仿真实验二：MIMO系统信道容量仿真比较

仿真实验二：MIMO系统信道容量仿真比较

一、实验目的：

MIMO多天线系统所提供的空间复用增益和空间分集增益可以极大地提高无线链路的容量和质量。现有的研究成果己经表明，MIMO所能达到的极高的频谱效率是目前任何一种无线技术所不及的，因此它被认为是未来第四代移动通信系统的备选关键技术之一。根据信道的输入输出情况，使用多天线技术的通信系统可以分为单输入多输出SIMO（Single-Input Multiple-Output）系统、多输入单输出MISO（Multiple-Input Single-Output）系统，以及多输入多输出MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）系统三种类型。本实验将根据香农定理和信道模型，推导出MIMO信道容量公式，并且进行仿真分析。

二、实验原理：

根据不同的传输信道类型，可以在无线系统中使用相应的分集方式。目前，主要的分集方式包括时间分集（不同的时隙和信道编码）、频率分集（不同的信道、扩频和OFDM）以及空间分集等。多天线系统利用的就是空间方式，而MIMO作为典型的多天线系统，可以明显提高传输速率。而在实际的无线系统中，可以根据实际情况使用一种或者多种分集方式。

三、试验程序： clear all; close all; clc; M = 1000; Nt = [1,2,4 8]; Nr= [1,2,4,8];

s={'b-o','b-*','b-square','b-hexagram'}; SNR = [0:2:16]; ? figure(1);

title('compare of a MIMO system and a SISO system') xlabel('SNR [dB]'); ylabel('Capacity'); grid on hold on;

for n = 1:length(Nt), t = Nt(n); r = Nr(n); for m = 1:M,

H = raylrnd(1,r,t); for l = 1:length(SNR), rou = 10^(SNR(l)/10);

% Find the capacity while CSIT unknown CU(m,l) = log2(real(det(eye(r)+rou*H*H'/t))); end end

C_unknown(:,n) = mean(CU)'

for l = 1:length(SNR),

[cdf_u,co_u] = hist(CU(:,l),100); cdf_u = cumsum(cdf_u);

idx_ten_percent = find(abs(cdf_u-100)==min(abs(cdf_u-100))); C_unknown_outage(l,n) = co_u(idx_ten_percent(1)) end

figure(1); linetype = s(n);

plot(SNR,C_unknown(:,n),deal(linetype{:})); legend('Mt=1','Mt=2','Mt=4','Mt=8') end

四、试验参数选择： 1.输入天线的数目； 2.输出天线数目； 3.信噪比。

五、实验结果及分析：

结果： C_unknown = 1.3155 1.6986 2.1356 2.6203 3.1457 3.7044 4.2896 4.8956 5.5175

C_unknown_outage = 0.2042 0.3252 0.4726 0.7028 1.0357 1.3525 1.7855 2.3546 2.9015 C_unknown = 1.3155 2.3785 1.6986 3.0038

2.1356 3.7040 2.6203 4.4740 3.1457 5.3094 3.7044 6.2062 4.2896 7.1604 4.8956 8.1679 5.5175 9.2242 C_unknown_outage = 0.2042 1.4566 0.3252 1.9198 0.4726 2.4738 0.7028 3.1162 1.0357 3.7564 1.3525 4.4510 1.7855 5.1899 2.3546 5.9653 2.9015 6.8837 C_unknown =

1.3155 2.3785 1.6986 3.0038 2.1356 3.7040 2.6203 4.4740 3.1457 5.3094 3.7044 6.2062 4.2896 7.1604 4.8956 8.1679 5.5175 9.2242 C_unknown_outage =

0.2042 1.4566 0.3252 1.9198 4.0213 5.0527 6.2380 7.5806 9.0794 3.2382 4.0960

10.7283 12.5172 14.4337 16.4641 0.4726 2.4738 5.0694 0.7028 3.1162 6.1805 1.0357 3.7564 7.4934 1.3525 4.4510 8.8301 1.7855 5.1899 10.3827 2.3546 5.9653 12.0839 2.9015 6.8837 C_unknown =

1.3155 2.3785 1.6986 3.0038 2.1356 3.7040 2.6203 4.4740 3.1457 5.3094 3.7044 6.2062 4.2896 7.1604 4.8956 8.1679 5.5175 9.2242 C_unknown_outage =

0.2042 1.4566 0.3252 1.9198 0.4726 2.4738 0.7028 3.1162 1.0357 3.7564 1.3525 4.4510 1.7855 5.1899 2.3546 5.9653 2.9015 6.8837 C_unknown =

1.3155 2.3785 1.6986 3.0038 4.0213 5.0527 6.2380 7.5806 9.0794 3.2382 4.0960 5.0694 6.1805 7.4934 8.8301 4.0213 5.0527 6.6507 8.4439 10.5789 13.0714 15.9208 19.1117 22.6181 26.4074 30.4446 5.9434 7.5542 9.4740 11.7251 14.3170 17.2448 20.4929 24.1038 27.8940 6.6507 8.4439

13.9220 10.7283 12.5172 14.4337 16.4641 10.3827 12.0839 13.9220 2.1356 3.7040 6.2380 10.5789 2.6203 4.4740 7.5806 13.0714 3.1457 5.3094 9.0794 15.9208 3.7044 6.2062 10.7283 19.1117 4.2896 7.1604 12.5172 22.6181 4.8956 8.1679 14.4337 26.4074

5.5175 9.2242 16.4641 30.4446

compare of a MIMO system and a SISO system35Mt=1Mt=2Mt=4Mt=8 3025Capacity20151050 02468SNR [dB]10121416

分析：

在相同的信噪比下，当收发天线的数目越大，所对应的系统的容量也越大；当发射天线的数目越大，在信噪比增大的时候，所对应的系统的容量增加的也越明显；当接收天线数目和信噪比相同时，发射天线数目越大，所对应的系统的容量也越大；当发射天线和信噪比相同时，接收天线数目越大，所对应的系统的容量也越大。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/tfvf.html