题 目 多天线通信系统的容量性能研究
- 本课题研究的目的、意义及国内外研究概况。
进入21世纪后，无线通信网络技术高速发展，同时无线通信网络中数据业务迅速增长。根据业界的普遍预测，在未来10年间里，数据业务将以每年1.62倍的速率增长，预计到2020年通信网络的容量需求将是目前的1000倍[1]，这无疑给整个无线通信网络带来了巨大的挑战。而多天线技术作为一种增强通信系统的方法，很早就应用到了无线通信网络中，且其价值也在无线通信领域得到了认可。研究表明，作为多天线技术之一的多进多出MIMO（Multiple Input Multiple Output）技术能够很好的提高无线通信系统的频谱利用率。采用MIMO技术在室内传播环境下的频谱效率能够达到2040bit/s/Hz，而使用传统的无线通信技术在移动蜂窝中的频谱效率仅为15bit/s/Hz，在点对点的固定微波系统中也只有1012bit/s/Hz[2]。由此可见，多天线技术能够在不增加功率和带宽资源的前提下有效的提高无线网络的频谱效率。
多天线技术主要是指智能天线技术和MIMO技术。基于WCDMA, CDMA2000和TD-SCDMA技术的第三代移动通信系统应用的多天线技术主要是智能天线技术[3]。智能天线技术可以克服多用户间的干扰，通过空分多址增加频谱效率和信道容量；并且能够有效的抵抗多径衰落的影响，从而提高通信质量；同时，对功率的控制也可以通过在网络建设初期增加基站的覆盖范围来实现。因此，应用到支持多种业务的第三代移动通信系统中，很好的提高了传输速率，增加了频谱宽度，从而使通信服务质量得到了极大的提高。而MIMO技术是在3G向LTE（Long Term Evolution）演进中被引入的，它和正交频分复用技术0FDM相结合在LTE中起到了巨大的作用。第四代移动通信系统应用的多天线技术是智能天线技术和MIMO技术的结合，两者的结合使第四代移动通信系统在不占用额外的频谱和传输功率的前提下大大增加了传输速率和传输的可靠性[4]。据专家预测，能够高效处理特性差异巨大的各种业务的下一代移动通信系统5G（IMT-2020）将使用大规模天线技术[5]，大规模天线技术在5G中的引入将使系统的传输速率大大的提升，它将是5G通信中具有革命性的技术之一。
自从马可尼在1895年发明第一台传送无线信号的机器后，无线通信技术便开始迅速发展。特别是进入21世纪后，在新技术革命和全球信息高速公路建设浪潮的影响下，无线通信技术的发展更出现突飞猛进的势头。
20世纪70年代末，人们进入了第一代无线通信技术时代，该技术是以频分多址为基础的模拟式移动通信系统。由于受频谱利用率低的限制，第一代无线通信只能传输语音信号，对于传输大数据只能是可望而不可即。
20世纪80年代后期，人们进入了以数字移动通信技术为标准的第二代无线通信技术时代。在这一时代，研究人员利用时分多址和码分多址技术，提高了频谱利用率，支持更大的信道容量，它能达到的最大传输速率为32kbps[7]。在此基础上，移动通信公司推出了GPRS和EDGE等更加先进技术，使移动传输速率提高到了上百kbps，也有人称这时为2.5代移动通信技术。
进入21世纪后，为了进一步增加移动通信的信道容量，基于WCDMA,CDMA2000和 TD-SCDMA技术的第三代无线通信技术开始崭露头角。第三代移动通信技术支持多种业务，提高了传输速率，增加了频带宽度，并且服务质量更高，成本低。但是,无线通信技术仍然面临有哏的频谱以及越来越复杂的实时信道环境,如衰减和多径效应等。因此在不占用额外的频谱和传输功率的前提下增加系统的传输速率和传输的可靠性变得至关重要。在这种情况下,基于多输入多输出技术的第四代无线通信技术诞生了,其传输速率可达1Gbps[8]。
二、研究内容
1 MIMO系统基本原理
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