MIMO信道建模本科毕业论文

摘 要MIMO 技术由于能够在不增加传输信道带宽的条件下成倍的提高无线信道的容量，因而被认为是现代通信技术中的重大突破之一，越来越成为无线通信领域的研究热点。MIMO 技术是未来无线通信系统中实现高数据速率传输、改善传输质量、提高系统容量的重要途径。MIMO 信道模型无论是在 MIMO 技术的理论研究阶段还是在 MIMO 系统的应用阶段都是必需的。因此，MIMO 信道的建模是MIMO 理论研究中的重要内容。本文综合考虑了多种因素提出了合理的 MIMO 信道模型。本文首先总结了无线信道的特点，包括它的传播方式、衰落特性，并给出了两种常见的无线信道的数学模型和 MIMO 信道中的一些参数的介绍。在此基础上，根据发射端和接收端天线的阵列结构、发射信号的离开角与角度扩展、接收信号的到达角与角度扩展、角度功率谱、多普勒功率谱等参数，提出了一个合理的MIMO 无线信道模型。还详细描述了信道相关性的问题。最后提出了对信道模型进行仿真的方法、流程图，并对仿真结果进行了分析。关键词：无线信道；MIMO；信道建模；相关性；信道仿真ABSTRACTThe Multiple-Input Multiple-Output(MIMO) technology is considered as one of the most promising breakthrough technology in modern mobile communication sestem,It is an impotent approach to improve system performance,enhance the capacity and spectrum efficiency.MIMO channel model is necessary both at the phase of research MIMO technology and the commercial application of the MIMO wireless communication sestem.therefore,the modeling of MIMO channel play a very important role in relevant research. in this dissertation,we integrated a wideband MIMO channel model based on many factor.In this dissertation,at first we sum-up the characteristic of the wireless channel,Including the spread manner and introduce two familiar mathematical model of wireless channel and some parameter of MIMO channel.Then,based on the existing methods of MIMO wireless channel modeling and a variety of present MIMO wireless channel models,we integrated a wideband MIMO channel model.Its of stochastic type and uses the angle of arrival,angle of departure,azimuth spread,the topology of both transmitter and receiver,the Doppler spectrum,the power delay profile,etc. as its parameters.At last we find a method of MIMO simulation,give the flowchart,and analyse the simulation result.Key words: wireless channel; MIMO; channel modeling; correlation; channel simulation目 录1 绪论 .11.1 课题的研究背景.11.1.1MIMO 技术简介.11.1.2 信道建模的必要性.21.2 选题意义和研究内容.31.3 本文的结构.42 MIMO 无线信道的特点.52.1 信号传播方式.52.2 信道衰落.52.2.1 大尺度衰落特性.62.2.2 小尺度衰落特性.62.3 信道扩展.82.3.1 多径（时延）扩展.82.3.2 多普勒扩展.92.3.3 角度扩展.92.4 无线信道的数学模型.102.4.1 瑞利衰落信道.122.4.2 莱斯衰落信道.132.5MIMO 无线信道的参数特点.143 MIMO 信道建模.163.1 概述.163.2 模型的主要参数.173.3 模型的数学描述.183.4 相关性的研究.213.4.1 相关性的定义.213.4.2 相关矩阵.223.4.3 相关系数的产生.233.5 本章小结.264 信道模型的仿真 .284.1 仿真方法.284.2 仿真流程.294.3MATLAB实现 .314.4 结果分析.334.4.1 天线间距对相关性的影响.344.4.2 角度扩展对相关性的影响.354.4.3 角度对相关性的影响.365 总结 .38参考文献 .39翻译 .40英文原文 .40中文译文 .49致谢 .56第 1 页1 绪论1.1 课题的研究背景1.1.1MIMO 技术简介近年来，移动通信和因特网飞速发展，在第三代蜂窝移动通信中已经部分地引人了无线因特网和多媒体数据业务。而在未来的移动通信系统中，人们对传输速率提出了更高的要求，这就需要采用更先进的技术来实现更高的传输速率。然而频谱资源总是有限的，要支持高速率就要开发具有极高频谱利用率的无线通信技术。MIMO 技术是无线移动通信领域智能天线技术的重大突破。该技术能在不增加带宽的情况下成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率，因此 MIMO 技术被普遍认为是新一代移动通信系统必须采用的关键技术之一。图 1.1 MIMO 系统示意图MIMO 系统是利用多天线来实现空域复用。根据收发两端天线数量，相对于普通的 SISO(Single-Input Single-Output)系统，MIMO 还可以包括 SIMO(Single-Input Multiple-Output)系统和 MISO(Multiple-Input Single-Output)系统。MIMO 系统的框图如图 1-1 所示。通常，多径要引起衰落，因而被视为有害因素。然而研究结果表明，对于MIMO 系统来说，多径可以作为一个有利因素来加以利用。MIMO 系统在发射和接收端均采用多天线（或阵列天线）和多通道，MIMO 的多入多出是针对多径无线信道来说的。传输信息流 s(k)经过空时编码形成 N 个信息子流 (k), ici=1,， N。这 N 个子流由 N 个天线发射出去，经空间信道后由 M 个接收天线接收。多天线接收机利用先进的空时编码处理能够分开并解码这些数据子流，从而实现最佳的处理 1。这 N 个子流同时发送到信道，各发射信号占用同一频带，因第 2 页而并为增加带宽。若各发射和接收天线间的通道响应独立，则多入多出系统可以创造多个并行空间信道 13。通过这些并行空间信道独立地传输信息，数据率必然可以提高。因此，数据子流的独立性和数据在各个天线间的分配方式是影响系统性能的关键因素。独立数据子流的数目，由天线链路间的衰落相关性决定，因此在 MIMO 系统中，天线链路间的衰落相关性成为影响 MIMO 系统的关键因素之一。MIMO 系统能够充分的利用信号的所有空时频域的特性，具有如下的优点 2：（1）利用或者减少多径衰落：MIMO 技术能够充分采用多径的各种发射/ 合成技术，提高无线通信系统的性能；（2）消除共道干扰：MIMO 系统能够采用自适应波束形成技术或多用户检测技术对共道干扰进行有效抑制或删除；（3）提高频谱利用率：由于阵列天线可以降低共道干扰和多径衰落的影响，因而在一定的信干噪比条件下可以降低误码率，或者在一定的误码率下可以降低检测所需要的信噪比。MIMO 系统能够抑制或消除共道干扰以及码间干扰，同时利用分级技术提高接收信号的信噪比，因此基站和移动端的发射功率可以得到一定程度的降低，同时间小空间电磁干扰的影响、延长移动终端电池使用时间、减小对生态环境的影响、降低系统对功率控制精度和器件的要求。MIMO 技术的使用可以追溯到 20 世纪的马可尼时代，早在 1908 年马可尼就提出用它来抗衰落。人们研究发现，多副天线构成的接收阵列可以有效地克服无线蜂窝系统中的共道干扰。二次世界大战后，对雷达系统中天线阵列的研究尤为活跃。到 20 世纪 70 年代，由于军事上的原因，数字信号处理技术得到了快速发展，这使得更多的关于天线阵列的研究的自适应信号处理技术的实现成为可能，从而进一步提高了分集性能，降低了干扰 3。到 20 世纪 90 年代初，人们发现使用多天线可以增加无线信道的容量 4。接下来，Bell 实验室在 20 世纪 90 年代中后期一系列研究成果的出台 5，对 MIMO 技术的研究起了很大的推动作用，开创了无线通信的一场新的技术革命。1.1.2 信道建模的必要性随着无线通信技术的不断发展，用户对数据传输速率和多种无线业务的需求也在不断增加，除了传统的语音业务外，人们期望能以较低的价格和更高的数据速率获取 Internet 接入和多媒体服务。此外，以 GSM(Global System for MobileCommunication)为代表的第二代蜂窝移动通信系统频谱利用率较低，可利用的无线频谱资源又日趋紧张，无线通信系统在系统容量、网络覆盖、运营成本等方面出现了一些新的问题和矛盾。上述两个方面的需求不断地推动着新型无线第 3 页通信技术的诞生、发展和应用。尤其近几年来，无线数据和移动 Internet 业务需求的持续增长，使得如何实现高频谱利用率并支持分组业务的高速数据传输成为迫切需要解决的根本问题，这对未来一代无线通信网络和无线传输技术提出了巨大挑战。从技术角度看，解决这一问题需要研究全新的无线网络结构和新型的无线传输技术 6。在过去十年里，无线通信中受到较多关注的新兴技术主要有：码分多址(CDMA,CodeDivisionMultipleAccess)、正交频分复用(OFDM)、智能天线(SmartAntenna)、UWB(UltraWideBand ，超宽带)技术、多入多出 (MIMO,Multiple-Input Multiple-Output)技术 7、软件无线电技术以及认知无线电 (Cognitive Radio)等。在上述的这几种技术中，以 MIMO 为代表的多天线技术在无线通信中的应用显得更为广泛，正扮演着越来越重要的角色。MIMO 技术的核心是空时信号处理，利用在空间中分布的多个天线将时间域和空间域结合起来进行信号处理，有效地利用了信道的随机衰落和多径传播来成倍的提高传输速率，改善传输质量和提高系统容量，能在不额外增加信号带宽的前提下带来无线通信性能上几个数量级的提高。目前对 MIMO 技术的应用主要集中在以空时编码(STC,Space-Time Codes)为典型的空间分集(diversity)和以BLAST(Bell LAyered Space-Time architecture)为典型的空间复用(multiplexing)两个方面。MIMO 作为未来一代宽带无线通信系统的框架技术，是实现充分利用空间资源以提高频谱利用率的一个必然途径，基于 MIMO 的无线通信理论和传输技术显示了巨大的潜力和发展前景。然而，MIMO 系统大容量的实现和系统其它性能的提高以及 MIMO 系统中使用的各种信号处理算法的性能优劣都极大地依赖于 MIMO 信道的特性，特别是各个天线之间的相关性。最初对 MIMO 系统性能的研究与仿真通常都是在独立信道的假设下进行的，这与实际的 MIMO 信道大多数情况下具有一定的空间相关性是不太符合的。MIMO 系统的性能在很大程度上会受到信道相关性的影响。因此，建立有效的能反映 MIMO 信道空间相关特性的 MIMO 信道模型以选择合适的处理算法并评估系统性能就变得相当重要了。1.2 选题意义和研究内容MIMO 技术由于能够在不增加传输信道带宽的条件下成倍的提高无线信道的容量，因而被认为是现代通信技术中的重大突破之一，越来越成为无线通信领域的研究热点。MIMO 技术是未来无线通信系统中实现高数据速率传输、改善传输质量、提高系统容量的重要途径。MIMO 信道模型无论是在 MIMO 技术的理论研究阶段还是在 MIMO 系统的应用阶段都是必需的。因此，MIMO 信道的建模是第 4 页MIMO 理论研究中的重要内容。本文在研究了 MIMO 理论、无线信道的特性以及无线信道的数学模型的基础上，综合考虑了 MIMO 信道的各种衰落特性，提出了合理的、实现复杂度低的通用的 MIMO 空时信道模型，比较全面的反映了 MIMO 无线通信系统中信道的空间衰落特性，即信道的空间相关性特性。通过分析收发两端天线阵列间的空间相关性及其与天线间距、波的到达角度、角度扩展等空间参数的关系，提出了对此信道仿真的方法，并建立了相应的 MIMO 信道模型的仿真，得出仿真结果并进行了分析。1.3 本文的结构第一章 绪论，简单的介绍 MIMO 技术以及它的研究现状，指出了 MIMO 技术的优势和信道建模的必要性，指明了本文的出发点。第二章 MIMO 无线信道的特点，本章是进行 MIMO 信道建模的基础。MIMO 信道首先也是一种无线信道，因此本章先介绍了无线信道的特性，包括它的传播方式、衰落特性包括大尺度衰落和小尺度衰落以及由时延扩展、多普勒扩展、角度扩展引起的衰落类型，并对无线信道的特性作了总结，还介绍了无线信道的数学模型，包括瑞利衰落信道和莱斯衰落信道的数学模型，最后简单的介绍了 MIMO无线信道的各种参数。第三章 MIMO 信道建模，这一章是本文的重点和核心部分。首先概括性的介绍了 MIMO 信道建模的方法，然后提出了基于统计特性的信道模型。建模的过程中，首先介绍了影响该模型的主要参数，之后给出了模型的数学描述。接着从相关矩阵和相关系数两方面重点研究了 MIMO 信道的相关性。第四章 信道模型的仿真，本章首先阐述了第三章所提出的 MIMO 无线信道模型的仿真设计思路、方法，介绍了仿真的处理流程以及相关衰落的产生，并给出相应的流程图，最后对仿真的结果进行分析。第五章 总结，对全文进行了概括性的总结，明确了今后需要进一步研究的问题。第 5 页2 MIMO 无线信道的特点对 MIMO 信道进行建模离不开对无线信道特性的分析，只有在充分理解了无线信道的各种特性之后，才能更进一步，找到用于描述 MIMO 信道的合适的数学模型。与传统的单入单出(SISO,Single-Input Single-Output)信道所不同的是，对于MIMO 信道，信道信息从原来的二维(时间、频率 )扩充到了包含时间、频率和空间的三维信息。因此，为准确地描述 MIMO 信道的统计特性，必须引入空间维度。在了解传统无线信道的多径、时延扩展、多普勒扩展等统计变量的同时，还必须了解信道的空间特性，比如到达角(AOA,Angle ofArrival)、离开角(AOD,Angle of Departure)、角度扩展 (AS,Azimuth Spread)和角度功率谱(PAS,Power Azimuth Spectrum)等。本章首先介绍无线信道的特性，再对无线信道的各种特性和分类做一个总结，最后介绍 MIMO 无线信道的参数特点，为下一部分对 MIMO 信道的建模作基础。2.1 信号传播方式在无线传播环境下进行通信，信号可能要经过许多的障碍物，如大楼、街道、树木以及移动的汽车等。信号的传播途径大致可分为四种：（1）直线传播 在较开阔的地区，如郊区或农村。然而在城市环境中，直线传播很少见。（2）反射 信号往往经过大的建筑物、平坦的地面和高山反射。反射是信号传播的一种重要途径。（3）折射 信号经过障碍物的边界时，经折射绕过障碍物而到达目的地，信号经折射后衰减很大。因此，在无线信道模型中，一般忽略这种传播途径。（4）散射 当信号遇到一个或多个较小的障碍物时，出现散射现象，即信号分成了许多个随机方向的信号。散射在城市通信中为最重要的一种传播方式。信号经散射后很难预测，因此理论上的建模往往建立在统计分析的基础上。在实际环境中，信号利用障碍物的反射、散射或直线传播等，经多条路经到达接收端，即多径传播，从而形成了多径信道。2.2 信道衰落无线信道的传播模型可分为大尺度传播模型和小尺度传播模型两种。大