功率分配策略对相关信道下MIMO系统容量影响的分析
前言
多输入多输出（MIMO）未来的第四代移动通信网络(4G)所应用的主要技术之一，它能在不增加带宽的情况下实现更高的传输速率和更好的传输质量，成倍地提高了通信系统的容量。MIMO系统在一定程度上可以抗多径衰落，但是对于频率选择性深衰落，MIMO系统依然是无能为力。通过利用OFDDM可以解决MIMO系统中的频率选择性衰落。在MIMO OFDM系统中，可以提供更高的数据传输速率。
背景介绍
1994年Punlraj等人提出多输入多输出系统（MIMO）概念，即在无线通信系统的发送端和接收端同时使用多副天线收发信号来增加无线信道的容量。1995年Teladar给出了在衰落情况下的MIMO容量；1996年Foshinia给出了一种多入多出处理算法—对角-贝尔实验室分层空时（D-BLAST)算法；1998年Tarokh等讨论了用于多入多出的空时码；1998年Wolniansky等人采用垂直-贝尔实验室分层空时（V-BLAST)算法建立了一个MIMO实验系统，在室内试验中达到了20bit/s/Hz以上的频谱利用率，这一频谱利用率在普通系统中极难实现。
贝尔实验室的Marzetta教授在2010年提出了大规模MIMO技术理论，将大规模天线阵列用于基站来大幅度提高系统容量。大规模MIMO技术一经提出，立刻成为了学术界与工业界的研究热点。研究内容涵盖了MIMO系统的信道容量、信息传输、信道检测以及信道状态信息获取等多个方面。
- MIMO技术
MIMO（Multi Input Multi Output）技术源于无线通信天线分集技术与智能天线技术，可以简单定义为：在其发射端和接收端采用了多天线配置的无线通信系统。系统在发端和收端均采用多天线单元，运用先进的无线传输与信号处理技术，利用无线信道的多径传播，建立空间并行传输通道，在不增加带宽与发射功率的情况下，成倍地提高无线通信的质量和数据速率。MIMO技术不仅包含了智能天线技术中的信号处理技术，还包含了编码、调制和网络系统结构等技术。在实践上，MMO系统能够在不占用额外频谱带宽的前提下有效地提高信道容量。
1.1 MIMO系统
- OFDM技术
OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）即正交频分复用技术。将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到在每个子信道上进行传输。正交信号可以通过在接收端采用相关技术来分开，这样可以减少子信道之间的相互干扰(ISI) 。每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道上可以看成平坦性衰落，从而可以消除码间串扰，而且由于每个子信道的带宽仅仅是原信道带宽的一小部分，信道均衡变得相对容易。
- OFMD-MIMO技术
在多载波传输方案中，正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM）和多输入多输出（Multiple Input Multiple Output,MIMO）被普遍认为是实现下一代宽带无线通信系统的一项关键技术。特别的，在频域上OFDM在多信道中使用相互正交的子载波，而单载波的MIMO也可以通过奇异值分解（Singular Value Decomposition,SVD）等效地把宽带信道平行分解为多个子信道。
MIMO能够在不增加带宽的情况下成倍地增加系统的频谱利用率和容量。一代无线通信系统必须采用的关键技术。OFDM通过将频率选择性多径衰落信道在频域内转换为平坦信道，从而减小了多径衰落的影响。同时，OFDM系统非常适合使用MIMO技术来提高系统容量。将MIMO系统和OFDM系统结合起来即构成OFMD-MIMO技术，能够更好地满足新一代无线通信技术发展的要求。
- 功率分配算法
由于实际信道是时变的，功率分配算法必须要在足够短的时间内计算完成，这样才能适应信道环境的快速变化。注水（Water-Filing）算法是多信道无线通信系统中求解容量最大化问题中的一种经典算法。在不增加总发射功率的前提下，注水功率分配算法能够获得比平均功率分配算法更大的MIMO系统容量。
