兩種MIMO系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)下行信道容量，并通過MATLAB仿真得出結論，分布式MIMO系統(tǒng)在提高下行信道容量方面比集中式MIMO系統(tǒng)具有更大的優(yōu)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(fā)展，現(xiàn)有通信系統(tǒng)的容量早已無法滿足用戶高速率、及時和高穩(wěn)定性的通信需求。多輸入多輸出(Multiple Input Multiple Output, MIMO)技術的優(yōu)點在于可以同時接收和發(fā)送多路信號，達到增大系統(tǒng)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(tǒng)的信道容量是反映通信系統(tǒng)品質的一個重要指標，體現(xiàn)了通信系統(tǒng)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(tǒng)又可以分為集中式MIMO通信系統(tǒng)和分布式MIMO通信系統(tǒng)。

分布式MIMO系統(tǒng)與集中式MIMO系統(tǒng)相對比而言，它因為天線密度的增加，減少了移動終端的發(fā)射功率，同時減少了天線相關性的影響，使分布式MIMO系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)在近距離的優(yōu)點也會具有一定的技術優(yōu)勢。所以，無論是從科技發(fā)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(tǒng)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(lián)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(xiàn)的。而結合MIMO技術和分布式天線系統(tǒng)兩者優(yōu)點的分布式MIMO系統(tǒng)，經過研究表明其優(yōu)于傳統(tǒng)的集中式MIMO系統(tǒng)，也成為了關注的熱點，同時為該系統(tǒng)的相關技術的研究奠定了基礎。有學者從不同的角度出發(fā)來證實分布式MIMO系統(tǒng)的優(yōu)勢所在。從信息論的角度有人證明了分布式MIMO系統(tǒng)比集中式MIMO系統(tǒng)提升更多的系統(tǒng)容量增益，也有專家在實驗環(huán)境下仿真比較了分布式MIMO系統(tǒng)和集中式MIMO系統(tǒng)信道容量的差別，得出的結論顯示分布式MIMO系統(tǒng)的信道容量比集中式MIMO系統(tǒng)更大。在如今這個無線頻譜資源日益緊缺的環(huán)境下，MIMO系統(tǒng)或者是說分布式MIMO系統(tǒng)已經展現(xiàn)出它非凡的優(yōu)勢，可能會成為4G移動通信系統(tǒng)的解決良方，得到更加重視和使用。

本文就從系統(tǒng)下行信道容量方面入手，比較分布式MIMO系統(tǒng)和集中式MIMO系統(tǒng)在系統(tǒng)性能方面的差異。分布式和集中式天線系統(tǒng)都是(M,N,L)系統(tǒng)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(tǒng)來表示分布式MIMO系統(tǒng)，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(huán)境下，(4,2,2)分布式MIMO系統(tǒng)和(4,1,4)集中式MIMO系統(tǒng)的信道容量之間的對比如下圖1所示。

圖1 分布式MIMO系統(tǒng)（DMS）和集中式MIMO系統(tǒng)（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(tǒng)與集中式MIMO系統(tǒng)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(tǒng)的接收天線端由于自身系統(tǒng)的特性天線分布在各個不同的地理位置，比集中式MIMO系統(tǒng)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(tǒng)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(jié)約了移動臺自身的發(fā)射功率，增加了系統(tǒng)效率。

[1]Wang Y, Cao H. An Upper Bound on the Capacity of Distributed MIMO Systems With Rician/Lognormal Fading[J].IEEE Communications Letters, 2016, 20(2): 312-315.

[2]李其信.MIMO信道容量的研究[D].西北大學,2013.

[3]Liu Z, Dai L. A comparative study of downlink MIMO cellular networks with co-located and distributed base-station antennas[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications, 2014, 13(11): 6259-6274.

[4]Dai L. A comparative study on uplink sum capacity with co-located and distributed antennas[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 2011, 29(6): 1200-1213.