MIMO系统信道容量分析

信道 | 信息论 离散无记忆信道信息的传播有三个部分: 输入 通道 输入 当输入只有3种符号的时候,每一种符号对应一个概率,那么我们就可以把输入分布用表格的形式写出来: X X1X_1 X2X_2 X3X_3 P P1P_1 P2P_2 P3P_3 要写输入分布也是同样的套路,把 XX 替换成 YY 即可。信道就是信息传播的通道,我们用一个信道矩阵来表示传播过程。对称的信道矩阵这里的对称与高等代数里面的 阅读详情

一. 两种信道容量分类

无线传输环境是时变的并且存在多径效应的影响,由于信道是实时变换的,MIMO系统的信道容量也是随机变换且不定量的。因此为了实现对信道的准确描述,则通过采用信道的平均容量和信道的中断容量来确定信道的性能。

1.1 平均容量

由于信道的时变性,可以采用平均容量来判断MIMO系统整体的信道容量的性能。

1.2 中断容量

中断容量需要确保MIMO系统能够可靠传输信号的信道容量。在一定的概率条件下,MIMO系统能够保证信息传输的速率是可靠的。信号的中断概率可以表示为如下:

P_{out}=P_r\lbrace C\leq C_{out}\rbrace

上式子中的C_{out}即为信道的中断容量。

由此,信道能够可靠传输信息的概率可以定义为如下:

(100-P_{out})%

由于在MIMO系统发送端发送信号时,时变的信道状态信息是未知的,在无线信道为准静态随机信道时,判断信道的性能可以通过定义中断信息的传输速率。发送端发送信息时,由于不知道无线信道的信道状态信息,导致发送的信息速率大于信道容量,信息则不能完成正常的传输,从而引起通信中断。此处也可以暗示中断概率和中断容量之间的关系。

二. 发送端未知CSI时,MIMO系统的信道容量

如果能够在发射端知道CSI,就能够对发射信号进行处理,将信道状况较好的空间子信道多分配功率,信道状态较差的空间子信道少分配或不分配功率,以达到信道容量的最大值。

在无线通信的过程中,MIMO系统在发送信号时,更多情况下不能确定时变的复杂信道状态,发射信号时对CSI是未知的,而在接收端能够分析信号传输过程中的CSI。为了让MIMO系统的信道容量更好,对未知CSI条件下的信道容量研究十分重要。

发送端在未知CSI条件下,对发送功率进行平均分配,接收端能够获得CSI,空间子信道在瑞利衰落环境下都为独立的,由此MIMO系统的信道容量可以表示为如下:
C=log_2[det(I_{min}+\frac{\rho}{N_T}HH^H)]

上式中I_{min}为min✖️min阶的单位矩阵,N_T为发送端的天线数量,det代表矩阵的行列式,ρ代表接收端的平均信噪比,H代表信道矩阵。

如果对信道矩阵HH^T进行奇异值分解,就能将信道容量改为如下:

C=\sum_{i=1}^m log_2(1+\frac{\rho}{N_R}\lambda_i)

上式中N_R为接收端的天线数量,\lambda_i为信道矩阵的特征数值。

2.1 收发天线数目相等

如果在接收端使用相干的检测合并技术,在每个天线上进行同频同相的处理,即MIMO系统的信道矩阵全为1,那么就可以把多发多收的MIMO系统等效为使用N_T或N_R个SISO系统,通过等效的每个单独存在的SISO系统,得到的分集增益是N_TN_R倍,更进一步信道容量为如下:

C=log_2(1+N_T N_R\rho)

2.2 接收端非相干检测合并

如果接收端使用非相干检测合并技术进行处理,由于信道中的干扰和噪声,使得空间子信道的信号产生相异,接收端的每个接收天线得到的信噪比依旧为ρ,总的接收信噪比为N_R\rho,与2.1中的相干检测合并技术下的等效SISO系统相比,此时的等效MIMO系统分集增益是N_R倍,由此非相干检测下的信道容量表示为如下:

C=log_2(1+N_R\rho)

2.3总结通用式

由于MIMO技术采用空间分集,MIMO系统能够组成的并行的空间子信道,它们在信道中传输相互正交,互不干扰。如果发送端和接收端天线数目相等,都为L个。信道矩阵表示为L✖️L的单位矩阵I_L,由此可得信道容量如下:

C=log_2[det(I_L+\frac{\rho}{L}HH^H)]=Llog_2[1+\rho]

从上式子中可以看出,当发送端和接收端天线数目相等的条件下,MIMO系统与SISO系统相比,MIMO系统可以得到L倍的增益。

CSI   信道状态信息(英语:channel state information,缩写为CSI)

SISO  单输入单输出(英语:simple input simple output,缩写为SISO)

Chapter 2 大规模MIMO系统信息论基础及信道容量分析 阅读详情

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