论文总字数：21598字

摘 要

随着无线通信业务中用户规模的不断增长，对于无线信道系统的容量要求也不断的提高，而资源都是有限的。传统的SISO模式的无线通信系统无论在数量上，还是质量上，已经不能满足现今用户的需求，因此出现了多输入多输出技术（MIMO），从而在不增加额外的频谱资源开销条件下，加快数据传输速率，提高系统的容量。在现代城区大规模天线技术背景下，由于MIMO信道具有三维空间特性，传统的2D 波束成形技术不能充分利用实际系统中三维信道的自由度，这会使得系统的性能不能发挥到最优水平，因此本课题在传统的水平维度预编码的基础上，引入垂直维度预编码,分析3D MIMO系统的容量与2D MIMO系统的容量有何差异。本课题中运用MATLAB软件，随机生成包含两个小区的三维用户-基站和瑞利信道模型系统，分别得出此时的2D波束成形向量和3D波束成形向量，并计算该系统的信道容量。通过多次实验求取平均值，比较3D波束成形与2D波束成形在性能上的差别。

本文的研究内容包括下列几个方面：MIMO系统相关技术的发展概况；多小区MIMO系统基站-信道-用户模型的建立；MIMO中的2D与3D波束成形仿真及信道容量分析。

关键词：3D MIMO，波束成形，信道容量

ANALYSIS AND SIMULATION OF 3D-MIMO CHANNEL MODEL IN THE DENSE URBAN AREA

Abstract

As the scales of the users are growing largely, the requirement of the capacity of the wireless channel system is increasing. However, the amount of the resource is limited. Conventional SISO system can’t meet the requirement of users of current communication system in both quantity and quality. Therefore, MIMO technique appears so as to increase the rate of the data transmission and the capacity of the system without having to increase the expense of spectrum resource. For the communication antenna system in large scale in the modern urban area, conventional 2D beamforming can’t make full use of the degrees of freedom of the 3D channels in the real communication system for the 3D characteristic of the channels in MIMO system. Thus, we introduce the pre-coding in the vertical dimension on the base of conventional pre-coding in the horizontal dimension，and analyze the capacities of 2D MIMO channel and 3D MIMO channel. In this paper, we generate a 3D MIMO system which includes two cells with Rayleigh channels in random by Matlab, and then get the beamforming vectors in 2D beamforming situation and 3D beamforming situation to compute the capacities. We execute the simulation repeatedly to get the average values, and then compare the difference between the performance of 2D beamforming and 3D beamforming.

The main points of this paper are as following: the general situation of development of the techniques in MIMO system, the buildup of model of base stations, users and channels in the multicell MIMO, the simulation of 2D beamforming and 3D beamforming as well as the analysis of channel capacity in the MIMO system.

KEY WORDS: 3D MIMO, beamforming, channel capacity

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪 论 1

1.1 引言 1

1.2 MIMO技术概述 1

1.2.1 MIMO技术的产生背景和概况 1

1.2.2 MIMO信道模型的研究 2

1.2.3 3D MIMO的发展 3

1.3 MIMO中的预编码与波束成形技术 4

1.4 多小区协作传输系统 5

1.5 本文的研究目的和主要研究内容 6

第二章 系统模型的建立 8

2.1 用户位置的生成 9

2.2 信道模型的建立 12

第三章 多小区MIMO的波束成形及信道容量分析 15

3.1 CST传输方式下的波束成形及信道容量的分析 16

3.2 NMT传输方式下的波束成形及信道容量的分析 18

3.3 实验仿真 20

结 论 25

致 谢 26

参考文献 27

1. 绪 论
   1. 引言

在当今信息化的时代下，信息技术具备了很好的发展条件。通信技术作为社会与科技的发展的代表性技术之一呈现了高速迅猛的发展状态，而移动通信则是通信领域中的一个重点方向。从建立在模拟通信技术基础上的第一代移动通信，发展到建立在数字通信技术基础上的第二代移动通信，通信技术实现了由仅能提供语音业务到能够提供语音业务和低速率数据业务的一个进步。而再到发展到第三代、第四代移动通信，通信系统的传输速率和传输性能得到了进一步的提高，更多的传输技术被应用于移动通信系统中。

随着无线通信技术的发展，传统的单输入单输出模式的无线通信系统无论在数量还是质量上已经不能满足现今用户的需求，因此出现了多输入多输出技术（Multiple-Input Multiple-Output）。在信号的输入端和输出端设置多天线发射，以提高信息传输的效率。MIMO系统的构建从单用户到多用户，再从多用户到多小区。由于多小区MIMO系统中，相邻的小区之间存在着小区间同频干扰，所以如何减少小区间干扰，提高系统性能成为了一个重要问题需要研究。在传统的多小区MIMO系统中，波束成形的方向只需要在水平维度上调整角度，而在竖直方向上有一个固定的下倾角，现代城区大规模天线技术背景下，用户分布密集化立体化，波束成形如果仅仅在二维方向进行就对三维空间自由度不能充分的利用。因此，本课题在传统的水平维度预编码的基础上，引入垂直维度上的预编码。建立3D MIMO信道模型，进行3D波束成形技术的仿真，并进行容量分析，比较3D波束成形与2D波束成形在性能上的差别。

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