兩種MIMO系統下行信道容量問題的對比研究

潘蕾 江西省藥品檢驗檢測研究院

兩種MIMO系統下行信道容量問題的對比研究

潘蕾 江西省藥品檢驗檢測研究院

多輸入多輸出(Multiple Input Multiple Output, MIMO)技術能夠大大增加系統的信道容量以及提高鏈路傳輸信息的品質，然而基站天線的拓撲結構對容量的影響也值得關注。本文的主要內容是對比學習分布式和集中式兩種MIMO系統下行信道容量，并通過MATLAB仿真得出結論，分布式MIMO系統在提高下行信道容量方面比集中式MIMO系統具有更大的優越性。

分布式MIMO 集中式MIMO 信道容量

由于人們生活水平的逐漸提高以及通信技術的高速發展，現有通信系統的容量早已無法滿足用戶高速率、及時和高穩定性的通信需求。多輸入多輸出(Multiple Input Multiple Output, MIMO)技術的優點在于可以同時接收和發送多路信號，達到增大系統容量和傳輸速率的目的，又也能夠增加信道的安全性，降低信息傳輸時的誤碼率。系統的信道容量是反映通信系統品質的一個重要指標，體現了通信系統能進行無錯誤傳送的最大信息率。根據基站天線是集中擺放還是地理位置分散擺放，MIMO系統又可以分為集中式MIMO通信系統和分布式MIMO通信系統。

分布式MIMO系統與集中式MIMO系統相對比而言，它因為天線密度的增加，減少了移動終端的發射功率，同時減少了天線相關性的影響，使分布式MIMO系統可以增大更多的信道容量，又因為天線分布方式的不同，也增加了天線覆蓋程度。同時以后的通信系統中的載頻會逐漸增加高，這樣就導致會加速信號傳輸時衰減的速度，分布式MIMO系統在近距離的優點也會具有一定的技術優勢。所以，無論是從科技發展還是日常生活的角度考慮，對其都有著積極的研究意義。然而分布式MIMO系統進行基站天線配置的時候，因為遠端天線單元需要分散分布，擺放起來會比較的麻煩，特別是在天線單位比較多的情況下。

早在二十世紀初期馬可尼就已經提出用MIMO技術來對抗衰落，并且效果十分顯著。在上個世紀七十年代有人把MIMO技術和通信聯系在了一起，但是真正意義上讓MIMO技術進入并成為通信領域主要技術的是上世紀九十年代由ATamp;T貝爾實驗室的專家們實現的。而結合MIMO技術和分布式天線系統兩者優點的分布式MIMO系統，經過研究表明其優于傳統的集中式MIMO系統，也成為了關注的熱點，同時為該系統的相關技術的研究奠定了基礎。有學者從不同的角度出發來證實分布式MIMO系統的優勢所在。從信息論的角度有人證明了分布式MIMO系統比集中式MIMO系統提升更多的系統容量增益，也有專家在實驗環境下仿真比較了分布式MIMO系統和集中式MIMO系統信道容量的差別，得出的結論顯示分布式MIMO系統的信道容量比集中式MIMO系統更大。在如今這個無線頻譜資源日益緊缺的環境下，MIMO系統或者是說分布式MIMO系統已經展現出它非凡的優勢，可能會成為4G移動通信系統的解決良方，得到更加重視和使用。

本文就從系統下行信道容量方面入手，比較分布式MIMO系統和集中式MIMO系統在系統性能方面的差異。分布式和集中式天線系統都是(M,N,L)系統的特殊例子，其中M表示移動臺終端天線根數，N 表示基站遠端天線單元個數，L表示每個基站遠端天線單位上天線根數。我們使用一個(4,2,2)的系統來表示分布式MIMO系統，它的移動臺上有4根天線，同時有2個遠端天線單元，并且每個遠端天線單元上都有2條天線。然后假設路徑損耗因數α=4，同時移動臺自身相鄰天線之間和天線端口內也相鄰的天線之間的相關系數兩者保持相同。在這樣的仿真環境下，(4,2,2)分布式MIMO系統和(4,1,4)集中式MIMO系統的信道容量之間的對比如下圖1所示。

圖1 分布式MIMO系統（DMS）和集中式MIMO系統（CMS）信道容量對比

從圖1可以看出，在保持天線總數不改變的前提下，分布式MIMO系統與集中式MIMO系統相比較，在相同的信噪比情況下可以得到更大的信道容量。原因在于集中式MIMO系統的接收天線端由于自身系統的特性天線分布在各個不同的地理位置，比集中式MIMO系統獲取了更大量的宏分集增益，這就是造成了明顯增大信道的容量的原因。另一角度也表明分布式式MIMO系統的多天線分布與集中式的不同，它在各個位置都存在，使得移動臺到基站天線之間的距離長度大大減小，這就使路徑損耗也降低，解決了遠近效應所引起的情況，同時節約了移動臺自身的發射功率，增加了系統效率。

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