基于matlab的mimoofdma系统的设计与仿真大学论文.docx

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本科毕业设计（论文）

题

目:

基于MATLAB的

MIMO-OFDMA系统的设计与仿真

学

院:

信息科学技术学院

专

业:

电子信息工程

班

学

级:

号:

学生姓名：

指导教师:

职称:

副教授

二○一六年五月十八日

基于MATLAB的MIMO-OFDMA系统的设计与仿真

摘 要

在信息时代的快速发展形势下，产生了越来越多的业务需求，用户对通信系统的性能提出了更高的要求。

基于正交频分复用（OrthogonalFrequencyDivision

Multiplexing，OFDM）技术和多输入多输出（MultipleInputMultipleOutput，MIMO）技术的无线通信系统在增加系统容量、提高频谱利用率以及对抗频率选择性衰落等方面具备优越的性能，是未来通信领域中的关键技术。

本文首先阐述了MIMO技术和OFDM技术的国内外研究概况，然后通过分析MIMO技术和OFDM技术的基本原理和系统结构，设计出简单的MIMO-OFDM系统。

基于MATLAB软件对所建立的MIMO系统的信道容量进行了仿真，并对SISO-OFDM系统和MIMO-OFDM系统的性能进行了比较，仿真结果表明，本文所提出的MIMO-OFDM系统方案能够在不增加误比特率的情况下增加信道容量，最后结合空时分组码（SpaceTimeBlockCoding,STBC）对MIMO-OFDM系统进行了完善并采用MATLAB对其性能进行了仿真，结果显示，相较于未完善的系统完善后的系统的误比特率指标明显降低，传输可靠性得到了极大的提高。

关键词：

无线通信；MIMO；OFDM；误比特率

PerformanceEvaluationofMIMO-OFDMASystemusingMatlab

Abstract

Astherapiddevelopmentofinformationtechnologyhasresultedinmoreinfluencesonpeople’sdailylivesandbusinesses.Higherrequirementsshouldbeprovidedbycommunicationsystemtomeetpeople’sneeds.Thecommunicationsystemwhich basedonthetechnologyofOrthogonal FrequencyDivisionMultiplexing（OFDM）andMultipleInputMultipleOutput（MIMO）enablestonotonlyincreasethesystemcapacity,butimprovethespectrumutilization,andmoreovertoeffectivelyagainstfrequencyselectivefading,hasbecomethekeytechnologiesinthefieldofcommunicationinthefuture.

Thispaperfirstgivesanin-detailedsurveyonMIMOandOFDMtechnologiesinacademicsociety.Afterthat,wedesignedasimpleMIMO-OFDMsystembymeansoftheanalysisofthebasicconceptsandthearchitectureofMIMOandOFDMtechnology.FollowedbyperformanceevaluationviaMatlabtocompareSISO-OFDMandMIMO-OFDMsystemsintermofchannelcapacityandBitErrorRate（BER）tovalidatetheproposedMIMO-OFDMsystemoutperformsSISO-OFDM.Finally,wefurtherintegratedspace-timeblockcodesintotheproposedMIMO-OFDMsystem,throughsimulationresults,wecanobservethatBERcanbesignificantreducedcomparedtoitscounterpartwhichwithoutimplementsspace-timeblockcodes.

Keywords:

Wirelesscommunication，MIMO,OFDM,BitErrorRate（BER）

目 录

第1章绪论 1

1.1课题背景 1

1.2国内外研究概况 1

1.2.1OFDM研究概况 1

1.2.1MIMO研究概况 2

1.2.2MIMO-OFDM研究概况 3

1.3论文结构 3

第2章相关理论基础 4

2.1OFDM基本原理 4

2.1.1OFDM数学描述 4

2.1.2OFDM系统框图 7

2.2MIMO原理及数学描述 9

2.2.1MIMO系统模型 9

2.2.2MIMO信道容量 11

2.2.3空时编码技术 11

2.3无线信道环境及数学描述 12

第3章仿真与分析 14

3.1MIMO信道容量仿真 14

3.2MIMO-OFDM系统与仿真 16

3.3基于STBC的MIMO-OFDM系统与仿真 19

3.3本章小结 20

第4章总结 21

4.1完成的工作 21

4.2不足与展望 21

致谢 22

参考文献 23

附录 24

南京林业大学本科生毕业设计（论文）

第1章 绪论

1.1课题背景

对于无线通信系统，其性能的优劣通常采用有效性和可靠性指标来进行评价。

其中，有效性的衡量一般采用频带利用率，而可靠性的衡量则通过误信率和误码率[1]。

故高频带利用率和低误码率是一个良好的无线通信系统所需具备的必要条件。

多输入多输出（MIMO）技术可以在无线信道上成倍地增大信道容量，它的另一个显著优点是提高了数据传输的可靠性，即降低了误比特率，并且这些优点的实现不需要提高发射功率或者增加信号带宽，高效地将空间资源转换为频谱资源。

然而，MIMO技术也存在缺陷，由于接收端接收到的信号实质上是多路信号互相重叠形成的，因此，不同时刻信号间在频率选择性信道中会出现码间干扰现象，导致频率选择性衰落[2]。

OFDM的基本思想是将一个高速率的数据流转换成很多并行的低速子数据流，将信道分成若干正交子信道，使低速子数据流依次调制到对应的子信道上进行数据传输[3]。

同时，由于每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，虽然总的信道并非平坦，但是每个子信道上可以看作是平坦性衰落，从而来消除ISI（InterSymbolInterference,符号间干扰），而且由于这一特性可以信道均衡变得相对容易，频率选择性衰落信道所带来的不良影响可通过普通的频域均衡消除。

鉴于此，将MIMO技术与OFDM技术结合不仅可以显著提高频谱利用率而使MIMO技术所存在的频率选择性衰落问题得到改善，而且可使数据速率极大提高，系统容量增加。

因此，MIMO-OFDM技术被视为下一代移动通信系统的关键技术，具有广阔的发展前景和现实意义。

1.2国内外研究概况

1.2.1OFDM研究概况

OFDM技术发展经历了较长的历史阶段，它的形成归功于许多通信领域科学家们的贡献。

早在20世纪60年代，利用子信道频谱相互重叠的并行数据来进行传输和实现频分复用的方法便被人提出，该方法可避免高速均衡的使用、抑制窄带脉冲噪声、对抗多径衰落，进而使频谱资源的利用率显著提高，可以说是

OFDM系统的雏形。

不久之后，该技术就被应用到了多种高频军事通信系统中，

20

这极大的促进了OFDM技术的进一步发展。

1966年，Robert.W.Chang发表文章

《OrthogonalFrequencyMultiplexDataTransmissionSystem》提出了传输信号通过一个带宽受限的信道时无ISI和ICI的原理。

1967年，BurtonR.Saltzberg发表文章《PerfomanceofanEfficientParallerData》提出：

设计一个有效的系统主要应该集中考虑如何减少相邻信道的交叉干扰（CrossInterference），而不是仅考虑每个独立的子信道情。

1971年Weinstein和Ebert通过文章《DataTransmissionbyFrequency-DivisionMultiplexingUsingtheDiscreteFourierTransform》提出把离散傅里叶变换（DiscreteFourierTransform，DFT）应用到并行传输系统中，用其实现多个调制解调器的功能，从而使正交频分复用只须经过基带处理便可实现而无需带通滤波器，使OFDM技术的实现难度大大降低，进而促进了OFDM技术的推广应用。

1980年，AbrahamPeled和AntonioRuiz对OFDM技术做出了一个重要贡献，他们在论文第一次引入了CP（CyclicPrefix，循环前缀）来解决正交性问题，他们将OFDM符号的循环扩展加入到了防卫间隔中，当CP大于信道冲激响应时间时，就能够实现弥散信道中子载波之间的正交性。

虽然加入CP也同时带来了能量损失，但是相比于其所获得的几乎是零的ICI，还是值得的。

而之后随着快速傅里叶变换（FastFourierTransform，FFT）的提出，以及近年来半导体技术和数字信号处理（DigitalSignalProcessing，DSP）技术的飞速发展，使得OFDM技术的运用愈加广泛。

目前，OFDM技术已经成功运用到多种无线传输标准中，比如有数字音频广播（DigitalAudioBroadcasting,DAB），数字视频广播（DigitalVideoBroadcasting,DVB），无线局域网IEEE802.11a/g和欧洲电信组织（EuropeanTelecommunicationsStandardsInstitute，ETSI）的宽带射频接入网的局域网标准HiperiLAN2,无线城域网IEEE802.16标准等,Wi-Fi和WiMAX技术的兴起使得OFDM成为一种“时髦”的技术。

同时也是长期演进（LongTermEvolution，LTE）技术中的三大关键技术之一，目前已在4GLTE技术中得到试用，预计仍然会作为未来5G中主要的调制技术。

1.2.1MIMO研究概况

早在1908年，Marconi就已经提出了有关MIMO技术的观点，他认为

MIMO技术可以用来实现抗衰落。

然而真正