（通信与信息系统专业论文）80211n+mimo信道的研究与改进.pdf

摘要 无线局域网( w l a n ) 是计算机网络与无线通信技术相结合的产物。自1 9 9 7 年i e e e 8 0 2 1 1 无线局域网标准的制定以来，无线局域网技术发展迅速， i e e e 8 0 2 1 1 物理层标准已经过i e e e 8 0 2 1l b ，a 和g ，发展到了如今的 i e e e 8 0 2 1 i n 。i e e e 8 0 2 1 l n 是一项新的高速无线局域网标准，采用m i m o 与 o f d m 相结合，使传输速率成倍提高。在m i m o 系统中，当各个天线接收的信 号之间不相关时，能够很好地提高系统的抗衰落性能，可以随着天线数目的增加 而线性增大信道容量，可以极大地提高频谱利用率。然而在一些体积受限的应用 场合，由于天线间隔有限，各路接收信号之间必然存在相关性。研究表明：影响 各个天线接收信号之间相关性的主要因素包括天线间距离、到达角( a o a ) 、离开 角( a o d ) 、角度扩展( a s ) 、角度功率谱( p a s ) 等，此外，天线方向图也是至关重 要的一个因素。 本文以8 0 2 1i nt g nm i m o 信道模型为平台，但目前i e e e 提供的8 0 2 1 l n m i m o 信道模型只考虑了收发天线方向图为全向的情况，本文对8 0 2 1 l n 的 m i m o 信道模型及其仿真程序作了详细分析，在此基础上对信道模型作了改进， 将其扩展到适用于任何方向图的情况。仿真结果表明，天线方向图是影响天线空 间相关系数的一个重要冈素，并且当天线间距比较小的情况下，可以通过改变天 线配置降低天线间相关系数，此结论可用于研究天线的方向性对m i m o 系统性 能的影响，以及方向可重构天线在m i m o 系统中的应用。 关键词：无线局域网多输入多输出定向天线空间相关 a b s t r a c t t h ew l a ni st h er e s u l to ft h ec o m p u t e rn e ta n dt h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，s c o m b i n a t i o n i n19 9 7 ，t h es t a n d a r do fi e e e 8 0 2 1 1w a se s t a b l i s h e d 。a n df r o mt h e n t h e w l a nd e v e l o p s r a p i d l y , a n dt h ep h y s i c a ls t a n d a r da l s od e v e l o p e df r o m i e e e 8 0 2 1lb ，aa n d g ，t ot h ei e e e 8 0 2 1 1 n t h ei e e e 8 0 2 1ina i m sa th i g h e rd a t ar a t e s w h i c ha d o p t sm i m o o f d mw i t h d i f f e r e n ts p a c e t i m et e c h n o l o g y t h em i m oc a ng r e a t l y i m p r o v ec a p a c i t yo f r e s i s t i n gf a d i n ga n dn o i s e ，a n da c q u i r ev e r yl a r g ec a p a c i t yw h e nc o r r e l a t i o n c o e f f i c i e n tb e t w e e nd i f f e r e n ta n t e n n a si sz e r o b e c a u s eo fv e r yl i m i t e dd i g a n c e b e t w e e na n t e n n a s ，t h e r ee x i s t sc o r r e l a t i o nb e t w e e na n t e n n a s t h er e s u l to ft h e r e s e a r c hs h o w st h a tf a c t o r sw h i c hi n f l u e n c ec o r r e l a t i o nb e t w e e na n t e n n a si st h e s e p a r a t i o nb e t w e e ni s o t r o p i ca n t e n n a s ，a o a ，a o d ，a s ，p a s ，e t c a n df o rd i r e c t i v e a n t e n n a s ，t h ea n t e n n ap a t t e r ni sa l s oav e r yi m p o r t a n tf a c t o r t h i sp a p e ri sb a s e do nt h e8 0 2 11nt g nm l m oc h a n n e lm o d e l s b u ta tp r e s e n t , t h em i m oc h a n n e lp r o v i d e db yi e e e eo n l yc o n s i d e ri s o t r o p i ca n t e n n a sf o rb o t h t r a n s m i t t e r sa n dt h er e c e i v e r s i nt h i sp a p e r ，t h ea u t h o ra n a l y z et h en e x tg e n e r a t i o n w l a nm i m or a d i oc h a n n e lm o d e l sa n dm a k ei m p r o v e m e n t sw i t ht h em i m o c h a n n e lm o d e l s a n t e n n a sw i t ha n yd i r e c t i v ep a t t e ma r ea d d e dt ot h es y s t e m t h e r e s u l tp r o v e dt h a tw h e nt h el e n g t hb e t w e e nt h ea n t e n n a si ss h o r t , t h e nt h ed i r e c t i v e a n t e n n a sc a nb ea d d e dt ot h es y s t e mt or e d u c et h ec o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n t t h i si sa l s o c a nb eu s e dt ot h er e s e a r c ho ft h ei n f l u e n c eo nt h em i m o s y s t e ma n dt h ea p p l i c a t i o n o ft h ep a t t e r nr e c o n f i g u r a b l ea r r a ya n t e n n ai nt h em i m o s y s t e m k e yw o r d s ：w l a nm i m od i r e c t i v ea n t e n n a s s p a t i a lc o r r e l a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘堂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已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：昊逐泵 签字日期： 砷年罗月严日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解基鲞盘堂 有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨盗苤堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：羡秀聚 签字日期：伽7 年罗月手日 新虢气触 签字醐一7 年7 月牛日 第一章绪论 第一章绪论 人类社会已经进入信息时代。先进的通信技术是信息化的基础，当前各种无 线通信业务和宽带数据业务得到了空前的发展。但随之而来的问题是，无线资源， 尤其是频谱资源变得越来越紧张，如何提高频谱利用效率，提供高速、可靠的宽 带数据业务已经成为新一代通信技术研究的焦点。 多输入多输出( m i m o ) 系统因其能够充分利用空间资源，在不增加系统带宽 和天线发射功率的情况下，能有效对抗无线信道多径衰落的影响，大大提高了通 信系统的频谱利用率和信道容量，在新一代无线通信系统标准中得到广泛的应 用。无线局域网技术是当前通信技术的一个重要领域，新一代无线局域网标准 i e e e 8 0 2 1l n 也将m i m o 作为它的核心技术，以提高系统的性能。 1 1 无线局域网背景 1 1 1 无线局域网 无线局域网是计算机网络与无线通信技术相结合的产物。通俗点说，无线局 域网( w l a n ) 就是在不采用传统电缆线的同时，提供传统有线局域网的所有功 能，网络所需的基础设施不用再埋在地下或隐藏在墙里，网络却能够随着你的需 要移动或变化。 无线局域网技术具有传统局域网无法比拟的灵活性。无线局域网的通信范围 不受环境条件的限制，网络的传输范围大大拓宽，最大传输范围可达到几十公里。 此外，无线局域网的抗干扰性强、网络保密性好。对于有线局域网中的诸多安全 问题，在无线局域网中基本上可以避免。而且相对于有线网络，无线局域网的组 建、配置和维护较为容易，一般计算机工作人员都可以胜任网络的管理工作。 1 1 2 无线局域网的主要标准 无线接入技术区别于有线接入的特点之一是标准不统一，不同的标准有不同 的应用。现有的标准有很多，例如：i e e e 8 0 2 1 l 、h i p e r l a n 、b l u e t o o t h 等，但 是应用最为广泛的却是i e e e 8 0 2 1 l 系列标准。在8 0 2 11 当中，己经投入市场的 有8 0 2 1 l a b g 等协议的产品，但随着市场对性能更高的无线局域网的需求越来越 第一章绪论 大，上述产品的传输速率已经不能满足人们对视频流媒体传输的高速率要求。研 究更高速率的无线局域网协议追在眉睫，i e e e8 0 2 1i n 标准呼之欲出。如表1 1 所示为i e e e 8 0 2 1 1 标准的规范。 表1 1i e e e 8 0 2 11 标准的规范 8 0 2 1 l a 8 0 2 1 l b 8 0 2 1 l g 8 0 2 1 i n 标准批准时间1 9 9 9 年7 月1 9 9 9 年7 月2 0 0 3 年6 月尚未批准 最大数据传输率5 4 m b o s1 i m b p 65 4 m b p s6 0 0 m b l a s d s s s 或c c kd s s s 或c c k 调制技术 o f d m d s s s 或c c k 或o f d m或o f d m 射频频带 5 g h z 2 4 g h 22 4 g h z2 4 g h z 我5 g h z 窜问流数量 llli 、2 ，3 或4 信道宽度 2 0 m h z 2 0 m h z 2 0 m h z 2 0 m h z 或4 0 m h z 1 1 38 0 2 1i n 的优势 在传输速率方面，8 0 2 1 l n 可以将w l a n 的理论上最大传输速率由目前8 0 2 1 l a 及8 0 2 1 1 9 提供的5 4 m b p s ，提供到3 0 0 m b p s 甚至高达6 0 0 m b p s 。得益于将 m i m o ( 多输入多输出) 与o f d m ( 正交频分复用) 技术相结合而应用的m i m o o f d m 技术，提高了无线传输质量，也使传输速率得到极大提升【l 】。 在覆盖范围方面，8 0 2 1 1 n 采用智能天线技术，通过多组独立天线组成的天 线阵列，可以动态调整波束，保证让w l a n 用户接收到稳定的信号，并可以减 少其它信号的干扰。因此其覆盖范围可以扩大到好几平方公里，使w l a n 移动 性极大提高。 在兼容性方面，8 0 2 11 n 采用了一种软件无线电技术，它是一个完全可编程 的硬件平台，使得不同系统的基站和终端都可以通过这一平台的不同软件实现互 通和兼容，这使得w l a n 的兼容性得到极大改善。这意味着w l a n 将不但能实 现8 0 2 1 1 n 向前后兼容，而且可以实现w l a n 与无线广域网络的结合，比如3 g 。 1 2m i m o 技术 m i m o 系统的特点是将多径传播( 一般认为是无线传输中的不利因素) 变为 有利因素，它有效使用随机衰落及多径时延扩展，加倍提高传输速率，而无须增 加额外的频谱。 m i m o 技术应用大致可以分为两类：( 发射接收) 空间分集和空间复用。 2 第一章绪论 1 、空间分集 传统的多天线被用来增加分集度从而克服信道衰落，具有相同信息的信号 通过不同的路径被发送出去，在接收机端可以获得数据符号多个独立衰落的复制 品，从而获得更高的可靠性【2 】1 3 】f 4 】。举例来说，在慢瑞利衰落信道中，使用1 根 发射天线n 根接收天线，发送信号通过n 个不同的路径。如果各个天线之间的 衰落是独立的，可以获得最大的分集增益为n 。对于发射分集技术来说，同样是 利用多条路径的增益来提高系统的可靠性。在一个具有m 根发射天线n 根接收 天线的系统中，如果天线对之间的路径增益是独立均匀分布的瑞利衰落，可以获 得的最大分集增益为m x n l 5 j 倍。 2 、空间复用 空间复用可以提供更高的容量，具体是指通过一根以上的天线并行发送独 立的多组数据流。通常情况下，需要考虑两种类型的系统。第一种为v - b l a s t ( v e r t i c a lb e l l ) 实验室分层空间时间结构，它发送空间未编码的数据流，不需要考 虑在接收器上对信号进行均衡处理。第二种是通过空间时间编码实现的，与v - b l a s t 相比，空时编码提供正交编码方式，因此是独立的数据涮6 j 【7 j 。v b l a s t 方法不能分离数据流，因此会出现多个数据流的干扰( m s i ) ，这会使传输变得不 稳定，而前向错误编码并不总是能解决这个问题。然而，空间时间编码信号的 检测基于一种简单的线性处理，并获得合理的结果。空间复用的优势是，容量的 增加与发送天线的数量线性相关。 1 2 1m i m o 技术的原理 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 ts 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 ( t ) 经过空时编码形成m 个信息子流c i ( t ) ，i = l m 。这m 个子流由m 个天线发射出去，经空间信道后 由n 个接收天线接收。多天线接收机利用先进的空时译码处理能够分开并译码 这些数据子流、从而实现最佳的处理。 特别地，这m 个子流同时发送到信道，各发射信号占用同一频带，因而并 不增加带宽。若各发射接收天线间的信道响应独立，则多入多出系统可以创造多 第一章绪论 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。 s ( 蠡) ：传输信息流c ( 七) ：发送信息子流冗( 奄) ：接收信息子流 图1 - 1m i m o 系统原理图 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时域联合的分集和干扰对消处 理。 对于发射天线数为m ，接收天线数为n 的m i m o 系统，假定信道为独立的 瑞利衰落信道，并设m 、n 很大，则信道容量c 近似为 c m i n ( m ，n ) bl o g2 ( o 2 )( 1 - 1 ) 其中b 为信号带宽，仃为接收端平均信噪比，m i n ( m ，n ) 为m ，n 的较小者。 式( 1 1 ) 表明，功率和带宽固定时，多入多出系统的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。 1 2 2m i m 0 技术的优点 1 、高速数据传输 m i m o 空间复用技术就是在接收端和发射端使用多副天线，充分利用空间传 播中的多径矢量，在同一频带上使用多个数据通道( m i m o 子信道) 发射信号，从 而使得容量随着天线数量的增加而呈线性增加。这种信道容量的增加不需要占用 额外的带宽，也不需要消耗额外的发射功率，因此是提高信道和系统容量的一种 非常有效的手段。 2 、抗干扰能力强 m i m o 无线通信技术通过空间分集来克服无线传输中的信道衰落。空间分集 4 第一章绪论 分为接收分集和发射分集两类，通常可以认为s i m o 系统是接收分集，m i s o 系 统是发射分集。空间分集适于在多散射体的多径情况下应用，天线间距应适当拉 开以保证发射、接收信号的相互独立性，以充分利用多散射体造成的多径( 也称 之为充分多径) 。m i m o 技术的关键是能够通过空间分集将传统通信系统中存在 的多径影响因素变成对用户通信性能有利的增强因素。m i m o 技术有效地利用随 机衰落和可能存在的多径传播来成倍地提高业务传输速率。 3 、提高频谱效率 m i m o 技术是无线通信领域智能天线技术的重大突破，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。m i m o 的多入多出是针对多径无 线信道来说的。多天线接收端利用先进的空时编码系统处理、分开并解码这些数 据子流，从而达到最佳的效果。 1 2 3m i m o 技术研究现状 实际上多输入多输出( m i m o ) 技术由来已久，早在1 9 0 8 年马可尼就提出用它 来抗衰落。在7 0 年代有人提出将多输入多输出技术用于通信系统，但是对无线 移动通信系统多输入多输出技术产生巨大推动的奠基工作则是9 0 年代由a t & t b e l l 实验室学者完成的。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。2 0 0 3 年8 月， a i r g on e t w o r k s 推出了a g n l 0 0 w i f i 芯片组，并称其是世界上第一款集成了多 输入多输出( m i m o ) 技术的批量上市产品。 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 o ) 技 术己经成为移动通信技术发展进程中炙手可热的课题。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。 1 3 本文的主要工作 8 0 2 1 i nt g nm i m o 信道模型，是较早出现的m i m o 信道模型之一，本文的 目的在于通过仿真，掌握无线m i m o 信道模型的原理及建模方法，掌握天线基 本原理及定向天线在m i m o 信道的应用，不同于以往多天线理论研究中只考虑 完全独立或者完全相关的情况，它充分考虑了空间散射环境分布，精确的描述了 m i m o 信道的空间角度、时延功率谱和多径等参数，更好的与室内无线信道环境 相吻合，对于分析各种基于m i m o 的传输技术在无线局域网传播环境下的性能 具有重要意义；而对于具有方向性的天线对无线局域网信道响应的影响，是本文 研究的重点。本课题着眼于理论分析与仿真相结合，前期主要对i e e e 8 0 2 1 1 n 第一章绪论 m i m o 信道建模理论进行研究并通过仿真测试信道性能；后期重点对天线空间相 关性进行研究，i e e e 提供的m a t l a b 信道模型仿真程序中只完成了全向天线配置 下的m i m o 信道响应的实现，本文将其扩展到任意天线方向图的情况，完成了 m a t l a b 程序的编写并通过仿真研究了天线方向图对接收信号空间相关性的影响。 1 4 论文结构和内容安排 本文围绕移动无线信道的基础理论和m i m o 信道建模展开，论文结构如下： 第一章简要介绍了无线局域网及8 0 2 1 l n 协议相关背景，m i m o 的基本原理、优 点及研究现状，为后续论文的展开做好铺垫。第二章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，总结出移动多径信道的三种参数，根据多径信道 的统计分析，得出多径信道的主要的三种衰落类型。第三章首先介绍了无线局域 网的传输环境，其次描述了8 0 2 1 l n 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的基本算法；最后描述了建模和仿真的实现过程，对 仿真结果进行描述。第四章首先给出了空间相关矩阵的一般求解公式，对全向天 线三种角度功率谱( p a s ) 情况下的规律进行分析。然后对定向天线空间相关性计 算进行研究，并与相同p a s 分布下全向天线的空间相关性进行比较，通过仿真 证明定向天线的加入对空间相关性的影响。第五章对整篇论文做了概括总结、并 提出了需要修正和完善的地方。 6 第二章m i m o 无线信道 第二章m i m o 无线信道 在这章中，我们介绍了无线传播环境，并针对天线阵列在m i m o 模型中的使 用建立了统计时变的无线m i m o 信道模型。我们首先描述m i m o 系统的无线传 播环境，然后给出多径信道模型和描述多径信道的主要参数，接着描述了基于统 计的三种经典的多径衰落信道模型。 接收天线 2 1 无线传播环境 图2 1 无线传播环境 发射天线 在无线通信中，陆地移动信道的主要特征是多径传播。传播过程中会遇到各 种建筑物、树木、植被以及起伏的地形，这个过程是视距传播( l o s ) 、非视距传 播( n o n l o s ) 以及两者结合三方面综合作用的结果【8 】【9 】l l o 】。多径传播会引起能量的 吸收、穿透以及电波的反射、散射和绕射等，如图2 - 1 所示。因此综合反射、散 射和绕射，无线信号在传播时受到的这些多种途径衰减的损耗可以表示为： 7 第二章m i m o 无线信道 尸( d ) = d 一”s ( d ) r ( d )( 2 1 ) 其中，p 例为接收信号功率，d 是基站和移动台之间距离的函数；d 咱为空间 传播损耗，1 1 一般为3 5 ：研d ) 为阴影衰落，是由传播环境中的地形起伏、建筑 物及其他障碍物对电波遮蔽所引起的衰落；r ( d ) 为多径衰落，是由移动传播环境 的多径传播引起的衰落。 信号衰落是由发射端和接收端之间所客观存在的物理上的间隔所造成的。信 号强度的时变特点则是由于发射端和接收端的移动性。无线传播主要包括大尺度 衰落和小尺度衰落，大尺度衰落由发射端和接收端之间的路径损耗和阴影衰落产 生，而小尺度衰落由多径传播造成。 2 1 1 大尺度衰落 无线传播中的大尺度衰落包括路径损耗和阴影衰落。路径损耗( p l ) 由发射端 和接收端之间物理上的间隔所产生。阴影衰落是由发射端和接收端之间物理上的 阻挡所产生的。 应用电磁场理论可以得到，在自由空间传播条件下，接收信号功率p ，可表示 为 p ，2 只( 南) 2 9 ，g ，( 2 - 2 ) 式( 2 - 2 ) 中，p r 为发射机送至天线的功率，舒和毋分别为发射和接收天线增益，九 为波长，d 为接收天线与发射天线之间的距离。 在移动通信电路设计中，通常用路径损耗来表示电波通过传输媒质时的功率 损耗。定义发送功率p t 与接收功率p r 之比为路径损耗。由式( 2 2 ) 可得出路径损 耗的表达式为： k ：鲁：( 竿) z 上( 2 - 3 ) 2 1 2 小尺度衰落 小尺度衰落是指无线信号在经过短时间或短距离传播后其幅度快速衰落以 致于大尺度路径衰落的影响可以忽略不计。这种衰落是由于同一传输信号沿两个 或多个路径传播，以微小的时间差到达接收机的信号相互干涉所引起的。接收机 天线将多径波合成一个幅度和相位都急剧变化的信号，其变化程度取决于多径波 的强度、相对传播时间，以及传播信号的带宽。 第_ 章m i m o 无线信道 小尺度信号的三个主要效应表现为：经过短距或短时传播后信号强度的急剧 变化；多普勒频移引起的随机频率调制；多径时延扩展。 在高楼林立的市区，由于移动天线的高度比周围建筑物矮很多，因而不存在 从移动台到基站的视距传播，这就导致了衰落的产生。即使有视距传播路径存在， 由于地面与周围建筑物的反射，多径传播仍会发生。入射波以不同的传播方向到 达，具有不同的传播时延。空间任一点的移动台所收到的信号都由许多平面波组 成，它们具有随机分布的幅度、相位和入射角度，这些多径成分被接收机天线按 向量合并，从而使接收信号产生衰落失真。即使移动接收机处于静止状态，接收 信号也会由于无线信道多处环境中的物体的运动而产生衰落。 如果无线信道中的物体处于静止状态，运动只由移动台产生，则衰落只与空 间路径有关。此时，当移动台穿过多径区域时，它将信号中的空间变化看作瞬间 变化。更为严重的情况是，接收机可能停留在某个特定的衰落很大的位置上，在 这种情况下，尽管可能由行人或车辆改变了场模式，从而打破接收信号长时间维 持失效的情况，但为维持良好的通信状态仍非常困难。天线的空间分集可以防止 极度衰落以至于无效的情况。 影响小尺度衰落的因素包括：多径传播，移动台的运动速度，环境物体的运 动速度以及信号的传输带宽等。 2 2 多普勒频移 “多普勒效应”是由奥地利物理学家c h r i s t i o nd o p p l e r 首先发现并加以研究 而得名的，其内容为：由于波源和接收者之间存在着相互运动而造成接收者接收 到的频率与波源发出的频率之间发生变化，其具体表现为：如果一列火车呜叫着 由远而近驶过你身边时，你所听到的汽笛呜叫声会越来越尖锐，而当火车继续呜 叫着离你远去时，你所听到的汽笛声会越来越低沉，值得注意的是，作为声源的 火车汽笛声波频率并没有因为运动而发生改变，发生变化的是你的耳朵所接收到 的声波频率，假如火车和你之间相对运动速度为0 时，你就不会有这种声调变化 的感觉了。 在无线电领域里也同样存在着“多普勒效应”，假设一部发射机与部接收 机之间存在着相对运动，根据“多普勒效应”原理，接收机接收到的信号频率将 与发射机发出的信号频率之间产生一个差值。 当移动体在x 轴上以速度v 移动时会引起多普勒频率漂移。 此时，多普勒效应引起的多普勒频移可表示为 厶= 羞c o s 口( 2 - 4 ) 9 第二章m i m o 无线信道 式中，v 表示移动速度，五表示波长，口表示入射波与移动台移动方向的夹 角；= 厶，厶为最大多普勒频移。 由式2 - 4 可以看出，多普勒频移与移动台运动的方向、速度以及无线电波入 射方向之间的夹角有关。若移动台朝向入射波方向移动，则多普勒频移为正( 接 收信号的频率上升) ；反之若移动台背向入射波方向运动，则多普勒频移位负( 接 收信号频率下降) 。信号经过的不同方向传播，其多径分量造成接收机信号的多 普勒扩散，因而增加了信号带宽。 2 3 多径信道参数 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 ( a f ，f ，止) ：下竺垒三竺窒一 ( 2 5 ) ( 一 2 ) ( 一 2 ) 式中， 表示取集平均；r l 表示在频率f 1 、时间t 1 、空间位置z l 处的接收 信号的包络；r 2 表示在频率最、时间t 2 、空间位置z 2 处的接收信号的包络； a f - - l y , - l l ；垃= k 一乞i ；a z = k 一乞i 。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0 3 6 0 度。 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的示意图 1 0 第_ 二章m i m o 无线信道 2 3 1 时间色散参数 时间色散和频率选择性都是由于不同时延的多径信号所产生的效果，依赖于 发射机、接收机和周围的物理环境之间的几何关系。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。 用来描述时延扩展的参数有平均附加时延f ，r m s 时延扩展和附加时延扩展 x ( d b ) ，它们都与p d p 有关。功率延迟分布是一个基于固定时延参考量的附加 时延f 的函数，通过对本地的瞬时功率延迟分布取平均而得到。功率延迟分布可 能是时间上取平均，也可能是接收机移动时空间上取平均。 平均附加时延f 是功率延迟分布的一阶矩，定义为 一乙听吒 乞p ( r k ) 吒 f = 0 阿= 0 i 一 ( 2 6 ) 乙d ；乙p ( r k ) kk 式中，a k 为第k 条多径的衰减因子：p ( q ) 为在时延点砟上多径衰落的相对功率。 r m s 时延扩展以是功率延迟分布的二阶矩的平方根，定义为 式中 o r ：扛丽 ( 2 - 7 ) 口；p ( 气) 以，卜京2 乞万 q 。8 时延 图2 - 3 功率延迟分布示意图 l l 第- 章m i m o 无线信道 根据实测，功率延迟分布一般服从指数分布，如图2 3 所示。 即p ( r ) = 去p7 ( 0 f 0 0 ) p ( r ) = p7 式中，t 是常数，它是多径时延的平均 值。从图2 3 可以看出，这里假设了路径的功率随时延增加而减小，呈负指数分 布。在指数分布中，平均附加时延f 和r m s 时延扩展o - 都与平均值相等，且多径 时延主要分布在0 - 2 t 的范围内。 相关带宽b c 表示包络相关度为某一特定值时的信号带宽。也就是说，当两 个频率分量的频率相隔小于相关带宽b c 时，它们具有很强的幅度相关性。当相 关带宽b c 定义为包络相关系数为0 5 时，即 p ( 群，0 ，0 ) = 0 5 可以得到相关带宽的表达式为 2 3 2 频率色散参数 臣= 去 ( 2 9 ) ( 2 - 1 0 ) 相关时间和多普勒扩展是描述小尺度传播模型中信道频率色散和时变特性 的重要参数。 接收机的运动产生了多普勒频移，从而产生多普勒扩展。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b d ，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，因此所有的散射分量的 和就形成了连续的多普勒功率谱密度s ( f ) 。如图2 - 4 。 a ) 多普勒扩展b ) 多普勒功率谱 图2 4 多普勒扩展与多普勒功率谱密度 1 2 第二章m i m o 无线信道 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，即 一b ：! 竺堕( 2 - = 生一 ( 2 一1 1 ) is ( f ) d f 多普勒扩展b d 是多普勒功率谱密度s ( f ) 的二阶中心距的平方根，即 b o = m 一 i ( 厂一b ) 2 s ( f ) d f d - - o o r 孓( f 、r l f ( 2 1 2 ) 如果基带信号带宽b 。远大于b d ，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 关时一间，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o 5 时，即p ( 0 ，t c ，0 ) = 0 5 时，可得到 相关时间为 式中，f m 是最大多普勒频移。 2 3 3 角度色散参数 互丽9 ( 2 - 1 3 ) 移动台和基站周围的散射环境不同，造成多天线系统中不同位置的天线经历 的衰落不同，从而产生角度色散。因此，随着智能天线和m i m o 系统的引入， 信道信息从原来的时频二维，扩充到包含时间、频率、空间的三维信息，充分利 用了空间角度的信息。因此，与单天线的研究不同，在对多天线的研究中，不仅 需要了解无线信道的衰落、时延等变量的统计特性，还必须了解有关角度的统计 特性，如a o a ( 至i j 达角) 和a o d ( 离开角) 等。正是因为这些角度因素而引发了空 间选择性衰落。角度扩展和相关距离就是描述空间选择性衰落的两个重要参数。 所有的角度信息都与散射环境密切相关，移动环境中主要有三种主要的散射体， 即移动台周围的本地散射体、基站周围的本地散射体和远端散射体。 角度扩展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p a s 有关，如图2 5 所示。 第二章m i m o 无线信道 角度 图2 5 角度扩展与角度功率谱 所谓p a s 是信号功率谱密度在角度上的分布。研究表明，p a s 一般为均匀 分布、截短高斯分布和截短拉普拉斯分布。 室外环境下，到达基站的电波都是在一个较窄的角度内分布，因此基站端的 p a s 主要取决于移动台周围的散射体分布。当散射体均匀分布在移动台四周时， 基站的p a s 呈现均匀分布；对于本地散射服从瑞利分布时，基站端的p a s 服从 截短高斯分布；进一步研究表明，由于截短拉普拉斯分布可以表示出可视径的尖 峰和长长的拖尾，所以它比高斯分布能更好地反映出室外环境下基站的p a s 。 考虑微小区和微微小区时，基站和移动台周围都分布着较多的散射体，所以 它们的p a s 都趋间于均匀分布。表2 1 列出了不同环境下p a s 的分布。 表2 1 不同环境下的p a s 分布 基站移动台 宏小区拉普拉斯分布 室外 微小区截断高斯分布 均匀分布均匀分布 微微小区 几乎均匀分布 室内均匀分布 角度扩展等于角度功率谱p ( 臼) 的二阶中心距的平方根，即 式中 = f ( 秒一否) 2 p ( o ) d o f p ( e ) d o 1 4 ( 2 1 4 ) 一荔 d d 第二章m i m o 无线信道 石：f o p ( o ) d o ( 2 1 5 ) 上p ( o ) d o 角度扩展描述了功率谱在空间上的色散程度，根据环境的不同，角度扩展 在【0 ，3 6 0 0 】之间分布。角度扩展越大，表明散射环境越强，信号在空间的色散 程度越高；相反，角度扩展越小，表明散射环境越弱，信号在空间的色散度越低。 这就为智能天线的波束成型算法研究奠定了基础。 相关距离d 。是信道冲激响应保证一定相关度的空间问隔。在相关距离内， 信号经历的衰落具有很大的相关性，它是空间子相关函数的特有参数，为衡量信 号随空间相关矩阵变化提供了更普通的方法。在相关距离内，可以认为空间传输 函数是平坦的，也就是说，如果天线元素放置的空间距离比相关距离小很多，即 缸 0 ( 2 - 1 8 ) 某些类型的散射环境下接收信号还具有镜面或者直达分量。这时，r e ( h p q ) 和i m ( h p q ) 都是方差均为q 的高斯随机过程，但均值不为零，这里用a 来表示。 h p q 的均值不为零，则其包络分布为r i c e 分布： = 言p 等厶( 净糊 ( 2 - 1 9 ) 其中以。) 为零阶第一类修正贝塞尔函数。信道增益的平均功率为 e ( i 舶2 ) = 彳2 + 2 f l 。r i c e 衰落通常存在l o s 分量的信道模型中。 2 4 3n a k a g a m i 衰落 n a k a g a m i 信道是一种非常有用的信道模型。在描述具体的实测数据结果时， 它比r a y l e i g h 、r i c e 分布以及对数正态分布具有更好的灵活性和广泛的适应性。 比如，当n a k a g a m i 信道的衰落系数为0 5 和1 时，恰好等效于单边高斯分布和 r a y l e i g h 分布这两种特殊情况。由于n a k a g a m i 信道能比较充分地描述多径效应， 因此它在现代无线通信的理论研究和实际应用中获得了广泛地重视。r p q 的概率 密度函数为： o = 志( 争吁叫p 等( 2 - 2 0 ) o ( z ) 2 高舌) 町x 狮p n ) 其中q = e ( r 2 p q ) 为信道增益幅度的平均功率。m f 是n a k a g a m i 分布的参数，称为衰 落指数，它等于 吩= ，m f j 2 ( 2 2 1 ) 吩2 面f 而2 - 1 1 6 第一章m i m o 无线信道 2 5 本章小结 本章首先介绍了多径信道的衰落：大尺度衰落和小尺度衰落。接着对多径信 道的主要参数进行详细介绍。来自发射机的射频信号在传播过程中往往受到各种 障碍物和其他移动物体的影响，基于统计特性，多径信道分布主要为r a y l e i g h 衰落分布、r i c e 衰落分布和n a k a g a m i 衰落分布。 第三章无线局域网8 0 2 1 l n 的m i m o 信道分析 第三章无线局域网8 0 2 1i n 的m i m o 信道分析 无线通信环境存在多径衰落、多普勒频移和信道快速时变等许多不利因素， 如何克服这些不利因素的影响，是移动通信始终都需要研究的问题。在室内，这 个较为复杂的电磁环境中，多径效应、频率选择性衰落和其它干扰源的存在使得 实现无线信道中的高速数据传输比有线信道中更困难。 本章要在前一章的基础上继续分析无线局域网系统所面临的m i m o 信道的 特性。f o s c h i n i 和g a n s l l 2 】，己经指出，特别在瑞利衰落信道环境下，o f d m 技 术与m i m o 技术相结合可以提高信道容量。因此，o f d m 无线局域网设计选用 o f d m 与m i m o 技术，可以大大提高数据传输的可靠性，如果再对系统设计加 以优化，则可获得更高的频谱效率。 3 1 无线局域网m i m o 信道分析 就衰落类型来说，室内环境属于小尺度衰落，信号幅值和相位的动态变化是 由于收、发端之间空间位置的微小变化引起的。所以，室内环境下的小尺度衰落 表现为信号的时延扩展和信道的时变特性。w l a n 系统主要局限于室内，其客 户端移动速度低，信道时变特性表现不明显。因此，w l a n 主要考虑其时延扩 展的影响。 时延扩展由无线信号的多径传播引起。室内存在大量的分隔和阻挡体，信道 的主要特征就是多径传播，即接收机接收到的信号是通过直射、不同的反射和折 射到达的。各个不同路径到达的信号，其到达时间和相位都不同。这些信号在接 收端叠加，如果同相则会使信号幅度增强，反相则会削弱信号幅度，因此接收信 号的幅度将会发生急剧变化，从而产生多径衰落1 1 4 1 。 时延扩展引起无线信号的频率选择性衰落和平坦衰落。在传输过程中，由于 时延扩展，接收信号中一个符号的波形会扩展到其它符号，造成符号间干扰0 s o 。 为了避免产生i s i ，要求符号宽度要远大于最大时延扩展，或者符号速率要远小 于最大时延扩展的倒数。实际情况下，如果接收机的带宽是w ，当a r 远小1 w 时，接收机不能区分出f 和f + f 之间到达的信号，其传播距离在“f 和 c o ( r + a r ) 之间，可以看作有效的同时到达，因此接收端可以直接将它们相加。 这样，我们可以把冲激响应在时间上分成宽度为的小间隔，在每一个间隔内计 算反射信号的总