信道状态信息(CSIT)已知的MIMO信道容量
MIMO报告(一)--MIMO相关推导及应用简介

这种空时编码的关键思想在于两个天线发送的信号 向量相互正交 ,编码矩阵具有如下性质 :
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2.1 两天线空时块码
X X H x12x22 0
x12 0x22 x12x22I2
nT
2
hij nT,
j1
i1,2, ,nR
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1.1 MIMO系统信号模型
上式对于固定衰落系数或随机衰落均成立,若信 道衰落是随机变化的,则上式左端需要取数学期望。
接收机的噪声向量可以表示为nR×1维列向量n。 该向量的分量都是0均值独立同分布高斯随机变量,实 部与虚部相互独立,且具有相同的方差。则接收噪声 向量的协方差矩阵表示为:
r2
h1nT
h h nR2 nR1
xnT
hnRnT
rnR
SpaceTime Decoder
MIMO系统原理
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1.1 MIMO系统信号模型
一般的,接收机未知信道响应,因此可以假设每个天线
的发射功率相同为P/nT。则发射信号的协方差矩阵可以表示
为:
P
R xx nT I nT
发送信其号中带,I宽n T 表足示够窄nT , n则R 维系单统位信矩道阵响。应为为了平简坦化衰表落示。,假设
将 nT 2 代入上式可得 :
P
im 11nTiP2ImnTP 2Q
因此MIMO信道容量公式也可以表示为: CWlog2 ImnTP 2HHH
下面介绍另一种MIMO信道容量的推导方法。一般的, MIMO信道容量可以表述为如下通用表达式:
CWlog2
MIMO收发技术发展及应用

MIMO技术实质上是利用空间资源的信号处理技术,从信号处理方法上主要分为两大类:一类是空间复用技术,如贝尔实验室提出的BLAST;另一类是空间分集技术,如STBC。
前期的MIMO收发技术主要围绕空间复用和空间分集处理技术,提出了很多发射方案和信号检测技术。
发射方案主要有各种空时频编码、BLAST 和空时频编码与BLAST相结合的多种发射方案。
经典的接收检测技术则包括最大似然检测(ML)、最小均方误差(MMSE)、迫零(ZF)、球形译码(SD)、垂直-贝尔实验室分层空时算法(V-BLAST)及迭代方法等。
这些传统的收发技术还在进一步发展和完善。
MIMO技术发展以来,人们已经提出了很多的MIMO系统方案,总结这些较早的MIMO系统可以发现,它们都是在发射端未知信道状态信息条件下从N个发射天线发射信号x1……xN,信号经过MIMO信道H后,N个接收天线接收信号y1……yN后通过各种信道估计方法获取信道状态信息进行检测,这类系统可以称为信道状态信息接收端已知(CSIR)系统,其中n1……nN为附加白高斯噪声。
然而对MIMO信道的研究表明,如果信道状态信息在发射端和接收端都可以利用的话,MIMO系统的性能将进一步提高,特别是当信道状态信息在发射端精确已知(CSIT)时,发射端可以利用已知的信道状态信息对发射信号进行信号预处理,MIMO系统的性能可以达到最优。
实际上信道状态信息可以在接收端通过信道估计技术获得。
在频分双工(FDD)的无线通信系统中,可以利用反向信道将信道状态信息反馈给发射端;在时分双工(TDD)的无线通信系统中,则可以利用反向链路的信道信息估计值近似获得信道状态信息。
因此,如何准确地估计信道状态信息、如何准确地反馈信道状态信息、如何在已知信道状态信息条件下设计MIMO收发方案等成为MIMO技术的重要研究方向。
目前这方面的研究工作已经展开,例如:MIMO预编码技术、MIMO的发射天线选择技术、MIMO的自适应编码调制技术等。
MIMO系统信道容量分析

MIMO系统信道容量分析
顾正刚
【期刊名称】《宁波职业技术学院学报》
【年(卷),期】2010(014)002
【摘要】研究了MIMO系统中的功率分配算法,重点研究了平均功率分配法、注水功率分配法以及最小误比特率功率分配法,得到了3种功率分配法的功率分配矩阵,从而得到信道容量.并用Matlab进行仿真,得到了3种功率分配法下的信道容量与信噪比的关系.通过仿真结果可以看出,在信道状态信息已知的情况下,MIMO系统能得到更大的信道容量.并且相对于其他两种分配法而言,使用注水算法,可以显著的提高MIMO系统容量.
【总页数】6页(P26-31)
【作者】顾正刚
【作者单位】江苏信息职业技术学院,江苏,无锡,214000
【正文语种】中文
【中图分类】TN914
【相关文献】
1.MIMO系统信道容量分析 [J], 秦玉娟;张伯楠
2.自由空间光MIMO通信系统的信道容量分析 [J], 安娜;何振泉
3.复合衰落信道下分布式MIMO系统中断概率及信道容量分析 [J], 彭文杰;李岳衡;薛团结;居美艳;黄平
4.相关信道下基于功率分配的MIMO系统容量分析 [J], 苏孙庆;裴文龙;舒强;蔡宏
浩;雷国伟
5.紧耦合MIMO系统SVA室内衰落信道容量分析 [J], 徐荣蓉;孙得娣
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MIMO系统和无线信道容量研究

MIMO系统和无线信道容量研究傅海阳1陈技江1曹士坷1,贾向东1,21.南京邮电大学江苏省无线通信重点实验室,江苏南京 2100032.西北师范大学数学与信息科学学院,甘肃兰州 730070 摘要:MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)理论试图在Shannon信道容量公式基础上导出正比于收发信天线数的MIMO无线信道容量(wCC)公式.由于MIMO系统同时使用多根天线发送同频信号,在MIMO的物理信道中会包含多个虚拟独立瑞利衰落信道.因此MIMO理论关于独立瑞利衰落信道的定义在实际应用中很难成立,会导致所依据的空分复用( SDM)无法实现,使MIMO理论在数学层面导出的WCC公式在物理实现上会存在很大的不确定性.由于该系统使用不控制相位的多天线同频发射,多波干涉作用的影响是不可避免的,一定会产生方向不确定的定向发送波束,将形成多个电波覆盖盲区和一个不合理的无线通信系统.本文将利用数学分析和多天线发送波束模拟的方法证明上述结论.还将提出在Shannon公式应用原理和相控天线阵理论基础上构建的SHPCA系统,将利用相控天线阵给出的定向窄波束形成功率利用率极高的SDM功能,并给出对应的WCC公式,其容量正比与收发天线数和SDM次数,比Shahnon公式具有更高的效率.MIMO; Shannon公式;通信容量;相控天线阵;天线物理特性TN911.23A0372-2112 (2011) 10-2221-09Study on the MIMO System and Wireless Channel CapacityFU Hai-yangCHEN Ji-jiangCAO Shi-keJIA Xiang-dong2011-04-192011-06-07量.因此如系统或可在处理收信设阵元间隔考虑天线间隔.图8 MQAM方式的@@[ 1 ] G J Foschini and M J Gans. On limits of Wireless Communica tions in a Fading Environment When Using Multiple Antennas [J]. Wireless Pers. Commun., 1998,6(3) :311 - 335.@@[2] A van Zelst, R van Nee, et al. 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E-mail: fuhy@ njupt. edu.cn 陈技江 男.1987年2月出生于浙江省绍兴 市,南京邮电大学通信与信息工程学院硕士研究 生,主要研究方向为移动通信与无线技术 E-mail: chenjijian060703@ 126.com 曹士坷男.1964年4月出生于湖南省长沙市,博士,南京邮电大学通信与信息工程学院教授、硕士生导师.主要感兴趣的研究领域是无线通信及通信信号处理,包括循环平稳信号及其应用,信道均衡、信道辨识和抗干扰E-mail: cask@njupt.edu.cn 贾向东 男,1971年8月出生于甘肃省渭源县,西北师范大学讲师,南京邮电大学博士研究生曾参与了国家973、863等重点项目课题的研究,在SCI、EI和国内外等核心学术刊物发表论文20余篇研究方向为移动与无线通信关键理论与技术,主要包括下一代无线网络、3G/B3G技术、协作通信、压缩感知协作、网络编码、物联网技术等目前主要集中于3G/B3G网络及其信号处理的研究 E-mail: jiaxd@ nwnu.edu.cn@@[5]李壁镜,王国俊正则蕴涵算子所对应的逻辑伪度量空间 [J].电子学报,2010,38(3):497 - 502.LI Bijing,WANG Guojun.Logic pseudo-metric space of regular Implication operators[ J ]. Acta Electronic Sinica, 2010, 38(3) :497-502.@@[6]胡明娣,王国俊.模糊模态逻辑中的永真式与准永真式 [J].电子学报,2009,37(11):2484-2488.HU Mingdi, WANG Guojun. Tautologies and quasi-tautologies in fuzzy model logic[J]. Acta Electronic Sinica,2010,37(11) :2484 - 2488, ( in Chinese)@@[7]汪德刚,谷云东,李洪兴.模糊模态命题逻辑及其广义重 言式[J].电子学报,2007,35(2):261 - 264WANG Degang, GU Yundong, LI Hongxing. Generalized tautology in fuzzy model porpositional logic[J]. Acta Electronic Sinica,2007,35(2) :261 - 264. (in Chinese )@@[8] H B Wu.The theory of generalized tautologies in the revised Kleene system[J]. Science in China(E),2001,44:233 -238.@@[9] S M Wang,B S Wang,F Ren.NM(L),A schematic extension of F. Esteva and L.Godo' s logic MTL[J] .Fuzzy Sets and Sys tems,2005,149:285 - 295.@@[10]吴洪博,张琼.NM(L)系统的有限强完备性定理[J].电子 学报,2010,38(6):1414 - 1418 WU Hongbo, ZHANG Qiong. On the finite completeness of NM(L)[J] .Acta Electronic Sinica,2010,38(6): 1414- 1418. (in Chinese)@@[ 11] F Esteva, L Godo. Monoidal T-norm based logic: Towards a logic for left- conttinuous t- norms[ J] .Fuzzy Sets and Sys tems,2001,124:271 - 288.。
基于MIMO技术的电子信道容量仿真研究

基于MIMO技术的电子信道容量仿真研究摘要从MIMO无线通信系统的基本概念入手,分析了它的结构和工作原理,然后从理论上推导了MIMO系统容量的公式,最后应用MATLAB软件对不同发射天线、不同接收天线、不同信噪比下的MIMO系统容量进行计算机仿真。
关键词MIMO;信道容量;容量仿真MIMO系统是在无线通信智能天线技术的基础上发展起来的,其主要特点就是在通信系统的收发两端采用多天线配置,以解决未来移动通信系统大容量高速率传输和日益紧张的频谱资源间的矛盾。
1 MIMO总体方案设计根据多输入多输出系统的概念和特点,MIMO系统的总体结构方框图如图1所示。
图1 MIMO系统方框图其中MT为发射天线数,MR为接收天线数。
下面将根据图1,分析MIMO 系统的工作原理。
2 MIMO信道模型在这里,我们仅研究平坦衰落信道模型。
因此,信道的衰落相当于对传送信号的幅度产生乘性影响。
设信道的输入为MT个天线所发送的信号矢量x,信道的输出为MR个接收天线所接受的符号矢量Y,且x和Y的均值都为零,那么信号可以表示为:y=aHx+n其中,a为包含天线的增益和传播损耗影响的实常数,n为零均值、独立于输入且具有等方差的实部和虚部的复高斯噪声列矢量,且E[nnH]=σ2IMR,其中,IMR为MR阶单位矩阵,σ2为复高斯噪声的方差。
信道转移矩阵为:对信道输入的平均能量约束表示为:tr(E [ xxH ])=tr(Q)≤Es其中,Es为符号矢量的总平均能量,Q为x的相关矩阵。
下面介绍一下信道H的统计特性。
当发射机和接收机之间无直视路径时就会产生这种情况。
并且假设信道的衰落不是很快,所以H在数据突发期间看成常数。
3 应用Matlab仿真及结果分析3.1 MIMO系统各态历经信道容量MIMO信道的各态历经信道容量是将交互信息量对CSI矩阵H的元素做统计平均,当MIMO系统的各子信道的衰减系数相互独立时各态历经容量比较接近这个系统能够提供的频谱效率,实际上各态历经容量就是香农定理。
MIMOMultiple Input-Multiple Output信道的容量

鬓 毅 VA 纂
电子 科学
MIMo ( Multiple lnput 一 Multiple o utput ) 信道的容量
高 晨 ( 西安文理学院机电系 陕西 西安 7 0 65 1 )
[摘 要]M O ( 如l t i pl e I P t一 l ipl o t u ) 技 IM n u Mt e u P t u 术通过在无线 通信系统的收发 使用多 端都 天线, 充分开 发空间资 提高了 源, 信号的 速率和频谱 传输 利 用率。通过空时技术处理信号, M 技术能够在不增加系统带宽的条件下克服多径衰落,有效的增加信道容量。 I M O 〔 关键词I M劝 ( 多入多出) 信道容量 信道建模 空间相关件 I 中圈分类号: TP3 文献标识码: 八 文章编号: 1671一7597 (20 8) 0410 23一 0 0 02
ห้องสมุดไป่ตู้
关 数: 夕 系 器=U 自喂 自 喂
(2一 ) 6
理 上 以 明 p粉三 喂 论可证: 嵘
( 2旧) 来 信道 仿真 传输系 数:
(2一 ) 7
因 , 给 砒 信 的 种 关 的 件 , 以 过 厅挤 喝 此 在 定 脚 道 某 相 性 条 下 可 通 式, 斌 二
式 ,, 峨 仁 留 洲 , 工二 是 率 迟 布 义 中‘ 【叹 . 峨 笋 品 ,:君 功 延 分 定 的 一 h ,
第1个可分辨径的功率; C 是刀矛 知的空间相关矩阵,由发送端相关 汤 x八
信道矩阵, 中的 H 元素气 表示从第1个发送天线到第j 个接收天线的 信
道增益. n为( , ) 信道的 WNO n x l AG 假设阵<、 ,则MM信道容量可等效为 并行子信道的 I O r 信道容量 之和。如果每个子信道上平均发射功率,则系统容量为:
MIMO信道容量的研究与仿真

15
信息通信
定,则该信道容量可以表示为: (7)
可以看出,SIMO 信道与 SISO 信道相比获得了 n 倍的分 集增益。
假定信道系数服从瑞利分布,蒙特卡洛迭代次数为 10000, 接收天线分别取 1,2,4,6,8 根,信噪比为 10dB,进行仿真,该信 道容量的仿真结果如图 2 所示。可以看出随着接收天线数的 增加(从左到右),信道容量也增加了,但是如果天线数已经很 大,这时再增加天线的数量,信道容量的改善也不是很大。
MIMO 信道容量的研究与仿真
张 蓥,赵慧元,喻武龙 (北京理工大学珠海学院,广东 珠海 519085)
摘要:MIMO 技术可以在不增加带宽和发射功率的情况下提高信道容量和频谱利用率。本文使用 MATLAB 建立 SISO、 SIMO、MISO、MIMO 等无线信道,进行综合仿真并分析。通过仿真,我们得知,MIMO 不但能有效地提高信道的容量,同 时可以改善信道的平均信道容量和中断信道容量。 关键词:MIMO;信道容量;仿真 中图分类号:TN919.72 文献标识码:A 文章编号:1673-1131(2012)01-0015-03
张蓥等:MIMO 信道容量的研究与仿真
对于不同发送天线方案,由于发射机事先不知道信道的 状态信息,无法在多根发送天线中采用波束形成技术和自适 应分配发射功率,因此系统平均容量没有改善,而中断容量却 得到了改善,但这种改善效果随着天线数增加而很快趋于饱 和。 2.4 MIMO 系统信道的容量
多输入多输出(MIMO)信道,即发射端有 m 根天线,接收 端有 n 根天线,发射端在不知道传输信道的状态信息条件下, 如果信道的幅度固定,则该信道容量可以表示为:
同的参数进行仿真后得到各自的信道容量累积分布曲线,如
MIMO系统的容量及信道估计算法研究

MIMO system simulation platform
Thesis : Theoretical Rsearch
目录
目录
1 绪论........................................................................................................................................ 1 1.1 研究背景及意义 ............................................................................................................. 1 1.2 MIMO 技术概述 ............................................................................................................. 2 1.2.1 MIMO 技术的工作原理........................................................................................... 2 1.2.2 MIMO 技术的优点................................................................................................... 2 1.3 MIMO 技术的研究和应用概况 ..................................................................................... 3 1.3.1 MIMO 技术的研究现状........................................................................................... 3 1.3.2 MIMO 技术存在的问题........................................................................................... 4 1.4 MIMO 系统中的信道估计 ............................................................................................. 5 1.4.1 MIMO 系统信道估计的重要性............................................................................... 5 1.4.2 MIMO 系统信道估计的研究现状........................................................................... 6 1.5 本文的主要工作及章节安排 ......................................................................................... 6
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Final Project Report
Project ID P7
Project Topic CAPACITY OF MIMO CHANNELS WITH KNOWN CHANNEL STATE INFORMATION AT TRANSMITTER (CSIT)
(1)
������ denotes the ������ × ������ channel matrix that takes the
following form
������ =
ℎ11 ⋯ ℎ1������
ℎ21 ⋯ ℎ2������ ⋮⋱ ⋮
ℎ������1 ⋯ ℎ������������
������ and ������ are the transmit and receive vectors with
������ = max ������(������; ������)
(4)
������ ������ :������ ������2 ≤������
The channel capacity of an AWGN channel with power constraint ������ and noise power ������2 is given by Equation (5)1
������ = max
������
1 2
log(1
+
������������ ������������2
)
(6)
with power constraint
������������ = ������
������
Figure 2. Parallel Gaussian channels
The optimal power allocation such that the above equation attains its maximum can be derived from applying so called Lagrange multiplier method and is given by the following
their covariance matrices given by the following
expressions
������ ������������������ = ������������, ������ ������������������ = ������������
(2)
������ is a statistically independent zero-mean and
II. TABLE OF ABBREVIATIONS The following table (Table 1) gives a set of abbreviations used throughout the following sections of the report.
Abbreviations
Author Name Likai Ma Yi Chen
Student ID z3326280பைடு நூலகம்z3457081
E-mail malikai0409@ 715436908@
CAPACITY OF MIMO CHANNELS WITH KNOWN CHANNEL STATE INFORMATION AT TRANSMITTER (CSIT)
I. INTRODUCTION Wireless communication has undergone developments over 2G, 3G and the newly adopted 4G with progressively increasing data transmission rates. A wide range of activities such as internet browsing, multimedia and etc which are otherwise unavailable in the past have been made possible on today’s mobile devices.
complex AWGN vector with independent and equal
variance in both real and imaginary parts. Its
covariance matrix is thus given by
������ ������������������ = ������2������������
A MIMO system with ������ transmit and ������ receive
antennas is commonly represented by a linear
relationship that is given by the following equation
������ = ������������ + ������
A. MIMO CHANNEL MODEL [5] A MIMO system consisting of ������ transmit and ������ receive antennas is shown as in Figure 1.
1
Figure 1. Systematic diagram of a MIMO system
III. BACKGROUND THEORY The analysis of MIMO system model and channel capacity requires knowledge across different areas, including linear algebra, probability theory and information theory. Some important and fundamental mathematical definitions and derivations associated with MIMO channel will be presented in this section.
1
������
������ = 2 log(1 + σ2) nats
(5)
When there are multiple parallel AWGN channels,
shown in Figure 2, the overall channel capacity will be
given by maximising the total capacity, that is
The following sections of this report are organized into six separate sections. In Section II, a number of
commonly defined and used abbreviations will be listed to the reader. In Section III, the system model of MIMO and the related mathematical theories will be presented. Section IV demonstrates the simulation results and provide them with detailed comments so as to explain what implications those results provide. A brief conclusion about the work of this project will be drawn in Section V. In Section VI and VII, namely the Reference and Appendix sections, the associated literature and MATLAB code will be presented respectively.
Explanations
AWGN
Additive white Gaussian noise
SVD
Singular value decomposition
CSIT
Channel state information known at transmitter
Table 1. Table of abbreviations
(3)
where ������2 denotes the identical noise power at each of
the antennas on the receiver side.
B. CAPACITY FOR AWGN CHANNELS The information capacity of a Gaussian channel with power constraint ������ is defined as the maximum mutual information of random variables ������ and ������, which is shown by the following expression
Project ID: P7 Author: Likai Ma z3326280 Yi Chen z3457081
Abstract— This project is inspired by the desire to study the underlying theory regarding capacity of MIMO channels with CSIT and investigate how channel matrices with different ranks will influence the resulting channel throughput. MATLAB simulations for various cases of channel matrices will be performed so as to verify that the rank of the channel matrix is in fact the decisive factor for channel capacity with CSIT. Moreover, the results obtained through both water-filling method and uniform power allocation will be compared in order to demonstrate that water-filling solution is indeed the optimal solution for power allocation when channel state information is known at transmitter.