关于室内无线MIMO系统的接收机区域效果研究

论文摘要

在无线通信中,频谱是有限的资源,因此提出了以高成本进行高速数据传输。多天线系统的出现在不增加频谱使用的同时带来了容量的极大增长,因此它在无线通信系统的传输数据速率上取得了突破。目前,多天线技术被认为是下一代无线局域网中可行的解决方案。与传统的单天线系统相比较,多天线的使用提供了范围的扩展,可靠性的提高和更大的吞吐量。因此,多输入多输出（MIMO）系统已经成为无线通信和信息系统研究团体关注的焦点。由于对无线通信领域中实际MIMO系统的理解和设计能够提供许多思路,对于MIMO系统容量带来性能上局限的研究是十分重要的。应用在室内无线MIMO通信系统和视距及非视距传输中的多天线,对信道容量起作用。本论文构建了一个收发端具有2×2个天线的应用MIMO链进行通信的室内系统模型。在发送端和接收端之间放置了金属物以模拟NLOS环境,并应用FDTD法来分析MIMO信道。本文计算并比较了在LOS和NLOS情况下MIMO的容量差异;为进行更好的比较,还计算了MIMO信道容量的互补累积分布函数（CCDF）。研究发现LOS情况下MIM0的容量大于NLOS情况下的容量,由于收发端之间放置了金属物,故此结果是正确的。在这里金属物的作用相当于是一个障碍物,因为它导致了接收功率的降低。我们还发现在LOS和NLOS两种情况下,发射端在房间的中间位置时MIMO的容量较大,发射端在房间的角落位置时MIMO的容量较小。LOS情况下MIMO的容量更高,这是由于此时接收端能收到的功率比NLOS情况下的要高。当发射端移动到房间的角落位置时,无论是LOS情况还是NLOS情况,MIMO信道的容量都显著降低了。增加散射物数目可以增加信道容量,但是同时也增大了传输损耗,这是由于增加散射物导致了信号噪声比的降低。通过增加散射物可以增加信号传输路径,这对MIMO系统是有利的,然而增加的信号传输路径也引入了损耗。Friis方程表明,损耗的增加降低了接收信号强度,而这又降低了信号噪声比从而导致系统容量变得更差。本文进一步讨论了MIMO系统的应用、大覆盖范围的问题,并比较了收发端具有不同数目天线的情况,从而发现MIMO能够提供比其他天线系统更好覆盖范围。信道容量是无线系统中的一个重要指标,较大的覆盖范围对无线系统同样重要。在移动无线系统中,手机的体积与覆盖距离的平方成正比,手机的体积决定了为覆盖一个区域所需要的基站数量,而基站的数量则是决定系统成本的一个关键因素。家庭应用中需要较大的覆盖范围以提供对整个区域的覆盖,这可以通过使用多个天线来解决。在MIMO系统中,信道容量可以通过增加天线数目得到提升,这样通过在低信噪比下应用较低数据通信速率,也可以实现一个较大的覆盖范围。本论文应用Cost-231传输模型计算系统的路径损耗,使用Friis公式来计算信号噪声比。通过仿真发现,SIMO系统能够提供比SISO系统和MISO系统更好的覆盖范围,MIMO系统则可以提供比SIMO、MISO和SISO都要好的覆盖范围。

论文目录

• ABSTRACT
• 摘要
• CHAPTER 1 INTRODUCTION
• 1.1 Background
• 1.2 Goals of Thesis
• 1.3 Author's contribution to the thesis
• 1.4 Organization of the thesis
• CHAPTER 2 WIRELESS COMMUNICATION SYSTEMS
• 2.1 Signal Propagation in Wireless Communications Systems
• 2.2 Capacity of Wireless Communication Systems
• 2.3 The Transmission Environment
• 2.4 Multiple Antenna Systems
• 2.5 Summary
• CHAPTER 3 MULTIPLE INPUT-MULTIPLE OUTPUT（MIMO）
• 3.1 MIMO System Model
• 3.2 Capacity
• 3.2.1 SISO System Capacity
• 3.2.2 SIMO System Capacity
• 3.2.3 MISO System Capacity
• 3.2.4 MIMO System Capacity
• 3.3 Capacity of deterministic MIMO channel
• 3.4 Capacity of random MIMO channel
• 3.4.1 Ergodic Capacity
• 3.4.2 Outage Capacity
• 3.5 Summary
• CHAPTER 4 MIMO APPLICATION
• 4.1 Extended Range in Wireless Communication
• 4.2 COST-231 Propagation model
• 4.3 Signal to Noise ratio（SNR）
• 4.4 Summary
• CHAPTER 5 FINITE DIFFERENCE TIME DOMAIN（FDTD）
• 5.1 Background
• 5.2 Introduction
• 5.3 Strength of FDTD method
• 5.4 Weakness of FDTD method
• 5.5 Electromagnetic Simulation in 1-D free space
• 5.6 Electromagnetic Simulation in 2-D space
• 5.7 Three-Dimensional Electromagnetic Simulation
• 5.8 Stability Condition
• 5.9 Absorbing Boundary Conditions（ABC）
• 5.10 Perfectly Matched Layer（PML）
• 5.11 Summary
• CHAPTER 6 INDOOR WIRELESS MIMO SYSTEM
• 6.1 Analysis Model
• 6.2 Modeling method
• 6.3 MIMO capacities
• 6.4 Analysis Results
• 6.5 Summary
• CONCLUSION
• REFERENCES
• PUBLISHED PAPERS DURING STUDY OF MASTER'S DEGREE
• ACKNOWLEDGEMENTS