IEEE802.11ac標(biāo)準(zhǔn)的多用戶MIMO信道容量研究

摘要：IEEE 802.11ac是第五代無線局域網(wǎng)（WLAN）通信標(biāo)準(zhǔn)，多用戶MIMO技術(shù)的應(yīng)用使其通信速率和信道容量得到巨大提升，從而使IEEE 802.11ac標(biāo)準(zhǔn)日趨成為無線局域網(wǎng)的主流標(biāo)準(zhǔn)。本文在IEEE 802.11ac標(biāo)準(zhǔn)的隨機(jī)多用戶MIMO無線信道容量的計算理論的基礎(chǔ)上，對CSI未知與已知時的隨機(jī)多用戶MIMO無線信道容量進(jìn)行仿真，并對比分析了CSI未知與已知時不同天線配置下的隨機(jī)多用戶MIMO無線信道的容量。

關(guān)鍵詞：IEEE 802.11ac標(biāo)準(zhǔn) 多用戶MIMO 信道容量 CSI

中圖分類號：TN919.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2015）02-0000-00

1隨機(jī)多用戶MIMO無線信道容量的計算理論

與SISO系統(tǒng)相比，多用戶MIMO系統(tǒng)的發(fā)送端和接收端均采用多根天線，貝爾實(shí)驗(yàn)室的兩位學(xué)者E.Telatar和J.Foshini證明了與SISO系統(tǒng)相比，多用戶MIMO系統(tǒng)突破了傳統(tǒng)香農(nóng)信道容量（公式（1））的局限，其信道容量獲得了巨大提升，是傳統(tǒng)香農(nóng)信道容量的推廣[1]。

其中 表示中斷概率。中斷概率是信道容量的另一種表達(dá)方式，當(dāng)信道容量不能滿足用戶速率時，中斷事件隨之發(fā)生，該中斷事件呈概率分布，它取決于信道的平均信噪比和信道衰落分布模型[3]。無線信道采用瑞利衰落信道，在基于MATLAB的仿真中，設(shè)定SNR=10dB，中斷概率 =0.1，天線配置 = 、 或 。

仿真結(jié)果如圖1所示，即為發(fā)送端CSI（Channel State Information，信道狀態(tài)信息）未知、SNR=10dB、 = 、 或 的天線配置下的隨機(jī)多用戶MIMO無線信道容量的累計分布函數(shù)CDF，可以很明顯地看出：隨機(jī)多用戶MIMO無線信道容量隨著發(fā)送端和接受端天線數(shù)的增加而得到了改善。同時，利用MATLAB的data cursor（數(shù)據(jù)光標(biāo)）功能，從圖1可以得到中斷概率 =0.1時的中斷容量： = 天線配置下的隨機(jī)多用戶MIMO無線信道的中斷容量為3.791bps/Hz， = 天線配置下的隨機(jī)多用戶MIMO無線信道的中斷容量為9.216bps/Hz， = 天線配置下的隨機(jī)多用戶MIMO無線信道的中斷容量為20.14bps/Hz。這樣的仿真結(jié)果與該結(jié)論是吻合的：中斷概率 是信道容量的另一種表達(dá)方式，在中斷概率 同為0.1時（表示中斷容量在90%的時間里支持信道容量并反映了信道的可靠性），隨機(jī)多用戶MIMO無線信道的中斷容量的大小隨著發(fā)送端與接收端天線數(shù)量的增加而增大。

引進(jìn)遍歷過程這個統(tǒng)計概念來描述隨機(jī)多用戶MIMO無線信道的容量。假設(shè)隨機(jī)多用戶MIMO無線信道是一個遍歷過程（對于隨機(jī)過程的所有樣本來說，如果所有的樣本均收斂于相同的極限，例如一個離散隨機(jī)過程 ，當(dāng) 時， ，則稱該隨機(jī)過程是遍歷的[4]），對應(yīng)地，其信道容量稱為遍歷信道容量。在仿真過程中，設(shè)定SNR在 （dB）范圍內(nèi)，天線配置分為以下10種情況，前后5種分為一組，第一組為： = 、 、 、 及 ；第二組為： = 、 、 、 及 。

兩組天線配置下的隨機(jī)多用戶MIMO遍歷信道容量的仿真結(jié)果如圖2所示。橫向比較，每一種天線配置下的隨機(jī)多用戶MIMO遍歷信道容量隨著SNR的增加而增大；縱向比較，在SNR相同的情況下，隨機(jī)多用戶MIMO遍歷信道容量隨著天線數(shù)的增加而增大。另外，在SNR相同且發(fā)送端、接收端天線總數(shù)相同的情況下， = 天線配置下的隨機(jī)多用戶MIMO遍歷信道容量比 = 天線配置下的隨機(jī)多用戶MIMO遍歷信道容量大（如圖2（a）所示）， = 天線配置下的隨機(jī)多用戶MIMO遍歷信道容量比 = 天線配置下的隨機(jī)多用戶MIMO遍歷信道容量大（如圖2（b）所示）。這說明在SNR相同且發(fā)送端、接收端天線總數(shù)相同的情況下，發(fā)送端與接收端天線數(shù)相等時隨機(jī)多用戶MIMO遍歷信道容量可以達(dá)到最大值。

3 CSI已知時隨機(jī)多用戶MIMO無線信道容量的仿真

仿真結(jié)果如圖3所示，分析可知，天線數(shù)較少（如 = ）時，CSI的已知與否對隨機(jī)多用戶MIMO無線信道容量不會產(chǎn)生太大的影響，這主要是因?yàn)樘炀€數(shù)較少時，自適應(yīng)功率分配方案沒有產(chǎn)生明顯作用。但天線數(shù)較多（如 = ）時，CSI已知時的隨機(jī)多用戶MIMO無線信道容量明顯大于CSI未知時的隨機(jī)多用戶MIMO無線信道容量，不過，從仿真曲線的趨勢來看，這種影響會隨著SNR的增大而減小，這是因?yàn)殡S著SNR的增大，每一種天線配置下的天線發(fā)射功率均得到了改善。也就是說，當(dāng)SNR較大時，即使在較大SNR范圍內(nèi)的低SNR模式下發(fā)射天線也可以分配到與在較大SNR范圍內(nèi)的高SNR模式下幾乎相同的發(fā)射功率。

4 結(jié)語

本文在IEEE802.11ac標(biāo)準(zhǔn)的隨機(jī)多用戶MIMO無線信道容量的計算理論的基礎(chǔ)上，對CSI未知與已知時的隨機(jī)多用戶MIMO無線信道容量進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果表明，在天線配置相同的情況下，CSI已知時的隨機(jī)多用戶MIMO無線信道的容量明顯大于CSI未時的隨機(jī)多用戶MIMO無線信道的容量；在CSI已知或未知的情況下，隨機(jī)多用戶MIMO無線信道的容量隨著天線數(shù)的增加而增大。

參考文獻(xiàn)

[1]錢崟.多天線MIMO空間信道性能及波束成型研究[D].南京信息工程大學(xué)，2012：8-9.

[2]肖揚(yáng).MIMO多天線無線通信系統(tǒng)[M].人民郵電出版社，2009：27-28.

[3]鄧國輝.基于分布式MIMO容量下系統(tǒng)中斷概率的研究[D].昆明理工大學(xué)，2012：11-12.

[4]孫鍇.MIMO-OFDM無線通信技術(shù)及MATLAB實(shí)現(xiàn)[M].電子工業(yè)出版社，2013：245.

收稿日期：2015-02-15

作者簡介：曾芳旭（1988—），男（漢），湖南邵陽人，學(xué)位：碩士研究生，研究方向：IEEE 802.11ac標(biāo)準(zhǔn)無線網(wǎng)絡(luò)。