLC，Radio Link Control)亚层的逻辑信道

37、则由MAC亚层提供，逻辑信道描述了信息的类型，即定义了“传输的是什么信息”。物理层完成了传输通道向物理传输通道的映照，落成了经历传输通道为接入口朝上层提供数据传送的服务。为了实现数据传输，物理层将提供下面的一些功能9：在传输信道进行差错检测并向高层提供提示信息；前向纠错（FEC，Forward Error Correction）编码/解码的传输通道；混合自愿重传(HARQ)申请；编码的传输通道与物理信道之间的速度配合；编码的传输通道向物理通道的映射；物理通道的功率相加；物理通道的调制与解调；频率同步和时间同步；无线功能(radio characteristics)测量朝上提供指示信息；多输入多

38、输出(MIMO)天线处理；传输分集；波束赋形；射频处理等等。2.3无线帧结构在物理层规范，时间域通常是由时间单位多表示，它被定义为时间单位，在15000者之间的间隔为15KHz，该定义为，其中，子载波之间的间隔是15kHz，具有最高的带宽分配和数为204810。LTE-A系统的上行和下行信道都以无线帧结构传输数据，一个无线子帧的长度为：。LTE-A系统支持TDD和FDD双工模式，由于TDD使用向上和向下之间的时间差，资源是不连续的，有必要引入保护间隔避免上下之间的干扰。所以LTE-A分别设计了用于FDD的帧构造范例1和用于TDD的帧构造范例2。2.3.1帧结构类型1帧构造范例1用于全双工和半双

39、工的FDD模式。每个无线报文共有20个时隙，是时隙0到19，它们的总长为10ms，每个长为。每个子帧由两个连续的时隙组成，即子帧包括第和第时隙。如图2-3所示11。图2-3帧结构类型1在同一频道不同时隙发送和接收信号的FDD模式。所以对于每一帧，10帧可以分为下行也可以用来传送上行，依靠FDD频分和资源下行单方向在时间上是连续的。2.3.2帧结构类型2如图2-4所示，帧结构类型2适用于TDD模式。每个无尽的数据帧包括两个半帧，每一半帧长是，含有8个时隔（即4个子帧）和一个特别地域12，这个特殊的地域由下行导入频时隔(DwPTS，Downlink Pilot Time Slot)、上行导入频时隔

40、(UpPTS，Uplink Pilot Time Slot)和保护间隔(GP，Guard Period)组成的。图2-4帧结构类型2（切换周期为5ms）协定规定GP、UpPTS和DwPTS的长能够由系统配置，这三个物理量的总长要为1毫秒。在LTE-A中，上、下行子帧报文切换时间蕴含5ms和10ms两种情形，此中U示意用于朝上传输的子报文，D是以朝下传输的子报文，蕴含GP、UpPTS以及DwPTS的特别子报文用S来表现。当切换周期为5ms时，子帧2、子帧7和UpPTS将用来进行上行传输。当切换周期是10ms时，DwPTS在两个半报文中生存，然而UpPTS和GP仅仅在第一个半报文中生存，在第二个半

41、报文中的DwPTS计量尺度为1ms。子帧2和UpPTS将来认为朝上的传输，子帧9和子帧7将来认为朝下的传输。在上面的两种开关周期处境中，子帧0和子帧5以及DwPTS牢固的用于下行传输。2.4LTE的关键技术MIMOMIMO是LTE的关键技术之一，由于本文要介绍MIMO信道容量，所以一下部分着重介绍MIMO。MIMO无线通信体系是使用时空处置为根本方式对信号举行剖析的。该系统在多径传输的过程中，不仅能够提高频谱的利用率，还有效地加快了传输速率，因而被看做成核心突破点，为新一代无线通信系统开辟了更广阔的前景。MIMO技巧因为空间中具备多个发射的天线和接收的天线，因此在信道模式、信道系统的容量等方面

42、都有其特别独到的复杂性。介绍了MIMO系统的MIMO结构。2.4.1MIMO系统的概念MIMO技术的出现为无线移动通信开创了一个崭新的领域，可以在很大程度上提高系统的频谱效率。简单来说MIMO技术的工作原理：把需要传送的数据分解成若干个并行的数据流，之后在多根天线上各自进行同时同频率的数据传输，而且发射端天线的总共发射功率保持不变。然后，再由接收端的多条天线单独的收到多个不同的数据流，在接收终端将其辨认判别，而且是使用MIMO解调技巧，最后规复出来发射端天线的原数据流。（1）分集增益 多径衰落信道的传输的可靠性可以通过由每个天线的空间分集改善。一个发射天线的传送途径中的数据体验了深度削弱的假设

43、的情况下，其他一个相对来说独立的传送途径很可能有一个较强烈的信号输送。因此，我们可以挑选多个信号在多径信号中，能够升高接收端天线的瞬时的信号噪生比率和平均的信号噪声比率，提升20-30dB13的幅度。 （2）阵列增益就是通过预编码技术或是波束成形技术，把一个甚至多个指定方向上的能量集合起来。 （3）空间复用增益 它使用了空间中信道彼此之间的强和弱的互相关联性，同时传输有差别的信号数据流分别在多个彼此独立的空间信道上，如此能够使数据传输的峰值速度大大的升高。2.4.2MIMO系统常见的几种传输模式（1）单天线模式单天线模式就是传统无线传播信道，也就是理解意义上的一发一收，即单个发射天线发送数据流

44、，经由信道，再由单个接收天线接收。 发射端接收端图2-5单天线模式（2）发射分集模式发射分集模式就是多个发射天线发出同样的信号做复数变化，提高了系统的可靠性。发射端接收端图2-6天线发射端口的发射分集（3）空间复用模式空间复用就是发射端的多根天线同时发送不同的信号，接收端的多根天线分别接收，提高了传输数据量和系统的有效性。发射端接收端图2-7空间复用模式MIMO体系在输入讯息的过程中，首先利用空时的处理的技术将串行比特流变换为几个并行子数据流，然后在相同频率下通过不同天线发送出去。在体系的回收端，因为信号的传输途径不止一条，因此不光要保证天线组数不少于发射天线数目，还应该准确地估算出来信道的特

45、色和子码流间的干系。只有将这几路信号联合处理，才能将有效信息从发送子流中分离，最终转换成串行码输出。它的工作原理如图2-8所示。空时处理RXRXRX空时处理TXTXTX多径信道图2-8MIMO系统的原理图恰是基于MIMO体系通道能够为多数并行子通道的突出特点，抵抗信息衰落和抵抗信息干扰的能力体系能够提高，传输速率和利用带宽率比较好。2.4.3MIMO系统的优点MIMO技术利用多天线配置，充分利用时空资源，改善在衰落信道下的系统容量。系统容量14，它是在一定信噪比下的传输速率最大值，在通信系统的计量工作中，是一个重要的性能指标。当传输信道为瑞利衰落和单独存在，MIMO收发器是N M，其容量可表示为式（2-1）: (2-1)上式中，是接收端收到信息的平均信噪比，是信道的系数矩阵，其元素是其中一条路径的衰落系数。如果，很大，那么信道容量可以近似为： (2-2)由式（2-2）知，当minM,N线性增大时，MIMO体系的信道容量也会相互对应的呈线性增长的趋势变大。3无线衰落信道的基本特征无线通信都是通过电磁波来传递消息的。电磁波在传播过程中有直射、反射、散射和衍