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北京邮电大学硕上学位论文l t e 中m i m o 信道建模 l t e 中m i m o 信道建模 摘要 目前对b 3 g 的研究是移动通信领域研究的热点之一，为了提供 更高的传输速率，各个研究机构不约而同的把m i m o ( 多输入多输出) 技术作为其核心技术。从目前技术发展来看，m i m o 是增加无线通信 系统频谱效率非常有效的一种方法。m i m o 充分开发了空间资源，利 用多个天线实现多发多收，在有限的频谱资源上可以实现高速率和大 容量，从而可以取得极高的频谱效率。在当前研究的下一代无线通信 系统中，m i m o 是不可缺少的关键技术。m i m o 通信技术的的研究 都是建立在信道模型之上的，因此，一个与实际传输环境相符合的无 线m i m o 信道仿真模型是必需的。 本文研究了两种m i m o 信道建模方法一基于相关性的m i m o 信道模型和基于射线的m i m o 信道模型。在第一种信道模型的研究 中，首先给出了对信道进行建模的步骤；然后给出了产生多路瑞利衰 落信道的流程和天线之间相关矩阵的生成流程；最后得到了不同参数 下信道的空间相关性和不同相关性下的信道容量的仿真结果。在第二 种信道模型的研究中，首先给出了对信道模型进行仿真的步骤；然后 讨论了确定信道参数的流程以及计算信道系数的公式；此外，文中还 介绍了该模型的扩展模型，阐述了其扩展特性；最后得到了一些信道 参数和信道特性的仿真结果。 此外，本文还将基于相关性的m i m o 信道模型应用于l t e ( 长期 演进1 链路级仿真中，得到了一些误帧率和吞吐量曲线，并加以分析。 从结果中可以看出，径数、移动台的移动速度、相关性和天线数目等 参数都会对系统性能有不同程度的影响。 关键词：l t em i m o 相关性s c m 信道模型 北京邮电人学硕l 学位论文l t e 中m i m o 信道建模 m i m oc h a n n e lm o d e u n gi nt h ei t e a b s t r a c t a tp r e s e n t ，t h er e s e a r c ho fb 3 gm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mi so n eo f h o t s p o t si nt h ef i e l do fc o m m u n i c a i o n i no r d e rt op r o v i d eh i g h e rd a t ar a t e s ，v a r i o u s r e s e a r c hi n s t i t u t e sc o n c i d e rm i m ot e c h n o l o g ya sac o r et e c h n o l o g y f r o mt h ec u r r e n t t e c h n o l o g yd e v e l o p m e n t ，m i m ow i r e l e s s c o m m u n i c a t i o ns y s t e mi sa ne f f e c t i v e m e t h o dt oi n c r e a s et h es p e c t r u me f f i c i e n c y m i m oi sf u l l yd e v e l o pt h es p a c er e s o u c e s ， i ti sl i k e l yt og e th i g hs p e e da n dl a r e g ec a p a c i t yi nt h el i m i t e ds p e c t r u mb yt h eu s eo f m u l t i p l ea n t e n n a sw h i c hc a no b t a i nh i g hs p e c t r u me f f i c i e n c y i nt h ec u r r e n ts t u d yo f n e x t g e n e r a i o nw i r e l e s sc o m m u n n i c a i o ns y s t e m s ，m i m o i s i n d i s p e n s a b l ek e y t e c h n o l o g y t h er e s e a r c ho fm i m ot e c h n o l o g y i sb a s e do nt h ec h a n n e lm o d e l ， t h e r e f o r e ，a nm i m oc h a n n e ls i m u l a t i o nm o d e li n l i n ew i t ht h ea c t u a le n v i r o m e n ti s e s s e n t i a l i nt h i s p a p e r , t h e r ea r e t w om i m oc h a n n e l m o d e l i n gm e t h o d o n ei s c o r r e l a t i o n b a s e dm i m oc h a n n e lm o d e l f i r s t ，t h es i m u l a t i o ns t e p so ft h i sm o d e la r e g i v e n t h e n ，t h i sd i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e st h ef l o w so ft h eg e n e r a t i o no fr a y l e i g h f a d i n gc h a n n e l sa n dt h ea n t e n n ac o r r e l a t i o nm a t r i x a tl a s tt h es i m u l a t i o nr e s u l to f c h a n n e ls p a c ec h a r a c t e r i s t i c sa n dc h a n n e lc a p a c i t ya r ed i s c u s s e d a n o t h e ro n ei s r a y b a s e dm i m oc h a n n e lm o d e l f i r s t ，t h es i m u l a t i o ns t e p so ft h i sm o d e la r eg i v e n t h e n ，t h ef l o w so ft h ed e t e r m i n a t i o no fc h a n n e lp a r a m e t e r sa n dt h ef o r m u l at o c a l c u l a t et h ec h a n n e lc o e f f i c i e n t sa r ed i s c u s s e d ；i na d d i t i o n ，t h ep a p e ra l s oi n t r o d u c e d t h ee x p a n s i o nm o d e f i n a l l ys o m es i m u l a t i o nr e s u l t sa r ea n a l y s e d b e s i d e s ，t h ec o r r e l a i o n b a s e dm o d e li su s e di nt h el t el i n kl e v e ls i m u l a i o n s o m eb l e ra n dt h r o u g h p u tc u r v e sa r ea n a l y s i s e di nt h i sa r t i c l e t h er e s u l t ss h o w s t h a tt h en u m b l eo fp a t h s ，t h es p e e do fm s ，c o r r e l a i o na n dt h en u m b l eo fa n t e n n a sw i l l a f f e c tt h ep e r f o r m a n c eo ft h es y s t e m k e yw o r d s ：mm i m oc o r r e l a i o ns c mc h a n n e lm o d e l 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈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。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均己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， 本人签名： 套毛 本人承担一切相关责任。 日期：垄1 2 ：! ：f 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工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，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一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名：筌毛日期：丛盟：2 ：! 至 导师签名： 。盈冤叠 日期： 翌翌：三：! ! 北京邮电人学硕l 学位论文l t e 中m i m o 信道建模 1 1 历史与背景 第一章绪论 现代社会已步入信息社会，人们对通信的需求日益迫切，实现在任何时候、 任何地方、与任何人都能及时沟通联系与交流信息已成为必然的要求。移动通信 具有终端的可移动性的特点，因此它理所当然的成为实现这一目标的最佳选择。 移动通信已成为通信领域中最具有活力、最具有发展前途的一种通信方式。近年 来，移动通信，确切的说蜂窝式移动通信，得到了迅猛的发展。 第一代移动通信系统( 1 g ) 以模拟式蜂窝网为主要特征，是2 0 世纪7 0 年代 末8 0 年代初开始商用化的。它采用频分多址( f d m a ) 方式实现对用户的动态寻址 功能，并以蜂窝式网络结构和频率规划实现载频再用方式，达到扩大覆盖服务范 围和满足用户数量增长的需求。它存在着频带利用率低、保密性差、移动终端体 积大的缺点。 第二代移动通信系统( 2 g ) 以数字化为主要特征，于2 0 世纪9 0 年代初走向商 用。它在空中接口环节采用了信源压缩编码、信道编码、数字加密、数字调制等 数字信号处理技术，在多址接入方式上也采用了更加灵活高效的时分多址 ( t d m a ) 和码分多址( c d m a ) ，有效的提高了小区容量。 第三代移动通信系统( 3 g ) 以多媒体业务为主要特征，它于本世纪初刚刚投入 商业化运营。上世纪末国际电联o t t o 确定了欧洲w c d m a 、北美的c d m a 2 0 0 0 及我国提出的t d s c d m a 标准作为第三代移动通信的国际标准。3 g 系统相比 2 g 系统，引入了业务的动态性，即用户业务既可以是单一的语音、数据、图像， 也可以是多媒体业务，且用户选择业务是随机。此外，3 g 系统拥有更高的传输 速率、安全性、频谱利用率和系统容量。 3 g 技术的出现给移动通信带来了巨大的影响，给人们的生活带来了前所未 有的体验，它使上网冲浪、联网游戏、远程办公等摆脱了场地和环境的束缚，实 现了真正的无所不在。但是人们的需求并没有就此停滞，大量的市场调研和专家 研究表明，2 m b i v s 的w c d m ar 9 9 的传输速率、1 4 4 m b i t sr 5h s d p a 的峰值 速率已远远不能满足人们未来的需求。国际化标准组织3 g p p 在2 0 0 4 年底启动 了其长期演进3 gl t e ( l o n gt e r me v o l u t i o n ) 计划。 北京邮电人学硕士学位论文l t e 中m i m o 信道建模 1 23 g p pl t e 概述 1 2 1 l t e 的演进目标 3 g p p 对l t e 项目的工作大体分为两个时间段：2 0 0 5 年3 月到2 0 0 6 年6 月 为s l ( s t u d yi t e m ) 阶段，完成可行性研究报告；2 0 0 6 年6 月到2 0 0 7 年6 月为 w l ( w o r ki t e m ) 阶段，完成核心技术的规范工作。 为了在未来移动通信技术竞争激烈的环境中处于有利位置，l t e 项目开始以 后，作为技术研究工作的基础，3 g p p 对演进型系统的市场需求进行了详细的讨 论，从“系统性能需求 、“网络的部署场景 、“网络构架”、“业务支持能力以 及“与现有各个系统的演进和互通关系 等方面进行了详细的描述。l t e 是一个 高数据率、低时延和基于全分组的移动通信系统，其具体目标包括【1 l 【2 j ： ( 1 ) 实现灵活的频谱带宽配置，支持1 2 5 m h z ，1 6 m h z ，2 5 m h z ，5 m h z ， 1 0 m h z ，1 5 m h z ，2 0 m h z 的带宽设置，从技术上保证了l t e 系统可以使用第三 代移动通信系统的频谱设置： ( 2 ) 提高小区边缘传输速率，改善用户在小区边缘的体验，增强l t e 系统的 覆盖性能，主要通过频分多址和小区间干扰抑制技术实现： ( 3 ) 在数据速率和频谱利用率方面，实现下行峰值速率1 0 0 m b s ，上行峰值 速率5 0 m b s ：频谱利用率为h s p a 的2 - 一4 倍，用户平均吞吐量为h s p a 的2 - - 4 倍。为保证3 g p pl t e 系统在频谱利用率方面的技术优势，主要通过多天线技术、 自适应调制与编码和基于信道质量的频率选择性调度实现； ( 4 ) 提供低时延，使用户平面内部单向传输时延低于5 m s ，控制平面从睡眠状 态到激活状态的迁移时间低于5 0 m s ，从驻留状态到激活状态的迁移时间小于 l o o m s ，以增强对实时业务的支持； ( 5 ) 进一步增强对多媒体广播和多媒体业务的支持，满足广播业务、多播业 务和单播业务融合的需求，主要通过物理层帧结构、层2 的信道结构和高层的无 线资源管理实现； ( 6 ) 取消电路交换，采用全分组的包交换，从而提高系统频谱利用率。但是 对i p 语音业务的支持与低时延目标的实现导致了调度和层1 、层2 间信令设计 上的困难： 实现与第三代移动通信系统和其它通信系统的共存。 2 北京邮电大学硕士学位论文l t e 中m i m o 信道建模 1 2 2l t e 关键技术1 3 1 o f d m ( o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，正交频分复用) 技术是 l t e 系统的技术基础与主要特点。o f d m 采用一组正交子载波多路并行传输业 务数据，因而，系统的总吞吐率是所有并行子通道数据吞吐率之和。这样，高速 率的数据信道就转换为并行的低速率子数据流，信道均衡变得相对容易。此外， 由于每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道可看作平坦 衰落信道，从而消除了符号间干扰。o f d m 的基本工作原理是：假设输入数据 的速率为r ，经过串并变换后，分成m 个并行的子数据流，每个子数据流的速 率为r m ；把每个子数据流中的若干个比特分成一组，每组的数目取决与对应子 载波上的调制方式。m 个并行的子数据流编码交织后进行i f f f ( i n v e r s e f a s t f o u r i e rt r a n s f o r m ，快速傅立叶反变换) ，将频域信号转换到时域，i f f r 块的输出 是n 个时域的样点，再将c p ( c y c l i cp r e f i x ，循环前缀) 加到n 个样点前，形成循 环扩展的o f d m 新元。接收端接收到的信号是时域信号，此信号经过串并转换 后移去c p ，然后进行f f r ，( f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m ，快速傅里叶变换) 。从以上的 工作原理可以看出，o f d m 系统参数设定对整个系统的性能会产生决定性的影 响。载波间隔是o f d m 中最基本的参数，经过理论分析与仿真比较最终确定为 1 5k h z ：循环前缀的长度决定了o f d m 系统抗多径干扰的能力和覆盖范围。l t e 系统还定义了两种c p 方案，根据具体场景进行选择，短c p 方案为基本选项， 长c p 方案用与支持l t e 大范围小区覆盖和小区广播业务。3 g p p 组织就l t e 系 统物理下行传输方案很快达成一致，采用先进成熟的o f d m a 技术，但上行传 输方案却争论不断。考虑到o f d m 较高的峰均比会增加终端的的功放成本和功 率消耗，限制终端的使用时间，最后上行方案采用了采用峰均比较低的单载波方 案s c f d m a 。这两种技术都能较好地支持频率选择性调度。 m i m o 技术则是l t e 中另外一个核心技术，它是提高传输速率的最主要的 手段。由于其是本文建模的基础知识，将在下一节中详细介绍。 在调制编码方面，l t e 增加了自适应调制和编码o 蝴c ) ，即根据当前的信道 的实际情况来自适应地调整调制模式和编码速率，从而实现信道容量的最大化。 a m c 可以使系统的传输效率得到极大的提高，其基本原理是在接收端对数据传 输的无线信道进行信道估计，并反馈给发射机，这样发送端的传输方式就可以根 据信道的特性来确定。在没有a m c 的系统中，为了保证接收端的服务质量，其 固定的调制编码方式是根据最差的信道质量来确定的，这样在信道质量好的时 候，就极大地浪费了频谱资源，降低了系统效率。a m c 技术利用信道的特性， 在保证服务质量的前提下，自适应地改变传输的方式，例如在信道质量好的时候， 3 北京邮电大学硕士学位论文l t e 中m i m o 信道建模 发送高调制高码率的数据流，而在信道质量差的时候发送低调制低码率的数据 流，甚至不发送任何数据流，来降低总的发射功率，并提高系统的平均吞吐量。 为了克服无线移动通信系统时变和多径衰落对信号传输的影响，l t e 系统采 用了混合自动请求重传( h a r q ) 技术。h a r q 是将前向纠错和自动请求重传两种 差错控制方法结合而产生的。前向纠错产生的时延较小，但存在的编码冗余却降 低了系统吞吐量；自动请求重传在误码率不大的时候可以得到理想的吞吐量，但 产生的时延较大，不宜提供实时服务。而地咏q 可以克服两者的缺点。3 g p pl t e 中采用两级的自动请求重传协议位于r l c 子层的a r q 协议和位于m a c 子 层的r a r q 协议。而随着3 g p pl t e 中系统网络结构的优化，a r q 和h a r q 之 间的信息交互、跨层优化成为可能，并在l t e 中备受关注。 3 g p pl t e 接入网在能够有效支持新的物理层传输技术的同时，还需要满足 低时延、低复杂度、低成本的要求。原有网络结构显然已经无法满足要求，需要 进行调整与演进。在2 0 0 6 年3 月的全会上，3 g p p 确定了e u t r a n ( e v o l v e d u n i v e r s a lt e r r e s t r i a lr a d i o a c c e s s ，演进通用陆地无线接入) 的结构，接入网主要由 演进型e n o d e b ( e n b ) 和接入网关( a o w ) 构成。e n b 是的主要功能是在附着状态选 择a g w ：寻呼信息和广播信息的发送；无线资源的动态分配，包括多小区无线 资源管理；设置和提供e n b 的测量；无线承载的控制；无线接纳控制；在激活 状态的连接移动性控制。a g w 可以看作是一个边界节点，作为核心网的一部分。 除上述技术外，l t e 在同步、小区间干扰抑制、切换、小区搜索和空中接 入等技术上也都各有特点。 1 3m i m o 技术 在当今的信息社会中，人们对信息需求的急剧增长，要求无线通信系统必须 能够提供更高的传输速率和更好的传输性能。由于无线频谱资源的匮乏，要达到 这些要求，就需要通信系统必须有更好的频谱效率。从目前技术发展来看，m i m o 是增加无线通信系统频谱效率非常有效的一种方法。m i m o 充分开发了空间资 源，利用多个天线实现多发多收，在有限的频谱资源上可以实现高速率和大容量， 从而可以取得极高的频谱效率。在当前研究的下一代无线通信系统中，m i m o 是 不可缺少的关键技术。 m i m o ( m u l t i p l e i n m u l t i p l e o u t ) ，即多输入多输出无线传输技术，最早是由 m a r c o n i 于1 9 0 8 年提出来用于对抗多径衰落。但直到上世纪9 0 年代，信息论的 一些新的研究成果的公布才使m i m o 技术得到了广泛的关注。1 9 9 5 年，b e l l 实 验室的f o s c h i n i 和t e l a t a r 分别提出了多天线信道容量理论，理论表明，在天线 4 北京邮电大学硕：上学位论文 l t e 中m i m o 信道建模 链路的衰落互相独立的条件下，m i m o 系统的信道容量会随着收发天线的增长而 线性增长【4 1 。这一理论突破了传统单天线的s h a n n o n 信道容量极限，展示了m i m o 系统所具有的巨大的理论信道容量。例如，当发送天线和接收天线数目都为8 根，且平均信噪比为2 0 d b 时，信道容量可以高达4 2 b i t s h z ，这是单天线系统所 能达到容量的4 0 多倍。此后，空时编码的提出为m i m o 实用化迈出了重要的一 步。现有的实验系统已经证明，使用空时编码的m i m o 系统能够获得数倍于现 有系统的无线信道容量。 1 3 1m i m o 系统工作原理 m i m o 系统不同于现有的单天线系统和智能天线系统，其在通信的发送端和 接收端均使用多根天线。m i m o 系统的基本原理是采用空时编码方式将用户的串 行码流通过编码、调制、加权和映射等方式分成多路并行的数据子流，并分别由 多个天线同时、同频发送，接收端用多个天线进行接收，并利用估计出的信道传 输特性与发送子码流间一定的编码关系对多路信号进行空间域和时间域上的处 理，从而分离出发送子码流，得到发送的原信号。m i m o 技术本质上是利用多天 线同时发送和接收而形成的多个并行的独立数据子流来提高系统的信道容量和 抗衰落能力。因此，数据子流的独立性和数据在各天线间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，由天线链路问的衰落相关性决定，因此在 m i m o 系统中，天线链路间的衰落相关性成为影响m i m o 系统的性能的关键因 素之一。 1 3 2m i m o 空时编码技术 空时编码是m i m o 技术中的基本问题。信息论的研究证明了m i m o 系统具 有巨大的理论信道容量。但是具体如何实现这一巨大的信道容量呢? 研究表明， 只有使用空时编码方式对传输信号进行编码，然后通过多天线发送和接收，才能 有效提高系统的信道容量。目前最具代表性的空时编码有空时块码( s p a c et i m e b l o c kc o d e ，简称s t e c ) 、分层空时码( l a y e rs p a c e t i m ec o d e s ，简称l s t ) 和空时 格码( s p a c et i m et r e l l i sc o d e ，简称s t t c ) 。 空时块码最先是又a l a m o u t i 引入的【5 ，采用了简单的两天线发分集编码方 式。其实质上是将同一信息经过正交编码从两根天线上发射出去，两路信号因此 具有正交性，在接收端就能够将两路独立的信号区别出来。这种s t b c 编码的最 大的优势在于，采用简单的最大似然译码准则，可以获得完全的天线增益。t a r o k h 进一步将两天线s t b c 推广到多天线的形式1 6 l ，提出了通用的正交设计准则。这 5 北京邮电大学硕士学位论文l t e 中m i m o 信道建模 些s t b c 码可以获得完全的分集增益，并且只需要利用线性信号处理进行简单的 最大似然译码。 分层空时码最早是由贝尔实验室的f o s c h i n i 等人提出的【4 1 。他们最初提出的 对角化分层空时码可以达到m i m o 信道容量的下界。其基本原理是将输入的信 息比特流分解成多个比特流，独立进行编码、调制，映射到多条发射天线上，这 些码元共享载频或相同的扩频码，在接收端采用特殊的处理技术，将信号分离， 然后送到相应的解码器 7 1 。l s t 最大的优点在于允许采用一维的处理方法对多维 空间信号进行处理，因此极大地降低了译码复杂度。目前，围绕将分层空时码与 其它技术相结合的研究非常多，如果将分层空时码与正交频分复用( o f d m ) 等技 术相结合，能够更好的对抗衰落及实现高速数据传输。 空时块码能够获得分集增益，但不能提供编码增益。分层空时码能够提高频 谱效率，但它一般不能获得完全的分集增益。t a r o k h 、s e s h a d d 和c a l d e r b a n “8 】 首次提出将信道编码、调制及收发分集联合优化的思想，构造了空时格玛。s t r c 既可以获得完全的分集增益，又能获得非常大的编码增益，同时还能提高系统的 频谱效率。空时格码利用某种网格图，将同一信息通过两根天线发射出去，在接 收端采用基于欧式距离的v i t e r b i 译码器译码。因此s t r c 的译码复杂度非常高， 而且译码复杂度将随着传输速率的提高而成指数增加。 1 4m i m o 信道建模 1 4 1m i m o 信道建模的意义 无线信道是移动通信的传输媒体，是传输信息的通道。信道性能的好坏直接 决定着传输的速率和通信的质量，因此要想在比较有限的频谱资源上尽可能的高 质量、大容量传输有用的信息就要求必须十分清楚地了解信道的特性。然后再根 据信道的特性采取一系列的抗干扰和抗衰落措施，来保证传输质量和传输的容量 方面的要求。由于无线信道具有时变性和随机性，而且还受多种因素的综合影响， 除了必要的实测之外，建立信道模型来模拟实际信道的特性是最主要的手段。 对于m i m o 系统，其收发端均采用了多天线技术，这样m i m o 信道就是由 多个天线链路形成的子信道构成。因此，m i m o 信道相比于其它无线信道更加复 杂多变。同时，根据多天线信道容量理论，天线链路之间的相关性对m i m o 信 道容量有关键的影响。因此，原有的单天线模型不能应用于m i m o 系统，需要 建立新的m i m o 信道模型。此外，由于m i m o 通信技术的其它方面的研究都是 建立在信道模型基础之上的，因此，一个与实际传输环境相符合的无线m i m o 6 北京邮电大学硕士学位论文 l t e 中m i m o 信道建模 信道仿真模型是必需的。 1 4 2m i m o 信道模型的分类 m i m o 信道模型按照不同的标准可以有不同的分类方法。比如按照环境的不 同可以分为室内模型和室外模型；按照覆盖范围的大小可以分为微小区信道模型 和宏小区信道模型；按照建模的方法可以分为确定性模型和随机模型：而按照模 型的性质可以分为物理性信道模型和非物理性信道模型。下面简要介绍下物理性 模型和非物理性模型【纠。 物理性模型是基于对真实环境中散射体和天线分布的几何假设，采用叠加电 磁波( 射线) 的方法得到信道冲激响应的表达式。这类模型一般用于侧重分析物理 环境时使用。其优点是精确的描述了电磁波的传播过程，能够很容易观察到物理 因素对系统性能的影响，便于分析信道特性的物理本质。缺点是要通过大量的计 算得到信道矩阵，生成复杂性比较高。o n e f i n g b w o r i n gm o d e l ，3 g p ps c m 模型等 都属于物理性模型。 非物理性模型是通过统计分析实测数据得到信道在某一特定环境下的统计 特性，然后直接通过相关矩阵和相互独立同分布的高斯信道矩阵相乘得到实际的 信道矩阵。这类模型主要用于在某一特定环境下对其它技术的性能分析，如编解 码，信号检测技术等。非物理性模型的生成过程较为简单，但是不能直观体现信 道的传输特性。这类类模型的主要代表有欧盟的i s tm e t r a ( m u l t ie l e m e n t t a n s m i tr e c e i v ea n t e n n a s ) p r o j e c t 和i s ts a t u r np r o j e c 中的信道模型等。 本文主要介绍i s tm e t r ap r o j e c t 中基于相关性的信道模型和3 g p p 提出的 基于射线的s c m s c m e 模型。其中前者主要用于链路级仿真，后者主要用于 系统级仿真。 1 5 本文主要工作和内容 由上文的介绍可以知道，对m i m o 信道建模方法的研究是探索m i m o 无线 信道传输理论和关键技术的根本出发点。通过对m i m o 信道的仿真建模，可为 研究基于m i m o 的各种关键技术提供链路级和系统级仿真平台。本文围绕信道 建模开展了一系列的工作： ( 1 _ ) 介绍了种改进的c l a r k e 模型，并仿真得到其统计特性，从而验证了 其可以用来生成多路独立瑞利衰落信道。 ( 2 ) 研究了基于相关性的m i m o 信道模型。首先给出了信道模型的仿真流程 图，然后分析了流程中最重要的瑞利衰落信道模块和相关系数生成模块。为了验 7 北京邮电大学硕士学位论文l t e 中m i m o 信道建模 证信道模型以及说明信道模型的特点，根据流程图对模型进行了仿真，给出了不 同参数下信道空间相关性的仿真结果以及不同相关性下信道容量的仿真结果。 ( 3 ) 研究了基于射线的m i m o 信道模型( s c v 0 。其仿真流程主要包括选择仿 真环境、生成信道参数和计算信道系数三个步骤。给出了生成信道参数的流程图 和计算信道系数的公式，并分析了宏小区和微小区在信道参数生成过程上的区 别。另外，介绍了扩展模型s c m e 对s c m 模型的改进。最后，得到了角度扩展、 延迟扩展、频率相关性和信道容量等仿真结果。 ( 4 ) 将基于相关性的m i m o 信道模型应用于l t e 系统链路级仿真。通过误帧 率和吞吐量研究不同的m i m o 信道参数如径数、m s 移动速度，相关性、和天线 个数对整个系统性能的影响。 8 北京邮电大学硕上学位论文l t e 中m i m o 信道建模 第二章无线传播与移动信道 无线通信系统的性能主要受到移动无线信道的制约。发射机与接收机之间的 传播路径是非常复杂的，有可能是无阻挡的视距传播，也可能遭遇各种复杂的地 形物，如建筑物，山脉，植物等。无线信道也不像有线信道那样固定并可预见， 而是具有很高的随机性，信号电平的衰落受到很多因素的影响。正是由于无线信 道的这些特性，无线信道的建模历来是无线系统设计中的难点。因此了解无线信 道的特性是进行无线信道建模的基础。 2 1 无线信道中的电磁波传播 无线电波从发射天线到接收天线的传播方式有很多种，包括直达波( 即自由 空间波) 、地波( 即表面波) 、对流层反射波、电离层波等。这些传播方式总体上 可以归结为是由直射、绕射、反射和散射等传播机制形成的。大多数蜂窝无线系 统都是应用于城区，发射机和接收机之间无直接视距( l o s ) 路径，而且高层建 筑引起了严重的绕射损耗。此外，由于不同物体的多路径反射，经过不同长度路 径的电磁波相互作用引起了多径衰落。同时，随着发射机和接收机之间距离的不 断增加，导致了电磁波强度的衰减。 2 1 1自由空间传播 自由空间是指一种理想、均匀、各向同性的介质空间，当电磁波在该介质中 传播时，不发生反射、折射、散射和吸收的现象，只存在电磁波能量扩散而引起 的传播损耗。当发射机和接收机之间存在完全无阻挡的视距路径时，发生自由空 间传播。卫星通信系统和微波视距无线链路是典型的自由空间传播。在自由空间 中，若发射点处以球面波辐射，则接收处的功率为： e 一掰 蛔) 式中为发射点处的发射功率；g f 、g ，分别为发射天线和接收天线增益；a 为 波长：d 为发射天线和接收天线间的距离；l 是与传播无关的系统损耗因子。由 式( 2 1 ) 中可以看出，发射天线与接收天线问的距离的增加会直接导致自由空间传 输损耗的增加。 9 北京邮电大学硕上学位论文 l t e 中m i m o 信道建模 2 1 2 反射 当电磁波遇到比其波长大得多的物体时，发生发射。反射通常发生在地球表 面、建筑物和墙壁表面。当电磁波入射到两个具有不同介电常数的介质的交界处 时，一部分通过，另一不部分则被反射。但是电磁波不能穿透理想导体，因此， 在理想导体表面将发生能量的全反射。 2 1 3 绕射 当接收机和发射机之间的无线路径被尖锐的边缘阻挡时将会发生绕射。绕射 使得无线电波能够穿过障碍物，在障碍物的后方形成场强，即绕射场强。绕射现 象可由h u y g e n 原理【1 0 l 解释，它说明波前上的所有点都可以作为产生次级波点源， 这些次级波组合起来形成传播方向上新的波前。绕射由次级波的传播进入阴影区 形成。 2 1 4 散射 当波穿行的介质中存在小于波长的物体并且单位体积内阻挡体的个数非常 多时，将发生散射。散射波产生于粗糙表面、小物体或其他不规则物体。在实际 的通信系统中，树叶、街道标志和灯柱等会引起散射。在实际的无线系统中，接 收信号比单独绕射和发射模型预测的要强。这是因为当电磁波在粗糙表面发生反 射时，发射能量由于散射而散布于所有方向，从而增加了接收信号的能量。 2 2 移动信道的特点 2 2 1 多径效应 在移动通信中，由于接收者所处地理环境的复杂性，使得接收到的信号不仅 有直射波的主径信号，还有从不同建筑物反射及绕射过来的多条不同路径的信 号，而且它们的到达时间和相位都不相同。不同相位的多个信号在接收端叠加， 有时同相叠加而加强，有时反相叠加而减弱，这样，接收信号的幅度将急剧变化， 即产生衰落。这种衰落由于是由多径引起的，所以称为多径衰落。这类多径衰落 是非常复杂的，有时根本收不到主径直射波，收到的是一些连续反射波。移动信 道的多径衰落，可以从空间和时间两个方面来描述。从空间角度来看，沿移动台 移动方向，接收信号的幅度随着距离的变动而衰减；从时间角度来看，各个路径 1 0 北京邮电大学硕士学位论文 l t e 中m i m o 信道建模 的长度不同，因而到达的时间也就不同，从而使得接收信号中包含了其它的时延 信号。 2 2 2 时延扩展 由于各路径长度不同使得信号到达时间不同，则接收信号中不仅含有该信 号，还包含有它的各个时延信号。这种由于多径效应使接收信号脉冲宽度扩展的 现象，称为时延扩展，它可用第一个码元信号至最后一个多径信号之间的时间来 测量。对于数字信号传输多径时延的极限是一个数字信号周期，否则，波形展宽 将会造成数字信号的码间干扰。为了避免码间串扰，应使码元周期大于多径引起 的时延扩展。 时延扩展是由反射及散射传播路径引起的现象，而相干带宽则是从时延扩展 得出的一个确定关系值。相干带宽是指一特定频率范围，在该范围内，两个频率 分量有很强的幅度相关性。反之，当两个频率分量的频率间隔大于相关带宽时， 它们的相关性很小。如果相干带宽定义为频率相关函数大于0 9 的某特定带宽， 则相干带宽近似为： e 。击 式( 2 - 2 ) 如果将定义放宽至相关函数值大于0 5 ，则相干带宽近似为： 皿一式( 2 - 3 ) 3 0 t 上式中以代表时延扩展。 市区传播环境中，传统尺寸小区的时延扩展一般认为是2 u s ，则相干带宽大 约为8 0 k h z 。在实际环境中，由于信号包络的相关系数并不是随信号之间的频率 间隔单调递减的，有的时候随频率间隔的增加，包络的相关系数会出现震荡的情 况，在这种情况下，就把随频率间隔增加的包络相关系数第一次到达0 5 时的这 个频率间隔认为是相关带宽。 2 2 3 多普勒效应 当发射机与接收机之间产生相对运动时，接收信号的频率发生变化，这种现 象称之为多普勒效应。多普勒效应引频率变化的值称为多普勒频移，可用下式表 不。 北京邮电大学硕士学位论文l t e 中m i m o 信道建模 兀；c o s 口 式( 2 4 ) 式中， ，是移动台运动速度；a 是波长：口是入射波与移动台运动方向的夹 角。 相干时间是多普勒效应在时域的表示，它是信道冲激相应维持不变的时间间 隔的统计平均值。也就是说，相干时间就是指一段时间间隔，在此间隔内，两个 到达信号有很强的幅度相关性。如果基带信号带宽的倒数大于信道相干时间，那 么传输中基带信号可能会发生改变，导致接收机信号失真。相干时间定义为： 互。7 1 式( 2 5 ) 式中，厶为最大多普勒频移。若相干时间定义为时间相关函数大于0 5 的时 间段长度，则相干时间近似为： 瓦一丽9 式( 2 6 ) 2 2 4 角度扩展 角度扩展2 ( a z i m u t hs p r e a d ，a s ) 是用来描述空间选择性衰落的重要参数，是 由移动台或基站周围的本地散射体以及远端散射体引起的，它与角度功率谱( p a s ) 有关。p a s 是信号功率谱密度在角度上的分布，一般服从均匀分布、截短高斯分 布和截短拉普拉斯分布。角度扩展等于功率角度谱e ( o ) 的二阶中心矩的平方根， 即【1 1 l ： 一 2 f o ( 口一日) p ( o ) d o fp f q 、 a 式( 2 7 ) 式中 歹；f o 。o e ( o ) d o 式( 2 8 ) f op ( o ) d o 根据环境的不同，角度扩展在【0 。, 3 6 0 。】之间分布。角度扩展越大，表明散射 环境越强；相反，角度扩展越小，表明散射环境越弱。 角度扩展会引起空间选择性衰落，即信号的幅度于天线的空间位置相关。空 间选择性衰落通过相关距离来描述。相关距离是信道冲激相应保证一定相关度的 空间间隔。在相关距离内，信号经历的衰落具有很大的相关性。相关距离口与 1 2 北京邮电大学硕： ：学位论文 l t e 中m i m o 信道建模 角度扩展有反比关系，即4 越大，皿越小，不同天线接收到的信号之间的相关 性就越小；反之，么越小，d c 越大，天线之间的相关性就越大。 另外，相关距离除了与角度扩展有关之外，还与来波到达角有关。在角度扩 展相同的情况下，信号的到达角越大，天线之间的相关性越大；信号的到达角越 小，天线之间的相关性越小。 2 3 移动信道的衰落特性 在无线通信中，由于传播环境的复杂性，发射出去的信号会经历若干次的反 射、绕射和散射，以及受到多径效应、多普勒效应和阴影效应的影响，从而产生 各种衰落。通常，移动信道的传播可以分为大尺度( l a r g e s c a l e ) 衰落和小尺度 ( s m a l l s c a l e ) 衰落两种。一般而言，大尺度衰落表征了接收信号在一定时间内 的均值随传播距离的环境变化而呈现的缓慢变化，小尺度衰落表征接收信号短时 间内的快速波动。 2 3 1 大尺度衰落 大尺度衰落描述的是长距离( 几百米甚至更长) 内接收信号强度的缓慢变化， 一般来说，大尺度衰落与发射天线和接收天线之间的距离，发射天线和接收天线 的高度，载波频率以及环境特性参数有关。在给定了上述参数时，可以预测出电 波传播的路径损耗，建立传播预测模型。对于传播预测模型的研究，传统上集中 于给定范围内平均接收场强的预测和特定位置附近场强的变化。这些研究结果可 用于估计无线覆盖范围、指导无线通信系统的规划。 路径损耗与阴影效应应用于描述无线信道的大尺度衰落。基于理论和测试的 传播模型指出，无论室外或是室内信道，平均接收信号功率随着距离的增加而对 数衰减的这种模型已被广泛使用。对于任意t - r ( 发射天线到接收天线) 距离， 平均大尺度路径损耗可表示为： 一 ， p l ) 【扭】l i bp l ( d 。) 【妇】+ 1 0 nl o g ( ) 式( 2 9 ) 口o 其中d 。为近地参考距离，由测试决定；d 为t - r 距离。上划线表示给定值的 所有可能路径损耗的整体平均。式( 2 9 ) 的模型未考虑相同t - r 距离的环境下， 不同位置的周围环境差别非常大，导致的测试信号与式( 2 9 ) 预测的平均结果 有很大差异。测试表明，对任意的d 值，特定位置的路径损耗e l ( d ) 为随机正态 对数分布，即： 1 3 北京邮电大学硕上学位论文 l t e 中m i m o 信道建模 e l ( d ) a b ：瓦( d 。) 幽】+ 1 叻l o g ( 孚) 也 式( 2 1 0 ) d 0 其中艺为零均值的高斯分布随机变量，标准差为仃，单位为d b 。对数正态分布 描述了在传播路径上，具有相同距离时，不同的随机阴影效应。这种现象叫阴影 效应。 2 3 2 小尺度衰落 小尺度衰落是由于大量散射体的存在导致信号经过多条路径传播之后到达 接收端，由于每条路径的幅度、相位、时延都是随机变化的，因此它们在接收端 叠加的结果就是使接收信号强度在几十个波长的小范围内或者在短时间内快速 随机的变化，以致大尺度衰落的影响可以忽略不计。对小尺度衰落的研究有助于 我们选择相应的抗干