潘蕾 江西省药品检验检测研究院

两种MIMO系统下行信道容量问题的对比研究

潘蕾 江西省药品检验检测研究院

多输入多输出(Multiple Input Multiple Output, MIMO)技术能够大大增加系统的信道容量以及提高链路传输信息的品质，然而基站天线的拓扑结构对容量的影响也值得关注。本文的主要内容是对比学习分布式和集中式两种MIMO系统下行信道容量，并通过MATLAB仿真得出结论，分布式MIMO系统在提高下行信道容量方面比集中式MIMO系统具有更大的优越性。

分布式MIMO 集中式MIMO 信道容量

由于人们生活水平的逐渐提高以及通信技术的高速发展，现有通信系统的容量早已无法满足用户高速率、及时和高稳定性的通信需求。多输入多输出(Multiple Input Multiple Output, MIMO)技术的优点在于可以同时接收和发送多路信号，达到增大系统容量和传输速率的目的，又也能够增加信道的安全性，降低信息传输时的误码率。系统的信道容量是反映通信系统品质的一个重要指标，体现了通信系统能进行无错误传送的最大信息率。根据基站天线是集中摆放还是地理位置分散摆放，MIMO系统又可以分为集中式MIMO通信系统和分布式MIMO通信系统。

分布式MIMO系统与集中式MIMO系统相对比而言，它因为天线密度的增加，减少了移动终端的发射功率，同时减少了天线相关性的影响，使分布式MIMO系统可以增大更多的信道容量，又因为天线分布方式的不同，也增加了天线覆盖程度。同时以后的通信系统中的载频会逐渐增加高，这样就导致会加速信号传输时衰减的速度，分布式MIMO系统在近距离的优点也会具有一定的技术优势。所以，无论是从科技发展还是日常生活的角度考虑，对其都有着积极的研究意义。然而分布式MIMO系统进行基站天线配置的时候，因为远端天线单元需要分散分布，摆放起来会比较的麻烦，特别是在天线单位比较多的情况下。

早在二十世纪初期马可尼就已经提出用MIMO技术来对抗衰落，并且效果十分显著。在上个世纪七十年代有人把MIMO技术和通信联系在了一起，但是真正意义上让MIMO技术进入并成为通信领域主要技术的是上世纪九十年代由ATamp;T贝尔实验室的专家们实现的。而结合MIMO技术和分布式天线系统两者优点的分布式MIMO系统，经过研究表明其优于传统的集中式MIMO系统，也成为了关注的热点，同时为该系统的相关技术的研究奠定了基础。有学者从不同的角度出发来证实分布式MIMO系统的优势所在。从信息论的角度有人证明了分布式MIMO系统比集中式MIMO系统提升更多的系统容量增益，也有专家在实验环境下仿真比较了分布式MIMO系统和集中式MIMO系统信道容量的差别，得出的结论显示分布式MIMO系统的信道容量比集中式MIMO系统更大。在如今这个无线频谱资源日益紧缺的环境下，MIMO系统或者是说分布式MIMO系统已经展现出它非凡的优势，可能会成为4G移动通信系统的解决良方，得到更加重视和使用。

本文就从系统下行信道容量方面入手，比较分布式MIMO系统和集中式MIMO系统在系统性能方面的差异。分布式和集中式天线系统都是(M,N,L)系统的特殊例子，其中M表示移动台终端天线根数，N 表示基站远端天线单元个数，L表示每个基站远端天线单位上天线根数。我们使用一个(4,2,2)的系统来表示分布式MIMO系统，它的移动台上有4根天线，同时有2个远端天线单元，并且每个远端天线单元上都有2条天线。然后假设路径损耗因数α=4，同时移动台自身相邻天线之间和天线端口内也相邻的天线之间的相关系数两者保持相同。在这样的仿真环境下，(4,2,2)分布式MIMO系统和(4,1,4)集中式MIMO系统的信道容量之间的对比如下图1所示。

图1 分布式MIMO系统（DMS）和集中式MIMO系统（CMS）信道容量对比

从图1可以看出，在保持天线总数不改变的前提下，分布式MIMO系统与集中式MIMO系统相比较，在相同的信噪比情况下可以得到更大的信道容量。原因在于集中式MIMO系统的接收天线端由于自身系统的特性天线分布在各个不同的地理位置，比集中式MIMO系统获取了更大量的宏分集增益，这就是造成了明显增大信道的容量的原因。另一角度也表明分布式式MIMO系统的多天线分布与集中式的不同，它在各个位置都存在，使得移动台到基站天线之间的距离长度大大减小，这就使路径损耗也降低，解决了远近效应所引起的情况，同时节约了移动台自身的发射功率，增加了系统效率。

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