（信号与信息处理专业论文）多入多出mimo无线信道的建模与硬件实现.pdf

多入多出m i m o 无线信道的建模与硬件实现 摘要 近年来，凭借在提高系统频谱利用率方面卓越的性能表现， 多入多出m i m o 技术成为了移动通信技术发展进程中广受关注的 课题。为了设计一个实际的m i m o 无线通信系统，并且能够有效 地评估该系统在现实中的性能，针对不同环境建立一个精确的 m i m o 无线信道模型是非常必要的。除此之外，开发一个m i m o 信道的硬件模拟器使得系统测试和评估能够在实验室中完成，这 比外场测试具有更低的成本并且可以重复利用。 这篇学位论文研究了一个随机的m i m o 无线信道模型，提出 了一个基于蒙特卡罗仿真的m i m o 信道模拟器的实现方法。在这 篇论文中描述的m i m o 信道模型除了能够反映信道的衰落和时延 扩展特性外，而且能够反映m i m o 无线链路之间的空间相关特性。 这个模型的一个主要特点是它不依靠于对散射环境的几何描述， 主要的输入参数是时延功率谱形状、衰落特征以及发射机和接收 机之间的空间相关函数，这些参数能够从i t u 或者3 g p p 标准文 献中定义的信道模型巾商接获得。 在该随机信道模型的基础e ，我们设计r 一个硬件的基带信 道模拟器。它能够被用来完成m i m o 系统的链路级仿真，以评估 某种现实环境中的m i m o 系统的基带处理算法的性能。这个信道 模拟器的特点已经被实验测试所验证。 关键词：m i m o 无线信道，天线阵，信道建模，信道模拟器，空 间相关 m o d e l i n ga n dh a r d w a r es i m u l a t o r i m p l e m e n t a t i o nf o rm i m or a d i oc h a n n e l s a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，m u l t i p l e - i n p u t - m u l t i p l e o u t p u t ( m i m o ) s y s t e m s a p p e a rt ob ev e r yp r o m i s i n gs i n c et h e yc a np r o v i d eh i g hd a t ar a t e si n e n v i r o n m e n t sw i t hs u f f i c i e n t s c a t t e r i n gb ye x p l o i t i n gt h es p a t i a l d o m a i n t od e s i g nar e a lm i m 0w i r e l e s ss v s t e ma n dp r e d i c ti t s p e r f o r m a n c eu n d e rc e r t a i nc i r c u m s t a n c e s i ti sn e c e s s a r yt oh a v e a c c u r a t em i m ow i r e l e s sc h a n n e lm o d e l sf o rd i f f e ：r e n ts c e n a r i o s i n a d d i t i o n ah a r d w a r es i m u l a t o rf o rm i f or a d i 0c h a n n e l sc o n v e n i e n t l y a l l o w ss v s t e mt e s t sa n de v a l u a t i o n sw h i c ha r el e s se x p e n s i v ea n d m o r er e p r o d u c i b l et h a nf i e l dt r i a l s t h i sd i p l o m aw o r ki n v e s t i g a t e sas t o c h a s t i cm i m 0r a d i oc h a n n e l m o d e la n dp r e s e n t sas i m p l ef r a m e w o r kf o ri m p l e m e n t i n gah a r d w a r e m i m 0c h a n n e ls i m u l a t o rb a s e do nm o n t e - c a r l os i m u l a t i o n s t h i s s t o c h a s t i cm o d e li n c l u d i n gt h ep a r t i a lc o r r e l a t i o nb e t w e e nt h ep a t h si n t h em i m 0c h a n n e l a sw e l la sf a s tf a d i n ga n dt i m ed i s p e r s i o ni s d e s c r i b e di nt h et h e s i s am a j o rc h a r a c t e r i s t i co ft h i sm o d e l i st h a ti t d o e sn o tr e l yo nag e o m e t r i c a ld e s c r i p t i o no ft h ee n v i r o n m e n tu n d e r s t u d y t h em a i ni n p u tp a r a m e t e r sr e q u i r e df o rt h em o d e la r et h es h a p e o ft h ep o w e rd e l a ys p e c t r t m a ，t h ef a d i n gc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h es p a t i a l c o r r e l a t i o nf u n c t i o n sa tt h et r a n s m i t t e ra n dr e c e i v e re n d s ，a n dc a nb e d i r e c t l yc h o s e na c c o r d i n gt ot h ei t uo r3 g p p c h a n n e lm o d e l s b a s e do nt h i ss t o c h a s t i cm i m 0r a d i oc h a n n e lm o d e l a b a s e b a n dc h a n n e ls i m u l a t o ri si m p l e m e n t e db yh a r d w a r ed e v i c e s i t c a nb ea p p l i e df o rl i n kl e v e ls i m u l a t i o n si no r d e rt op e r f o r m e v a l u a t i o ns t u d i e so fb a s e b a n da l g o r i t h m so fm i m 0s y s t e m su n d e r r e a l i s t i cp r o p a g a t i o nc o n d i t i o n s t h ef e a t u r e so ft h i ss i m u l a t o ra r e v a l i d a t e db ye x p e r i m e n t a lm e a s u r e m e n t s k e yw o r d s ：m i m or a d i o c h a n n e l ，a n t e n n aa r r a y s ，c h a n n e l m o d e l i n g ，c h a n n e ls i m u l a t o r , s p a t i a l l yc o r r e l a t i o n v 独创性( 或创新性) 声明 本人卢明所导交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所 知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同二【：作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢 意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名。率一蒜一 日期：一五峦垒三一一 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校 攻读学位期间论文t 作的知识产权单位属北京邮电人学。学校有权保留并向国家有关部 或机构送交论文的复印什和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅：学校可以公布学位论 文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在年解密后适用本授权书。非保密论 m i m o 无线信道的建模与硬件实现 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 移动通信系统正经历着从第二代向第三代演进的过程，同时，关于第四 代移动通信技术的研究也在国内外众多研究机构广泛展开。通信技术的发展 和系统的演进的动力来源于社会的发展带来的人们对通信的越来越高的需 求。人们理想的目标是在任何时候、任何地方、与任何人都能及时沟通联系、 交流信息，显然只有移动通信技术能够实现这个目标。可是，移动通信是处 于一个复杂环境下的无线电通信，这种苛刻的环境限制了人们不能轻易就达 到理想的目标。无线传播环境是制约通信质量的主要因素，也是研究各种无 线通信技术的发源。从最早马可尼发明无线电报以来，人们发展了诸多无线 通信技术来克服信道环境对通信的限制。进入本世纪，随着计算机技术的飞 速发展和迅速普及，通信，特别是移动通信传输的内容由单一的话音转变为 多媒体数据业务。如何在复杂的无线传播环境中，高质量、大容量的传输不 同服务质量要求的信息对移动通信技术提出了新的挑战。多入多出( m i m o ) 技术以其在提高信道容量方面卓越的表现受到研究人员的广泛关注，成为未 来移动通信的关键技术之一。 当前关于m i m o 技术的研究主要集中于：信道模型的研究、系统容量的 分析、m i m o 系统中使用的空时编码技术以及m i m o 和o f d m 技术的结合。 其中对m i m o 信道的研究、建模和仿真是研究m i m o 系统性能的基础和关 键，同时也是这篇论文的出发点。 1 2 m i m o 无线信道模型研究的背景 12 1 m i m o 技术的发展历程 多进多出( i i i m 0 ) 技术由来已久，早窿1 9 0 8 年马可尼就提出用芭求抗 衰落。庄7 0 年代有人提出将多入多出技术用于通信系统，但是对无线移动通 信系统多入多出技术产生巨大推动的奠基【作则是9 0 年代由a t & tb e l l 实 m i m o 无线信道的建摸与硬件实现第一章绪论 验室学者完成的。1 9 9 5 年t e l a d a r 给出了在衰落情况下的m i m o 容量 1 0 1 ； 1 9 9 6 年f o s h i n i a 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 - b l a s t ) 算法【2 ；1 9 9 8 年t a r o k h 等讨论了用于多入多出的空时码；1 9 9 8 年w o i n i a n s k y 等人采用垂直贝尔实验室分层空时( v - b l a s t ) 算法建立了一 个m i m o 实验系统，在室内试验中达到了2 0b i f f s i - i z 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。这些工作受到各国学者的极大注意， 并使得多入多出的研究工作得到了迅速发展。 1 2 2m i m o 技术的基本原理 m i m o ( m u l t i p l e i n p u tm u l t i p l e o u t p u t ) 系统就是利用多天线来抑制信 道衰落。根据收发两端天线数量，相对于普通的s i s o ( s i n g l e i n p u t s i n g l e - o u t p u t ) 系统，m i m o 还可以包括s i m o ( s i n g l e - i n p u tm u l t i p l e o u t p u t ) 系统和m i s o ( m u l t i p l e i n p u ts i n g l e - o u t p u t ) 系统。 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m i m o 系统来说，多径可以作为一个有利因素加以利用。m i m o 系统在发 射端和接收端均采用多天线( 或阵列天线) 和多通道，m i m o 的多入多出是针 对多径无线信道来说的。图1 1 所示为m i m o 系统的原理图。传输信息流s ( k ) 经过空时编码形成个信息子流c ( 七) ，i = 1 ，。这个子流由个天线 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 时解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。 发送 厂、【 f 散射 i 信道 ( 接收 图1 1多入多出( m i m o ) 系统原理 特别是这个子流同时发送到信道，各发射信号占用同一频带，因而 2 m 1 m o 无线信道的建模与硬件实现 第一章绪论 并未增加带宽。若各发射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。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。 m i m o 将多径无线信道与发射、接收视为一个整体进行优化，从而实现 高的通信容量和频谱利用率。这是一种近于最优的空域时域联合的分集和干 扰对消处理。 系统容量是表征通信系统的最重要标志之一，表示了通信系统最大传输 率。对于发射天线数为，接收天线数为m 的多入多出( m i m o ) 系统，假 定信道为独立的瑞利衰落信道，并设、m 很大，则信道容量c 近似为： c = m i n ( m ，n ) a l 0 9 2 ( p 2 )( 1 ，1 ) 其中b 为信号带宽，p 为接收端平均信噪比，m i n ( m ，n ) 为m ，的较小 者。式( 1 1 ) 表明，功率和带宽固定时，多入多出系统的最大容量或容量上限 随最小天线数的增加而线性增加。而在同样条件下，在接收端或发射端采用 多天线或天线阵列的普通智能天线系统，其容量仅随天线数的对数增加而增 加。相对而言，多入多出对于提高无线通信系统的容量具有极大的潜力。也 就是说可以利用m i m o 信道成倍地提高无线信道容量，在不增加带宽和天线 发送功率的情况下，频谱利用率可以成倍地提高。 1 2 3m i m o 技术的研究与应用 目前，各国学者对于m i m o 的理论、性能、算法和实现的各方面正广泛 进行研究。在m i m o 系统理论及性能研究方面已有一批文献，这些文献涉及 相当广泛的内容。但是由于无线移动通信m i m o 信道是一个时变、非平稳多 入多出系统，尚有大量问题需要研究。比如说，各文献大多假定信道为分段 恒定衰落信道。这对于宽带信号的4 g 系统及室外快速移动系统来说是不够 的，因此必须采用复杂的模型进行研究。已有6 少文献在进行这方面的工作， 即对信道为频率选择性衰落和移动台快速移动情况进行研究。再有，在基本 文献中，均假定接收机精确己知多径信道参数，为此，必须发送训练序列对 接收机进千r 训练。但是若移动台移动速度过快，就使得训练时间太短，这样 快速信道估汁或盲处理就成为重要的研究内容。 m i m o 无线信道的建模与硬件实现第一章绪论 利用m i m o 技术可以提高信道的容量，同时也可以提高信道的可靠性， 降低误码率。目前m i m o 技术领域另一个研究热点就是空时编码。常见的空 时码有空时块码、空时格码。空时码的主要思想是利用空间和时间上的编码 实现一定的空间分集和时间分集，从而降低信道误码率。 另外实验系统是m i m o 技术研究的重要一步。实际系统研究的一个重要 问题是在移动终端实现多天线和多路接收，学者们正大力进行这方面的研究。 由于移动终端设备要求体积小、重量轻、耗电小，因而还有大量工作要做。 目前各大公司均在研制实验系统。贝尔实验室的b l a s t 系统 2 是最早研制 的m o 实验系统。该系统工作频率为1 9g h z ，发射8 天线，接收1 2 天线， 采用d b l a s t 算法，频谱利用率达到了2 5 9b i t s h z s 。但该系统仅对窄带 信号和室内环境进行了研究，对于在3 g 、4 g 应用尚有相当大距离。在发送 端和接收端各设置多重天线，可以提供空间分集效应，克服电波衰落的不良 影响。这是因为安排恰当的多副天线提供多个空间信道，不会全部同时受到 衰落。在上述具体实验系统中，每一基台各设置2 副发送天线和3 副接收天 线，而每一用户终端各设置l 副发送天线和3 副接收天线，即下行通路设置 2 x 3 天线、上行通路设置l 3 天线。这样与“单输单输出天线”s i s o 相 比，传输上取得了1 0 2 0 d b 的好处，相应地加大了系统容量。而且，基台 的两副发送天线于必要时可以用来传输不同的数据信号，用户传送的数据速 率可以加倍。 朗讯科技的贝尔实验室分层的空时( b l a s t ) 技术是移动通信方面领先 的m i m o 应用技术，是其智能天线的进一步发展。b l a s t 技术就其原理而 言，是利用每对发送和接收天线上信号特有的“空间标识”，在接收端对其进 行”恢复”。利用b l a s t 技术，如同在原有频段上建立了多个互不干扰、并 行的子信道，并利用先进的多用户检测技术，同时准确高效地传送用户数据， 其结果是极大提高前向和反向链路容量。b l a s t 技术证明，在天线发送和接 收端同时采用多天线阵，更能够充分利用多径传播，达到“变废为宝”的效果， 提高系统容量。理论研究业已证明，采用b l a s t 技术，系统频谱效率可以 随天线个数成线性增长，也就是浼，只要允许增加天线个数，系统容量就能 睇得到不断提升。这也充分证明b l a s t 技术有着非常大的潜力。鉴于二对于 m i m o 无线信道的建模与硬件实现第一章绪论 无线通信理论的突出贡献，b l a s t 技术获得了2 0 0 2 年度美国t h o m a se d i s o n ( 爱迪生) 发明奖。2 0 0 2 年1 0 月，世界上第一颗b l a s t 芯片在朗讯公司贝 尔实验室问世，贝尔实验室研究小组设计小组宣布推出了业内第一款结合了 贝尔实验室l a y e r e ds p a c et i m e ( b l a s dm i m o 技术的芯片，这一芯片支持 最高4 x 4 的天线布局，可处理的最高数据速率达到1 9 2 m b p s 。该技术用于移 动通信，b l a s t 芯片使终端能够在3 g 移动网络中接收每秒1 9 2 m b i t 的数据， 现在，朗讯科技已经开始将此b l a s t 芯片应用到其f l e x e n to n e b t s 家族的 系列基站中，同时还计划授权终端制造商使用该b l a s t 芯片，以提高无线 3 g 数据终端支持高速数据接入的能力。 2 0 0 3 年8 月，a j r g on e t w o r k s 推出了a g n l 0 0w i - f i 芯片组，并称其是 世界上第款集成了多入多, q 4 , ( m i m o ) 技术的批量上市产品。a g n l 0 0 使用该 公司的多天线传输和接收技术，将现在w i f i 速率提高到每信道1 0 8 m b p s ， 同时保持与所有常用w i f i 标准的兼容性。该产品集成两片芯片，包括一片 b a s e b a n d m a c 芯片( a g n l 0 0 b b ) 和一片r f 芯片( a g n l 0 0 r f ) ，采用一种可 伸缩结构，使制造商可以只使用一片r f 芯片实现单天线系统，或增加其他 r f 芯片提升性能。该芯片支持所有的8 0 2 1 la 、b 和g 模式，包含i e e e8 0 2 1 1 工作组推出最新标准( 包括t g i 安全和t g e 质量的服务功能) 。a i r g o 的芯片 组和目前的w i f i 标准兼容，支持8 0 2 1 l a 、b 和g 模式，使用三个5 - g t - l z 和 三个2 4 - g h z 天线，使用a i r g o 芯片组的无线设备可以和以前的8 0 2 1 l 设备 通讯，甚至可以在以5 4 m b p s 的速度和8 0 2 1 1 a 设备通讯的同时还可以以 1 0 8 m b p s 的速度和a i r g o 的设备通讯。 总之，凭借在提高系统频谱利用率方面卓越的性能表现，多输入多输 出( m i m 0 ) 技术已经成为移动通信技术发展进程中炙手可热的课题。 t 3 m i m o 无线信道建模的重要意义 无线信道是移动通信的传输媒体，所有的信息都在这个信道中传输。信 道性能的好坏决定着人们通信的质量，因此要想在比较有限的频率资源上尽 可能地高质量、大容量传输有用的信息就要求研究人员十分清楚地了解信道 地特性。然后根据信道的特性采取一系列的抗干扰和抗衰落措旋，来保证传 m i m o 无线信道的建模与硬件实现 第一章绪论 输质量和传输容量等方面的要求，所以说，移动无线信道是一切移动通信技 术的发源和最终归宿。 移动无线信道的建模是推动移动通信发展的关键技术之一，国内外学者 对此做了大量的研究。随着移动通信的迅猛发展以及用户数量的急剧增加， 要求移动通信在有限的频率资源上极大地提高系统容量。m i m o 技术的提出 解决了困扰人们的频率利用率问题。为了更好的利用m i m o 技术，需要描述 移动通信信道模型的空时域特性，这促使了围绕m i m o 技术的空时域模型成 为移动通信研究中的热点。 当前，l u c e n t 、n o k i a 、l s il o g i c 、m o t o r o l a 等国际通信公司和s t a n f o r d 等国外的大学和科研机构都在开展m i m o 信道模型的研究。在移动通信领 域，其中l u c e n t 、n o k i a 、s i e m e n s 向国际标准化合作组织3 g p p t s g r a n w g l 提交了他们的信道模型的建议。另外无线局域网领域的标准组织i e e e 8 0 2 1i 任务组n ( 即8 0 2 1 l t g n ) 下属的信道模型委员会也提出了自己的信道模型， 用于对i e e e 8 0 2 1l 技术的研究。 一个与实际传输环境相符合的无线m i m o 信道仿真模型是研究m i m o 通信技术所必需的。在本论文中，研究了一个充分考虑m i m o 系统中无线链 路之间相关性的m i m o 信道模型，并且3 g p p 以及i e e e 8 0 2 11 t g n 提出的各 种信道环境下m i m o 信道的参数可以被直接输入到该模型中。相对与以往在 多天线理论的研究中，只考虑完全独立或者完全相关的情况，该模型能够更 好的与实际信道环境相吻合，对于分析各种基于m i m o 的传输技术，例如， 自适应天线阵、空时处理以及空时编码技术在现实移动传播环境下的性能具 有重要意义。 1 4 本课题所做的工作 本课题口的在于通过对m i m o 无线信道建模的理论分析，研究一个适用 的m i m o 无线信道模型用硬件的方法实现一个m i m o 信道的模拟器，为 未来m i i m o 技术的研究提供硬件平台支持。 本课题对m i m o 信道的建模着眼于理论分析与硬件实现相结合，在课题 实施过程中，前期主要完成了几种信道模型的研究与软件仿真，包括阴影衰 6 m i m o 无线信道的建模与硬件实现第一章绪论 落信道、瑞利衰落信道和3 d 空时衰落信道。中期重点对m i m o 信道建模理 论进行学习和研究，通过在复杂度和准确度之间的折中，总结出一种适用于 硬件实现的m i m o 信道建模算法。在课题实旌的最后阶段，主要完成了 m i m o 信道模拟器的硬件设计与测试和d s p 应用程序的开发。 1 5 本论文的结构 本论文作为学位论文，是作者两年来在北京邮电大学信息理论与技术研 究中心学习与科研实践的总结。本论文围绕移动无线信道的基本理论和 m i m o 信道建模与实现等方面展开，论文的结构如下： 第一章绪论部分首先简明扼要地介绍了m i m o 信道模型研究的背景知 识，包括了m i m o 技术的基本原理，发展历程以及研究和发展现状。最后指 出m i m o 信道建模对于m i m o 通信技术研究的具有重要意义。 第二章的内容基于作者对移动无线信道建模理论的学习，不断地总结而 成。首先介绍了移动无线信道的特点，然后针对小尺度衰落信道的特性与建 模理论展开。在介绍了衰落与多径的物理抽象和数学模型的基础上，从频率 域、时间域、空间域三个维度总结出移动多径信道的三种参数，并且根据这 三种参数，对小尺度信道做出了分类。最后，分别介绍了平坦衰落信道和频 率选择性衰落信道的建模理论与仿真技术。对无线信道理论透彻地认识是 m i m o 信道建模研究的前提，本章内容为后续章节本论文主题的展开做了有 益的铺挚。 第三章开始进入本论文的主题部分。首先介绍了一个随机的m i m o 信道 模型，包括了这个模型的总体描述，一些基本假定和仿真这个模型的基本算 法。在最后一节中，介绍了一种独立的瑞利衰落过程的实现方法，包括数学 算法和基于查找表的实现方法。本章的内容为下一章的m i m 0 信道模拟器的 实现提供了算法支持。 在第四章将主要介绍m i m o 信道模拟器的硬件设计以及基于此硬件平 台e 的建模算法实现- - d s p 应用程序漫计。首先介绍m i m o 信道模拟器的总 体结构和主要特征，接着介绍了m i m o 信道模拟器的硬件电路设计。第四节 中介绍了d s p 应用程序的设计，m i m o 信道建模的基本算法在该应用程序中 m i m o 无线信道的建模与硬件实现第一章绪论 得到了集中体现，最后，介绍了m i m o 信道模拟器的工作流程。 第五章介绍了对m i m o 信道模拟器的测试与验证，依次分析了m i m o 信道板所体现的衰落特性，空间相关特性和能够反映不同散射情况下的信道 容量，证明了设计的m i m o 信道模拟器能够很好地模拟现实的散射环境。 在最后一章对整篇论文做了宏观总结，并从m i m o 信道建模算法和信道 模拟器电路设计两方面提出了未来需要进一步修正和完善的地方。 8 m i m o 无线信道的建模与硬件实现 第二章移动无线信道的特性与建模 2 1 引言 第二章移动无线信道的特性与建模 移动通信中的m i m o 系统通过在基站和移动台之间配置多天线阵来实 现，从发送到接收的天线阵之间传播环境组成了m i m o 系统的传输信道。移 动通信技术中研究的m i m o 信道首先属于无线信道，对它的研究与建模应该 从了解移动无线信道的特性与基本的无线信道模型开始。 移动无线信道是一个非常复杂的动态信道，取决于用户所处位置的移动 传播环境，其信道参数是时变的。利用这类复杂的移动信道进行通信，首先 必须分析和掌握信道的基本特点和实质，然后才能针对其存在的问题，给出 相应的解决方案。移动传播环境复杂多样，为了对其进行科学的分析，需要 针对不同实际传播环境进行必要的物理抽象，建立不同的揭示信道本质特点 的数学模型。同时，借助于计算机对各种移动通信技术的性能进行验证评估 时，往往需要对不同移动传播环境进行模拟，这就要求研究合适的运算量的 仿真模型。 2 2 移动无线信道的特陛 不同频段的无线电波，其传播方式和特点是不相同的。对工作于 f 和 u h f 频段的移动通信来说，电波传播的方式主要是空间波，即直射波、折射 波以及它们的合成波。陆地移动系统种，移动台处于城市建筑群之中或处于 地形复杂的区域，其天线将接收从多条路径传来的信号，再加上移动台本身 的运动，使得移动台和基站之间的无线信道多变，且难以控制。 与其他通信信道相比，移动信道是最为复杂的一种。例如，模拟有线信 道中典型的信噪比为4 6 d b ，也就是说，信号电平要比噪声电平高4 00 0 0 倍。 而且对有线信道柬浣，其传输质量是可以控制的，通过选择合适的材料进行 精心加工，可以确保在有线传输系统中有一个相对稳定的电气环境。与此相 对照，陆地移动无线信道中信号强度的骤然降低，即所谓衰落是经常发生的， 衰落深度可达3 0 d b 。在城市环境中，一辆快速行驶车辆上的移动台的接收信 9 m i m o 无线信道的建模与硬件实现 第二章移动无线信道的特性与建模 号在1 秒之内的显著衰落可达数十次，这种衰落现象严重影响到接收信号的 质量和通信的可靠性。 在蜂窝式移动环境中，同频干扰是一个必须考虑的问题，当发生衰落时， 要接收的信号也许比同频小区基站来的干扰信号还要弱，接收机就会锁定在 错误的信号上。模拟移动通信多采用调频传号，调频方式的捕获效应对于同 频干扰有一定的抑制作用，而衰落现象会显著改变调频信号特陛，削弱其捕 获效应。 移动信道的衰落特性取决于无线电波传播环境，不同的环境，其传播特 性也不尽相同。例如，一个有许多高层建筑的大城市与平坦开阔的农村相比， 其传播环境有很大不同，两者的移动信道特性也大有差异，而传播环境本身 是相当复杂的，这就使得移动信道特性也是十分复杂的。 无线传播环境是一种随时间、环境和其他外部因素而变化的传播环境， 这种复杂、恶劣的传播条件是移动信道的特征，这是由在运动中进行无线通 信这一方式本身所决定的。对于移动通信来说，恶劣的信道特性是不可回避 的问题，要在这样的传播条件下保持可以接受的传播质量，就必须采用各种 技术措施来抵消衰落的不利影响，这就是各种抗衰落技术，它包括分集、扩 频跳频、均衡、交织和纠错编码等。 研究和开发移动信道中的数字传输技术的第一步工作就是认识移动信道 本身的特性。建立移动信道模型已成为许多理论分析和实测的课题，通常， 无线信道的传播模型可分为大尺度( l a r g e - s c a l e ) 传播模型和小尺度 ( s m a l l s c a l e ) 传播模型两种。大尺度模型主要用于描述发射机与接收机之 间长距离( 几百或几千米) 上的信号强度变化。小尺度模型用于描述短距离 ( 几个波长) 或短时间( 秒级) 内接收信号强度的快速变化。但这两种模型 并不是相互独立的，在同一个无线信道中，既存在大尺度衰落，也存在小尺 度衰落。了解这些信道特性对于我们要在频谱资源有限的信道上，尽可能高 质量、大容量传输有用信息起着指导性的作用。一般而言，大尺度表征了接 收信号在一定时间内的均值随传播距离和环境的变化而呈现的缓慢变化，小 尺度表征丁接收信号短时问内的快速波动。因此，实际的无线信道衰落因子 可以表示为 0 m i m o 无线信道的建模与硬件实现第二章移动无线信道的特性与建模 r ( t ) = 孝( ，) f ( f )( 2 1 ) 式中，叩o ) 表示信道的衰落因子：孝( r ) 表示s m a l l s c a l e 衰落；f ( f ) 表示大尺 度衰落。 大尺度传播的研究主要对分析信道的可用性、选择载波频率以及移动无 线网络优化有重要意义；而讨论小尺度衰落则对无线传输技术的选择和数字 接收机的设计至关重要，下面的部分着重对小尺度衰落信道展开讨论。 2 - 3 小尺度衰落信道 小尺度是描述短距离( 几个波长) 或短时间( 秒级) 内接收信号强度的 快速变化：而无线信道的主要特征是多径，由于这些多径使得接收信号的幅 度急剧变化，产生了衰落。这一节先介绍小尺度的衰落和多径的物理抽象模 型和数学模型，为后边研究各种信道模型奠定基础。在本节的第二部分，总 结了移动多径信道的三种参数，这些参数对移动信道的分类以及后边要讨论 的几种信道模型的描述具有重要意义。 2 3 1 衰落与多径 2 3 i 1 物理抽象 移动台和基站天线之间的典型链路如图2 1 。在移动台周围有多种反射 体，例如建筑物、山脉、车辆等、而由于基站位于周围建筑物的上方，因此 在基站周围几乎没有反射体。移动台周围的反射体一般称为散射体。基站和 移动台之间的信号经过多条路径传输，每一条路径都经历了一个或多个散射 体，在接收机得到的是所有路径信号的总和。 图2 1典型的宏蜂窝无线传播环境 m i m o 无线信道的建模与硬件实现第二章移动无线信道的特性与建模 假设基站到移动台之间只存在一条传播路径，那么它所携带的能量在两 个方向上是完全相同的。在这个意义上无线信道是互易。事实上，在典型宏 小区环境中的移动台通常是被当地散射体所包围，以至于平面波从许多方向 到达，到达的平面波的空间分布在各个方向可能会有相当大的不同，通常甚 至没有直达的视距( l o s ) 分量。在宏蜂窝系统的下行链路信道中经常使用的 散射模型是二维各向同性散射，从各个方向来到的平面波都以等概率方式到 达。对于这种类型的散射环境，接收包络在任何时候都是瑞利分布，也可说 成是呈现瑞利衰落。 从图2 1 还可以看出，宏小区中的基站相对地是离开了当地散射体，以 至于平面波趋向于在相当小的到达角度( a o a ) 范围内从一个方向到达，散 射环境对下行链路和上行链路信道间的这些差异使它们各自衰落包络的空间 相关特性发生差异因此，在空间分集的处理中也不尽相同。 2 3 1 2 数学模型 以上描述了多径衰落的物理模型，下面主要分析其衰落的数学模型。 设发射信号以f ) 是 w ( r ) = ( f ) c o s ( c a t ) 一( r ) s i n ( e v ) = r e i d ( t ) e 川 ( 2 2 ) 式中，0 9 c = 2 x f 。是载波角频率，r e 【j 1 指j 的实部，j ( f ) 是基带发射信号的复 包络： j ( ，) = s r ( ，) + 弭( f )( 2 3 ) 若移动台工作在多径坏境中，被散射体包围。那么发射信号w ( f ) 将通过 n 条传播路径所构成的信道到达接收端，接收端的信号，( f ) 由n 个信号分量 卺加而成： 巾，= 壹a n n = l w 卜 厂( f ) = ( f ) w 卜鲁| l oj = 胎阻邯卜y ” = r e 喜a 。c ，j u lc ，e ，n l ，一h ” c ：4 ， = i a 。( ，) j u l ( ，) ) p 7 ”一州”1 i ( 2 4 ) l 月- lj m i m o 无线信道的建模与硬件实现 第二章移动无线信道的特性与建模 这里考虑了由于传播路径引起的对每条路径的信号分量振幅的增益( 实际上 是衰落) 、相移和延迟。式中( r ) 代表第n 条路径来的接收信号分量振幅的 增益系数，它随时间变化，其大小决定于第n 条路径上信号的反射或绕射的 结果。疆第n 条路径的长度，r = 矗c 是第n 条路径的时间延迟，它随时 间变化。上面得到的( 2 4 ) 式是移动台静止时得到的表示式，当移动台以v 的 速度移动时，每条路径的长度均要发生变化，其增量是 矗= 一v t c o s c t( 2 5 ) 这里，是路径n 的到达方向与移动台运动方向的夹角。因此( 2 4 ) 式变为 儿哪e 降坝卜华e 川f - 华 = 鼬阻啪”+ 竺e 川2 z 半 ( 2 - s ， 多普勒频移为厶j = 厶c 。s = 云c 。s ，代入式( 2 - 6 ) ，考虑到蝇比蠢小 得多，所咀其值在一益竺生) 中可以被忽略，但在相位中不能忽略。因此 厂c r ，= ：r o 。l 妻r e 。，口。c r ，。c ，一r j c ，e ，1 4 ( r 一。 + ，“b ，f 1 厂( r ) =( r ) j ( r o ( ，) 弦7 4 “一。o ”+ 7 “一1i l h z ij = r e p ( r ) 9 7 划】 所以接收信号的复包络，( f ) 可以表示为 i o ) = o ) + _ ：o ) = ( r ) j p 一( f ) ) p 一“ 式中，( f ) = q 0 一出d 。， ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) 由式( 2 9 ) 可以看出，当载频z = 吐2 石非常大时，即路径延迟l 变化非 常小时，由于q 0 的原因，也会引起相位虬在0 2 r e 中由大的变化。在任何 时刻，随机相位虬可以使式( 2 8 ) 中的第n 个多径分量对 f ) 呈现建设性或 旨破坏性的影响，产生多径衰落现象。同样的原因，。对相位的影响也 m i m o 无线信道的建模与硬件实现第二章移动无线信道的特性与建模 没有忽略。 等式( 2 8 ) 和它对应的静态表达式( 2 4 ) 是对具有离散散射体信道的基本描 述。 2 3 2 移动多径信道的参数 由于移动通信信道的多径，移动台的运动和不同的散射环境，使得移动 信道在时间上、频率上和角度上造成了色散，如图2 2 所示。这里，功率延 迟分布( p d p ) 用于描述信道在时间上的色散：多普勒功率谱密度( d p s d ) 用于描述信道在频率上的色散：角度功率谱( p a s ) 用于描述信道在角度上 的色散。因此信号经过信道后分别形成频率选择性衰落、时间选择性衰落和 空间选择性衰落，也分别产生了时延扩展、多普勒扩展和角度扩展，这3 种 扩展分别对应3 组相关参数一相关带宽、相关时间和相关距离。 这3 组扩展特性和相关特性同时存在，且互不排斥，都可用包络相关函 数来确定。包络相关函数定义为 p ( ，出，a r ) =( 2 1o ) 式中，( ) 表示取集平均；r l 表示在频率石、时l a q t , 、空闻位置互处的接收信 号的包络：表示在频率左、时间f ：、空间位置毛处的接收信号的包络： v = - l l ；a t = k f 2 i ：a z = i 弓- z z l 。一般情况下，时延扩展为0 5 2 0 m s ， 多普勒扩展为5 1 0 0 h z ，角度扩展为o 3 6 0 。下面将分别讨论这三种特性。 苗 亭 3 e 印- i ts e c s a n 口i e - d e g 嘴s a ) p d pb ) p a sc ) d p s d 图2 2 移动信道在时间上、角度上和频率上色散示意图 1 4 m i m o 无线信道的建模与硬件实现第二章移动无线信道的特性与建模 2 3 2 1 频率色散参数 相关时间和多普勒扩展是描述信道时间特性方面的重要参数。相关时间 和信道估计、纠错和交织方案设计等有关。相关时间是信道特性没有显著变 化的那段持续时间。信道的时间变化在频域中表示为多普勒扩展。 liii !f ：ji i !l !； ! l l ij；i；i ! ! !i l；ij；i： !l! i! i 史 i 、：i ；：； !、i! ：；llii 一一r ；i a ) 多普勒扩展b ) 多普勒功率谱 图2 _ 3多普勒扩展与多普勒功率谱密度( d p s d ) 用来描述多普勒扩展的参数有平均多普勒频移b 和多普勒扩展，它们 都与多普勒功率谱密度( d p s d ) 有关。因为不同的入射角产生不同的多普 勒频移，因此所有的散射( 反射) 分量的叠加就形成了连续的多普勒功率谱 密度s ( f ) ，如图2 3 。 平均多普勒频移b 是多普勒功率谱密度s ( f ) 的一阶中心距( 均值) ，即 否：_ - f - 一s ( f ) d f ( 2 1 1 ) 广s ( f ) d f 、 多普勒扩展是多普勒功率谱密度s ( 力的二阶中心矩的平方根( 标准 毛= f ( 一百) 2 s ( 厂) 矽 酉而_ ( 2 1 2 ) 多普勒扩展b o 是谱展宽的一个测量值，它是移动无线信道的时间变化率 m i m o 无线信道的建模与硬件实现第二章移动无线信道的特性与建模 一种度量。如果基带信号带宽e 远大于，则在接收机端可忽略多普勒扩 展的影响。 相关时间是信道冲激响应保证一定相关度的时间间隔。在相关时间内， 信号经历的衰落具有很大的相关性：也就是说，如果基带信号的带宽倒数大 于信道相关时间，那么传输中基带信号受到的衰落就会发生变化，导致接收 机解码失真。 将相关时间定义为信号包络相关度为0 5 时，即p ( o ，正o ) = 0 5 时，可得 到相关时间为 o t “1 6 二z r f 一 ( 2 1 3 ) 式中，厶是最大多普勒频移。 2 3 2 2 时间色散参数 相关时间和多普勒扩展有关，而相关带宽是基于信道的延迟扩展。延迟 扩展即信号的时间色散，它和频率选择性都是由于不同时延的多径信号叠加 所产生的效果，依赖于发射机、接收机和周围的物理环境之问的几何关系。 这两种效应是同时出现的，只是表现形式不同，时间色散体现在时域，频率 选择性体现在频域。时间色散就是把发送端的一个信号沿时间轴展开，使接 收信号的持续时间比这个信号发送时间的持续时间长。而频率选择性是指对 发送的信号进行滤波，对信号中的不同频率的分量衰落幅度不一样；在频率 上很接近的分量它们的衰落也很接近，而在频率相隔很远的分量，它们的 衰落相差很大。 在多径传播条件下，接收信号会产生时延扩展。当发送端发送一个极窄 的脉冲信号时，由于存在多条不