第三代移动通信的发射分集和接收分集仿真

综合性设计性实验报告专业：学号：姓名：实验所属课程：第三代移动通信及其演进技术实验室(中心)：软件与通信实验中心指导教师：2教师评阅意见：签名：年月日实验成绩：一、题目第三代移动通信的发射分集和接收分集仿真二、仿真要求要求一：数据随机产生，信道是瑞利衰落信道，噪声是复高斯白噪声。调制方式为QPSK要求二：接收分集，比较不同接收天线数目（1,2,4根）通过最大比合并（MRC）的BER性能，并画出横坐标是SNR，纵坐标是BER的曲线图。要求三：发射分集，比较接收天线为1根和2跟的Alamouti方案（发射天线是2根）BER性能，并画出横坐标是SNR，纵坐标是BER的曲线图。三、仿真方案详细设在第三代乃至后三代的移动通信系统中，无线信道的时变多径衰落是影响无线通信的一个重要因素。理论上，功率控制是抵抗信道衰落的最佳方法。如果发射端预先知道信道条件，那么在发射的时候先将信号变形，以此来抵消衰落带来的影响。但是这种方法需要发射端有较大的动态范围，另外因为无线信道是时变的，所以发射端无法预先知道信道的条件，因此在大多数散射环境中，对于功率和带宽受限的系统，采用天线分集方法来抵消信道衰落，以降低衰落环境下传输误码率是最好的方法。发射分集和接收分集的系统模型如下：假设系统中采用线性的QAM或MPSK类型的数字调制方式，则发射信号s(t)是正交脉冲信号g(t)的线性组合，对发射分集方式而言，可以得到：Si(t)=∑𝑎(𝑣)𝑣𝑔𝑖(𝑡−𝑣𝑇)式中a(v)为v时刻的输入符号,T为符号周期。发送的符号是独立分布的，下标i表示信号从第i个天线发出。对接收分集方式，则在平坦衰落的假设条件下在j个接收天线处有：𝑟𝑗(𝑡)=𝑠(𝑡)∗𝑋𝑗(𝑡)+𝑛𝑗(𝑡)式中Xj是衰落过程中，用来描述从发射天线到第j个接收天线的传输路径。假设信道为平坦Rayleign衰落，Xj(t)是零均值复高斯随机过程，同时，假设不同路径上的衰落过程是统计独立的，并且方差相同，则nj(t)是零均值复高斯白噪声。最大比值合并（MRC）：在接收端由多个分集支路，经过相位调整后，按照适当的增益系数，同相相加，再送入检测器进行检测。在接受端各个不相关的分集支路经过相位校正，并按适当的可变增益加权再相加后送入检测器进行相干检测。在做的时候可以设定第i个支路的可变增益加权系数为该分集之路的信号幅度与噪声功率之比。最大比合并方案在收端只需对接收信号做线性处理，然后利用最大似然检测即可还原出发端的原始信息。其译码过程简单、易实现。合并增益与分集支路数N成正比。MRC的统计特性最大比率合并是每个分集支路有一个自适应的可变增益放大器，用以调整各个支路的增益。当第j支路权重取Wj=Xj/N时，MRC合并器的输出rMRC为最大，这里N=N0/2，则有：可见，MRC合并后rMRC是各分集支路的SNR之和。由于瑞利分布的包络平方是自由度为2的X2分布，因此rMRC是一个自由度为2L的X2分布，其pdf为：同样，由上式很容易求得MRC的分集增益：慢瑞利衰落信道Alamouti发射分集方案的性能是通过仿真进行评估的．在仿真过程中，假定每一发射天线的衰落都是相互独立的，并且接收机完全知道信道数．我们使用相干QPSK和BPSK调制仿真Alamouti方案相对于每个接收天线信噪比(SNR)的误比特率(BER)性能，其发射天线为2的1接收分集方案，并和无发射分集的情况比较．每个符号码元周期内各发射天线的信号平均功率l，噪声分量采用均值为0，方差为2／SNR的复高斯随机变量，收发天线间的信道为独立平坦Rayleigh衰落信道，信道系数的实部和虚部均服从均值为0，方差为0.5的高斯分布，并在一个数据分组发送时间内信道系数保持不变，接收端有理想的信道估计。四、仿真结果及结论一、发射分集仿真图如下：由上述仿真图可以看出，在接收天线的增益逐渐增大时，所接收信号的误码率是逐步降低的，也就是说天线增益越大信号的接收质量就越高。接收信号的误码率是单调递减的，说明当接收天线的增益越大时，接收信号质量就越好，并且可以看出其信号误码率随增益的增加基本上是单调递减的。由上图可看出，在相同的天线增益下，接收天线为一根的误码率比接收天线为两根的误码率高，也就是说，在相同条件下天线数目越多其收到的信号质量就越好。二、接收分集仿真图如下：01234567891010-410-310-210-1BERperformanceofalamoutischemeSNR(dB)BERalamouti(Tx:2,Rx:1)alamouti(Tx:2,Rx:2)有仿真图可知，接收分集的仿真图像显示的规律和发射分集的相似，同样的，接收信号的误码率是随着天线增益的增加而递减的，通过比较我们也可以得出，在相同增益下，接收天线的条数越多，接收信号的误码率越低，也即信号质量越高。五、总结与体会本次实验是进行发射分集和接收分集的性能仿真，在运用Ｍatlab运行程序进行仿真后，通过分析仿真得出的图像，我们最终直观的得到了信号的误码率与天线增益的关系。通过查阅资料，我了解了发射分集和接收分集的工作原理以及工作过程，对发射分集的Alamouti方案有了具体了解，同时对影响接收信号质量好坏的因素有了更全面的认识。六、主要仿真代码主函数：发射分集：clearall;clc01234567891010-610-510-410-310-210-1100BERperformanceofMRCschemeSNR(dB)BERSISOMRC(Tx:1,Rx:2)MRC(Tx:1,Rx:4)L_frame=60;N_iter=1000;M=4;%QPSKSNRdBs=[0:10];fornumber=1:2ifnumber==1NT=2;NR=1;gs='-kx';%一个接收天线elseNT=2;NR=2;gs='-ro';%两个接收天线endfori=1:length(SNRdBs)SNRdB=SNRdBs(i);sigma=sqrt(0.5/(2*10^(SNRdB/10)));forj=1:N_iterdata=randint(1,L_frame,M);symbol_data=pskmod(data,M);%调制%alamouti方案receive_symbol=alamouti(symbol_data,sigma,NR);%解调receive_data=pskdemod(receive_symbol,M);noeb_p(j)=sum(sum(de2bi(data)~=de2bi(receive_data)));endBER(number,i)=sum(noeb_p)/(N_iter*L_frame*log2(M));endsemilogy(SNRdBs,BER(number,:),gs);holdon;endtitle('BERperformanceofalamoutischeme');xlabel('SNR(dB)');ylabel('BER');gridon;legend('alamouti(Tx:2,Rx:1)','alamouti(Tx:2,Rx:2)');接收分集：clearall;clc;L_frame=60;N_iter=1000;M=4;SNRdBs=[0:10];fornumber=1:3ifnumber==1NT=1;NR=1;gs='-kx';%一个接收天线elseifnumber==2NT=1;NR=2;gs='-b^';%两个接收天线elseNT=1;NR=4;gs='-ro';%四个接收天线endfori=1:length(SNRdBs)SNRdB=SNRdBs(i);sigma=sqrt(0.5/(2*10^(SNRdB/10)));forj=1:N_iterdata=randint(1,L_frame,M);symbol_data=pskmod(data,M);%调制%信道抽头H=(randn(NR,L_frame)+1i*randn(NR,L_frame))/sqrt(2);Z=0;fork=1:NRnoise=sigma*(randn(1,L_frame)+1i*randn(1,L_frame));R(k,:)=H(k,:).*symbol_data+noise;Z=Z+R(k,:).*conj(H(k,:));endreceive_data=pskdemod(Z,M);noeb_p(j)=sum(sum(de2bi(data)~=de2bi(receive_data)));endBER(number,i)=sum(noeb_p)/(N_iter*L_frame*log2(M));endsemilogy(SNRdBs,BER(number,:),gs);holdon;endtitle('BERperformanceofMRCscheme');xlabel('SNR(dB)');ylabel('BER');gridon;legend('SISO','MRC(Tx:1,Rx:2)','MRC(Tx:1,Rx:4)');功能函数：functiony=alamouti(x,sigma,NR)n=length(x);y=[];fori=1:n/2x1=x(1,2*i-1);x2=x(1,2*i);ifNR==1%接收符号h=(randn(1,2)+1i*randn(1,2))/sqrt(2);y1=h(1,1)*x1+h(1,2)*x2+sigma*(randn+1i*randn);y2=-h(1,1)*conj(x2)+h(1,2)*conj(x1)+sigma*(randn+1i*randn);%ML算法计算符号H=[h(1,1)h(1,2);conj(h(1,2))-conj(h(1,1))];Y1=[y1;conj(y2)];X=H'*Y1/(abs(h(1,1))^2+abs(h(1,2))^2);decode_symbol=[X(1,1)X(2,1)];y=[y,decode_symbol];elseh=(randn(1,2)+1i*randn(1,2))/sqrt(2);y1=h(1,1)*x1+h(1,2)*x2+sigma*(randn+1i*randn);y2=-h(1,1)*conj(x2)+h(1,2)*conj(x1)+sigma*(randn+1i*randn);%构造矩阵H=[h(1,1)h(1,2);conj(h(1,2))-conj(h(1,1))];Y1=[y1;conj(y2)];X=H'*Y1/(abs(h(1,1))^2+abs(h(1,2))^2);decode_symbol1=[X(1,1)X(2,1)];h1=(randn(1,2)+1i*randn(1,2))/sqrt(2);y3=h1(1,1)*x1+h1(1,2)*x2+sigma*(randn+1i*randn);y4=-h1(1,1)*conj(x2)+h1(1,2)*conj(x1)+sigma*(randn+1i*randn);H1=[h1(1,1)h1(1,2);conj(h1(1,2))-conj(h1(1,1))];Y2=[y3;conj(y4)];X1=H1'*Y2/(abs(h1(1,1))^2+abs(h1(1,2))^2);decode_symbol2=[X1(1,1)X1(2,1)];y=[y,(decode_symbol1+decode_symbol2)/2];endend