（信号与信息处理专业论文）mimo无线通信关键技术分析与研究.pdf

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，本人承担一切相关责任。 本人签名：区盏日期： 趁! 垒：圣! 丛 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年解密后适用本授权书。 本人签名_ 丝鱼 日期：塑! ! ! 至! 丛 导师签名：止殚棼一 日期：j 递o - ，_ k j 工一 m i m o 无线通信系统关键技术分析与研究迟茜0 6 5 5 0 8 m i m o 无线通信系统关键技术分析与研究 摘要 m i m o 空时处理系统涵盖了信息论、通信理论和信号处理理论， 信息理论证明m i m o 技术可使信道容量得到大幅度提升，空时编码 技术能在时域和空域进行编码以达到信道容量极限。m i m o 无线系统 的各种算法性能与信道特性有着密切关系，本文从信道模型研究入手， 对各种m i m o 关键技术进行了分析和研究。 论文首先分析了信道空时频色散模型，给出了m i m o 空域相关 信道模型，以及标准中的s c m 和s u im i m o 信道模型。论文还研究 了确定性信道容量、遍历容量和中断容量公式，仿真分析了空域相关、 交叉极化等因素对信道容量的影响。 基于m i m o 信道模型，论文研究了空时块码和空时格玛在不同 信道条件下的性能，并对其进行了分析比较；论文研究了b l a s t 分 层空时结构，仿真研究了不同检测方法以及不同信道下的性能。 对于带预编码m i m o 系统，论文仿真分析了单用户线性s v d 预 编码、非线性t h p 预编码和多用户对角信道反转预编码在不同信道 下的性能。另外论文仿真分析了不同天线选择算法对信道容量影响。 关键词 空时块码空时格码分层空时结构球形译码预编码天线选择 i a n a l y s i sa n di 迮s e a r c ho f k e yt e c h n o l o g i e si n m i m ow i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ss y s t e m ab s t r a c t s p a c e t i m ep r o c e s s i n gf o rm i m oc o m m u n i c a t i o ns y s t e mu n d e r l y s c o n v e r g e n c eo fi n f o r m a t i o nt h e o r y , c o m m u n i c a t i o n st h e o r ya n ds i g n a l p r o c e s s i n gt h e o r y i n f o r m a t i o nt h e o r yh a ss h o w nt h a tl a r g eg a i n s i n c a p a c i t yo fc o m m u n i c a t i o no v e rw i r e l e s sc h a n n e l sa r ef e a s i b l ei nm i m o s y s t e m s s p a c et i m ec o d i n gi n v o l v i n gc o d i n ga c r o s ss p a c ea n dt i m ei s a i m e da t a p p r o a c h i n g t h e c a p a c i t y l i m i t so fm i m oc h a n n e l s p e r f o r m a n c e so fv a r i o u sa l g o r i t h m si nm i m ow i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s s y s t e mh a v ec l o s er e l a t i o n s h i p st oc h a n n e lm o d e l s m e t h o d s o fm o d e l i n g w i r e l e s sc h a n n e la r ep r o v i d e d ，a n dk e yt e c h n i q u e si nm i m os y s t e m sa r e r e s e a r c h e d f i r s t l y , s p a c e t i m e f r e q u e n c y - s c a t t e r i n gc h a n n e lm o d e l i sa n a l y s i s e d ， t h e nm i m os p a c e c o r r e l a t e dc h a n n e lm o d e li sp r o v i d e d ，w h a ti sm o r e ， s u ia n ds c mc h a n n e lm o d e l sa r ee x p l a i n e d s e c o n d e l yd e t e r m i n i s t i c m i m o 无线通信系统关键技术分析与研究 迟茜0 6 5 5 0 8 c h a n n e lc a p a c i t y , e r g o d i cc a p a c i t ya n do u t a g ec a p a c i t ya r er e s e a r c h e d ， e l e m e n t si m p a c t i n go no u t a g ec a p a c i t yf o r m u l as u c ha ss p a c e c o r r e l a t i o n ， x p da r es i m u l a t e da n da n a l y s i s e d b a s e do nm i m oc h a n n e lm o d e l ，p e r f o r m a n c e so fs t b c ，s t t ci n d i f f e r e n tc h a n n e lm o d e l sa r er e s e a r c h e d t h e nv a r i o u sd e t e c t i o nm e t h o d s a b o u tb l a s ta r es i m u l a t e di nd i f f e r e n tc h a n n e lm o d e l s f o rm i m op r e c o d i n gs y s t e m ，p e r f o r m a n c e so fs i n g l eu s e rs v d p r e c o d i n g ，n o n l i n e a rt h pp r e c o d i n ga n dm u l t i u s e rr e g u la r i z e dc h a n n e l i n v e r s i o np r e c o d i n ga r es i m u l a t e di nd i f f e r e n tc h a n n e lm o d e l s m o r e o v e r , v a r i o u sa l g o r i t h m so fa n t e n n as e l e c t i o na r es i m u l a t e da n di t si m p a c to n c h a n n e lc a p a c i t yi sa n a l y s i s e d k e yw o r d s t b c s t t cb l a s t s p h e r e - d e c o d i n gp r e c o d i n g a n t e n n a s e l e c t i o n i i i m i m o 无线通信系统关键技术分析与研究 迟茜0 6 5 5 0 8 目录 符号说明i i i 第一章引言l 1 1 选题背景l 1 2m i m o 系统设计2 1 2 1 信道建模及容量分析2 1 2 2 分集与复用2 1 2 3 接收机原理3 1 2 4 信道信息反馈及系统设计3 第二章m i m o 信道建模及容量分析4 2 1 信道建模4 2 1 1 空时频散射模型4 2 1 2 平坦衰落信道建模1 0 2 2m i m o 信道建模1 2 2 3m i m o 信道容量2 0 2 3 1 确定性m i m o 信道容量2 0 2 3 2 随机m i m o 信道容量2 2 2 3 3 影响信道容量的因素2 5 第三章空时编码3 0 3 1 设计准则3 0 3 2 分集技术3 l 3 3 空时分组码3 5 3 3 1aia m o u ri s p a c e - - t im ec o d e 3 5 3 3 2s p a c e - tim ec o d e ：3 7 3 4 空时格码4 2 3 5 空时分层码4 j 4 3 5 1h b l a s t 4 5 3 5 2v - 1 3 l a s t 4 6 3 5 3d b l a s t 4 8 3 5 4b l a s t 接收机原理4 9 3 6 分集与复用的折衷5 6 第四章信道信息反馈及系统设计5 8 4 1 预编码技术5 8 4 1 1 系统模型5 8 4 1 2 实际预编码方法6 l 4 2 天线选择6 5 4 2 1 天线选择模型6 5 4 2 2 天线选择准则6 6 4 2 3 天线选择算法6 8 第五章总结与展望7 4 5 1 总结7 4 i m i m o 无线通信系统关键技术分析与研究 迟茜0 6 5 5 0 8 5 2 工作展望一7 4 参考文献7 5 附录7 8 致谢7 9 攻读学位期间发表的学术论文8 0 m i m o 无线通信系统关键技术分析与研究 迟茜0 6 5 5 0 8 符号说明 a p p r o x i m a t e l ye q u a lt o k r o n e c k e rp r o d u c t h a d a m a r dp r o d u c t e l e m e n t w i s ec o n j u g a t eo f a m o o r e p e n r o s ei n v e r s eo fa i je l e m e n to fm a t r i xa s q u a r e d f r o b e n i u sn o r mo f a c o n j u g a t et r a n s p o s eo f a t r a n s p o s eo fa d e t e r m i n a n to f a p d fo f t h er a n d o mv a r i a b l ex ( 毛，毛，x ) j o i n tp d fo f t h er a n d o mv a r i a b l e s 五，置，瓦 f ( x ) f ( x l ，而，h ) c d fo ft h er a n d o mv a r i a b l ex j o i n tc d fo f t h er a n d o mv a r i a b l e x i ，x 2 ，x n m i n ( a l ，a 2 ，) m i n i m u m o f 口l ，a 2 ，吒 r ( x ) t r ( a ) v e c ( a ) r a n ko f t h em a t r i xa t r a c eo fm a t r i xa s t a c k sa i n t oav e c t o rc o l u m n w i s e i i i ， a ) o o r 融 几 m i m o 无线通信系统关键技术分析与研究迟茜0 6 5 5 0 8 1 1 选题背景 第一章引言 无线通信在信息产业中的地位不容小觑，已成为推动信息产业向前发展的重 要动力。2 0 0 3 年全球移动用户数增长率在1 7 以上，总计达到1 3 5 4 亿。全球无 线通信产业的两大趋势是：第一，公众移动通信保持增长态势，但存在发展不均 衡的特点。第二，宽带无线通信技术热点不断。目前我国的g p r s 、c d m a l x 等2 5 g 数据业务发展态势不错，而3 g 技术已经投入商用。除传统公众移动通 信外，全球宽带无线接入领域研究与应用热点不断，包括宽带固定无线接入技术、 w i f i 、w i m a x 、u w b 等。 多天线系统可提供分集增益和复用增益，1 9 9 0 年至今b e l l 实验室至力于研 究实现多天线系统最佳性能的调制编码技术。t e l a t a r 和f o s h i n i 对白高斯信道下 m i m o 信道容量的研究表明m 1 m o 技术可大大提高容量。1 9 9 6 年f o s c h i n i 提出 的分层空时结构将信源数据分成子数据流后独立进行编码调制。1 9 9 8 年a l a m o u t i 提出一种发送分集编码方案，t a r o k b 将发送分集与正交编码结合提出了空时分组 码，将发送分集合格状编码调制技术结合提出空时网格编码技术。 1 9 0 8 年马可尼提出该技术并用其抑制信道衰落，m i m o 可以在不增加带宽和 总发送功率损耗的前提下提高系统容量和传输距离。m i m o 设计核心思想就是利 用多根发送天线和多根接收天线提供的空间自由度换取无线通信系统的频谱效 率、传输速率和通信品质，即提高系统的阵列增益、分集增益和复用增益。 阵列增益是指接收端多个天线接收到得信号具有不同的幅度和相位，接收端 将其合并以提高接收端信号和噪声比即s n r 。 接收分集是采用一根发送天线和多根接收天线，每根接收天线上是同一发送 信号经历独立的衰落，接收端将其合并得到的信号衰落影响将减小，分集增益等 于接收天线数。而发送分集则要求选择合适的发送信号，空时编码就是一种有效 的发送分集方法。a l a m o u t i 提出的两发送天线正交空时编码可以获得满分集增益， t a r o k b 将其推广到多天线系统。而空时格码则实现信道编码和多天线系统联合优 化，除获得分集增益外还获得编码增益。 空分复用能在相同带宽和功率下使传送速率线性增长，发送端将信息流分散 到各根天线上同时传送出去，接收端在已知信道状况下可以将接收到的信号分离 1 m i m o 无线通信系统关键技术分析与研究迟茜0 6 5 5 0 8 得到原始发送信息流。f o s c h i n i 提出的分层空时结构可实现上述处理并催生出 v - b l a s t 和d b l a s t ，提供链路的复用增益。 1 2m i m o 系统设计 m i m o 无线系统的主要结构图如图1 1 所示，其核心思想是空时信号处理， 即在原有时间维的基础上通过多天线增加空间维，获得空间复用增益和空间分集 增益。具体方法是通过空时分组码和空时格码实现分集增益，通过分层空时结构 实现复用增益。同时在已知信道信息的条件下，通过信号组合即阵列信号处理以 提高阵列增益。 图1 _ 1m i m o 无线通信系统原理图 1 2 1 信道建模及容量分析 信道建模技术主要包括标量信道建模和矢量信道建模，标量信道建模包括 c l a r k e 信道模型和j a k e s 信道模型，矢量信道建模包括单环、双环和椭圆等模型。 m i m o 信道建模首先计算发送端和接收端相关函数，在衰落信道冲激响应的基础 上引入功率延迟谱和时间延迟谱后构成m i m o 衰落信道冲激响应。 对于m i m o 系统，t e l a t a r 和f o s c h i n i 分别给出了高斯信道噪声下多天线系统 容量计算公式，结果表明在天线间相互独立条件下，m i m o 相对于s i s o 容量大 大提高，在已知信道特性和发送接收天线数相同情况下，容量随天线数线性增加。 1 2 2 分集与复用 理论证明m i m o 容量的提升可以提高信息传输速率即提高复用增益，同时也 2 m i m o 无线通信系统关键技术分析与研究 迟茜0 6 5 5 0 8 可以不提高信息速率而增加信息冗余度来提高通信系统传输可靠性，即分集与复 用间存在折衷。b l a s t 系统是将信源数据流按发送天线数目串并变换成若干子 数据流，独立进行编码调制后发送出去，因占用相同的频带，故使接收到信号发 生混合，接收端利用己知信道信息按一定译码算法分离出原数据流。m i m o 系统 适用于富散射情况，它利用多天线上多条传输路径来获得空间分集增益，它将差 错控制编码和发送分集结合起来即空时编码技术，通过在空间域和时域引入编码 冗余引入相关性，主要编码方式包括空时编码和空时格码。 1 2 3 接收机原理 下面介绍m i m o 系统相应的检测算法，主要分为线性检测和非线性检测技 术。线性检测方法复杂度较低主要包括迫零算法( z f ) 和最小均方误差算法 ( m m s e ) 和基于此的连续干扰删除( s i c ) 检测；非线性检测复杂度较高，一 般为最大似然检测算法；次优检测算法主要是球形译码算法。 1 2 4 信道信息反馈及系统设计 以上问题均假设只有接收端已知信道状况，这里研究发送端已知信道状态的 情况。首先发送端知道信道状态的方法是采用双工模式或反馈模式。完整信道信 息是已知信道传输矩阵，部分信道信息是指信道的一些统计参数。发送端根据已 知的信道信息可以采用不同的空时信号处理方法使无线链路性能得到极大提高， 这里主要采用的方法包括预编码和天线选择。 预编码是在发送端利用信道状态信息对发送符号进行预处理以提高系统容 量或降低系统误码率的信号处理技术。空时块码、空时格码、空时分层编码可和 预编码结合提高分集增益和复用增益。预编码分为线性和非线性预编码，线性预 编码主要是基于m i m o 信道s v d 分解的预编码技术，非线性预编码主要是基于 判决反馈结构的t h p 预编码技术。 天线选择主要思想是按照某种准则在发送端天线阵列中选择一组天线进行 信号发送，同时在接收端同样选择一组天线进行接收。准则主要包括误码率最小 化准则、信道容量最大化准则和信噪比最大化准则。 m 【m 0 无线通信系统关键技术分析与研究迟茜0 6 5 5 0 8 2 1 信道建模 第二章m 0 信道建模及容量分析 2 1 1 空时频散射模型 l 、多径和时间色散一小尺度衰落川州 ( 1 ) 多径信道模型 图2 一l 给出了多径信道的延迟抽头系数模型。 图2 - 1 信道抽头延迟线模型 信号通过该多径模型时的数学模型为 y ( t ) = s ( t ) h ( t ，f ) 式( 2 - 1 ) 式( 2 1 ) h ( t ，f ) = q p 印旗弓万( f 1 ) ，由此可知接收信号复包络是衰减、相 i 移、时延都不同的路径成分的总和n ，。 ( 2 ) 功率延迟分布 功率延迟分布p d p 用于描述信道在时间上的色散，描述时延扩展特性的参数 有平均附加时延f 和r m s 时延扩展盯，这些参量都与功率延迟分布尸( f ) 有关n m 。 p d p 的时域与频域响应如图2 - 2 所示。 首先假设p d p 离散 4 m i m o 无线通信系统关键技术分析与研究 迟茜0 6 5 5 0 8 嚷2 靠p ( r 。) t k f = j l 一= f _ 一 p r k ) k k 式( 2 - 2 ) 中f 指p d p 中心与时间起始点之间的距离。 靠腑2 盯f2 式( 2 - 3 ) 何2 靠2 p ( 靠) e ( r 2 ) = 一= 一 莩彳莩尸纠 式( 2 _ 4 ) p 诵iy d 式( 2 - 3 ) d pe ( r 2 ) 定义如式( 2 4 ) 所示，二阶距综合考虑了功率与延 迟影响，比其它参数更有意义，若r m s 延迟很小于符号延迟则不会产生大的i s i 。 c h a n n e lr o s p o n $ o h s e do np d p 色，乃 乃b ， b d ，慢衰落是指 信号时i 苗- d , f f ：相关时间时引起的衰落即t 易 3 、角度色散一小尺度衰落埘 ( 1 ) 参数：信道空域模型包括发送天线端散射、接收天线端散射和多径，包括 的参数有a o a 、衰减系数、多普勒频移、多径延迟、相位偏移。 信道冲激响应为 7 办( f ，f ) = qe x p ( 仍( f ) ) a ( 岛( f ) ) 万l j f 一弓( f ) ) 瑚 式( 2 - 1 2 ) a ( 岛( ，) ) = e x p ( 一，x e x p ( 一，：) e x p ( 一奶，。) 式( 2 1 3 ) 啪) - 【( + z s i n ( 0 ，( 嘞】等 式( 2 _ 1 4 ) 其中式( 2 1 3 ) 和式( 2 1 4 ) 描述了发送天线与接收天线间的散射模型。 ( 2 ) 角度功率谱和角度扩展 角度功率谱p a s ：用于描述信道在角度上的色散，是信号功率谱密度在角度 上的分布，一般为均匀分布、截短高斯分布和截短拉普拉斯分布。 角度扩展a s - 由移动台或基站周围的本地散射体以及远端散射体引起，等 于功率角度谱( 9 ) 的二阶中心距的平方根。是r m s 角度扩展，歹是平均a o a 。 ，( 护一歹) 2 f ( o ) d o 一 ，f ( o ) d e l 一， 式( 2 - 1 5 ) io y ( o ) d o 式( 2 1 5 ) 中0 = 一； if ( o ) d e ( 3 ) 角度色散包络相关函数 图2 - 6 给出了角度包散对应的包络相关曲线。 。， 。8 。 鼍。7 。 墨0 6 鼍 ；0 5 - 瓜 薹0 4 _ 、 厂、 。3 。 一 | 厂、a 。2 。 7 一厂弋p 。1 - yvvvvv 图2 - 6 角度色散对应的相关函数 其相关函数公式为 鹏。，m ) = 以2 2 t z a d ) ，h d = v o 出 5 戈( 2 - 1 6 ) m i m o 无线通信系统关键技术分析与研究 迟茜0 6 5 5 0 8 相关距离是指角度色散相关函数下降到一半时即p ( o ，0 砬) = o 5 时对应的砬值， 天线间距大于相关距离则为空间选择性衰落。以下给出空域相关函数实例： r ：，( 0 , 2 a - d ) + 童( 她幼d ) c o s ( 2 朋卅) 如c ( 垄笋h k - i 从2 l c 。+ l ，2 r e d ) s i n ( ( 2 k c + 1 ) a 刎) s i 】呶! ! 茎妄攀) 式( 2 1 7 ) 如图2 7 所示，随着波达角度的增大相关函数曲线向右偏移即取得相同相关 值天线距离越大。如图2 8 所示，随扩展角度增大相关值曲线向左偏移即取得相 同相关值天线间距越来越小 s p a t i a lc o r r e l a t i o nr e l a t e dt oa o a a o a o o 。一a o a = 3 0 0 一a o a = 6 0 。 歹 ， ?专 b 、 j 心 、妨 弋鼍、x w 、b 。：鬈乏乒净”，港 l 天线数2o 阍隔o 3 波长a s 为3 0 0 i d a 图2 - 7 与波达角度相关的空域相关函数 s p a t i a lc o r r e l a t i o nr e l a w dt oa s 心、气 、 - e 卜a s 却 j ， “ s 掌l ，o 一a s - = 3 0 0 宇f 扣a s = 6 0 0 鼍 ： j 、 | 巍 7 j 4 pa 哥 v 、繁太参 、9 ，弗_鑫 天线效2 0 厦隅o ，3 波长4 0 a 为3 0 e ：，4 ，一 图2 - 8 与角度扩展a s 相关的空域相关函数 9 m i m o 无线通信系统关键技术分析与研究 迟茜0 6 5 5 0 8 2 1 2 平坦衰落信道建模 产生单径信道衰落序列可使用j a k e s 模型或高斯滤波c l a r k e 模型。j a k e s 模型 使用一组复正弦函数相加，近似瑞利过程，对复正弦频率调制得到多普勒频谱n 。 1 、c l a r k e 模型1 1 1 该模型是一种用于描述平坦小尺度衰落的统计模型即r a y l e i g h 衰落信道。首 先在频域上产生正交和同相两路高斯噪声源后通过多普勒频谱成型滤波器再转 换为时域输出为正交和同相两路信号1 。故可以展开为 r ( ，) = 嘉 压姜 忡 引+ 一吖幢j + 咿+ 一咿b 2 南+ a ， t = 2 c o s ( w t c o s a 。) c o s 吮+ 压c o s w t e o s n = l 式( 2 1 ) t = 2 c o s ( f c o s ) s i l l 丸+ , j 2 c o s w 。t s i n # n = l 式( 2 _ 1 8 冲k 为最大多普勒频移，丸为第n 个平面波的初始相位，= 等。 c l a r k e 模型的相关函数曲线如图2 - 9 所示 c l a 俯c , o c r e l a 狮f t m c b o n 。4 附嘴删删删 6 。 瑚f 刚帆w 眦 相关函数为 图2 - 9c i a r k e 相关函数 p ( a t ，0 ，o ) ：砜( 垒盟) w l o m i m o 无线通信系统关键技术分析与研究 迟茜0 6 5 5 0 8 c l a r k e 功率谱密度曲线如图2 一l o 所示 c l a r k ep o w e rd e ys p e c t r u m l 船2 i j 厂 l 久。 1 图2 1 0c i a r k e 功率密度谱 c l a r k e 功率谱密度公式为 一 s ( f ) = 1 兰亏( 一以2 f 以2 ) 式( 2 2 0 ) f d 4 1 一( 2 f f a ) 2 2 、j a k e s 仿真器n 妇 j a k e s 是一种正弦波叠加法，接收端为n 条路径平面波的叠加： r o ( t ) = e o 巳c o s ( k ，+ ，+ 丸) 式( 2 2 1 ) 中：= c o s a 国。= 2 x v 2 。k 为载波频率，为最大多普勒频 移，丸为不同路径的附加相移n 1 1 。 r ( t ) = 4 r 2 艺c c o s ( o 。f + f c o s + 织) = x c ( t ) c o s t + x , ( t ) s i n w , t n = - i 式( 2 - 2 2 ) 中： n x c ( t ) = 、 2 z c nc o s ( w m t c o s g t n + 么) 以( f ) ：一压nes i n ( f c 。s + 九) 图2 - 1l 给出了j a k e s 滤波器的频率冲激响应，图2 一1 2 给出了c l a r k e 模型 和j a k e s 模型的相关函数曲线。 m i m o 无线通信系统关键技术分析与研究 迟茜0 6 5 5 0 8 3 2 5 2 譬15 o5 j a k e sf i l t e rf r e q u e n c yr e s p o n s e o c 、d 。口 c p ) 。 召一 oo 胝苫蒯硼惜 f r e q u e n c y 图2 11j a k e s 滤波器的频率冲激响应 a m o - c o c r e l 曩m no f a - r i ea n dj a k e s 啊n b o f o s c d l 越o r s m t 8 t m o 刊斗 图2 1 2c i a r k e 模型和j a k e s 模型的相关函数 2 2m i m o 信道建模 l 、信号模型 m i m o 信道的冲激响应为 信号通过信道的数学模型为 式( 2 - 2 4 ) c口1一co薯；-亭) 、， 乃 一 r ，- i 、 万 日 l h = 、， r ，、 日 m i m o 无线通信系统关键技术分析与研究 迟茜0 6 5 5 0 8 其中信道冲激响应矩阵为 2 、几何模型1 1 1 m 3 n 6 3 儿) = p ( r ) s ( t - f ) 出 h l = 础耀 础蟛 西( f ) 1 m 碰f ) 。2 m 硝j 蟛：瑞 。 妒鹊 量垣天缱 、 对于下行：r = r n o d e b r u e k ( 2 4 3 ) 对于上行：r = r u e r n o d e b 进行分解：r = c c t 式( 2 4 4 ) 衰落信道的产生方法 ( 1 ) 主要参数：衰落长度l ，衰落采样点数，衰落过采样因子，采样周期丁= 去 带宽b = 易一l ，发送天线数为r ，接收天线数为r ，p 。p 阶数为n 。 ( 2 ) 首先给出三种多普勒功率谱p s d 对于服从拉普拉斯情况： m i m o 无线通信系统关键技术分析与研究迟茜0 6 5 5 0 8 p s o ( f ) = 对于普通： ( e 生o i 删争嘲+ e 一与m ”- f m ) f 瞰b 】 l d _ p s d l i = 1 0 0b = 5 5 o j i j u l j h l 矾i l _枞柙“脯淤x慨小州硎乳删 o51 01 52 02 53 03 54 0 4 f i 5 0 f r e q u e n c y 肼泐c ，= 南t ，：b ，型e ( 2 4 6 ) 对于平坦：p s o ( f ) = l ，【l ：b 】 ( 3 ) 时域衰落矩阵为 m 魄 门 = i f f t l u p s d ( i ：b - 1 ) p s d ( i ：b - 1 ) ( 4 ) 引入天线阵相关性后为 m = c 肘触式( 2 - 4 8 ) ( 5 ) 引入p d p 后为 m = d i a g ( p d p ) c m 知概 标准组织3 g p p 给出了s c mm i m o 信道冲激响应产生方法的原理图如图 2 - 1 8 所示，而图2 - 1 9 ，图2 - 2 0 和图2 - 2 1 分别给出了s c m 模型下的功率延迟 谱p d p 、相关函数特性和功率谱。 1 7 1 _ _ 剖 耐 枷 吧， p r，上硝l f i i 呲 o o b b 删 删 动 分 8 b 丛 丛 一 一 卜 卜 删 删 图 p o ph 1 1 i n i t i a l e s t m a t e d 2 1 8 产生s 伽信道冲激响应的原理图 12345 0 5 4 1s 1 o 5 o 图2 1 9s c m p m h 2p m h 3 4 o9 0 6 o 4 4 ooo ooo 4 i n 嚏i a l e s tj r r 瞄t e d 23 信道中p d p p a t h 4 p 越h 5 ，一- ，? 5 1 o 5 o oo p j t - 4 3 g p pc a s e 32 d3 e ) c 1 3 f r a t m n 15 o 5 4 图2 2 0s c m 信道模型相关特性 oo p m s 4 15 1 0 s o 4 2 1 o 8 o 6 04 o 2 o 5 a a t h 6 oo p 甜h 6 123 4 甲匕爿 s e!-刊。：兰：。：。，。；-i；!b-1。s，v。c，”。r。td。，。i p 凼 i - - 蒜步i 1 _ t l 甲匝甲 c 早叫。f 。i r , 8 h t n ，。卜+ 早+ 南叫s e c o 小n d 州。i o 牲 r i ； 囱l f h 齐溢。“l 5 l i 1 甲区甲 o 一长9 _ 叫茹卜p - - 喜叫c 蜘 r d “n “i 。t i n l 上：= u f 1u o c e s c e l l t l i g h l s g f= 石 如 幅 o 4 毛蠢苣od誉嚣毫宝童一 - o l _ ：嬷： 。 、 i - - m i m o 无线通信系统关键技术分析与研究 迟茜0 6 5 5 塑 i 圊爱同。：i 圊 ! 团2 ”h h l 2t 画。：茴 毛囫： 0 高。 。i 削。 囹： 砭圈2 p a t h h 2 2t 图。鼍圈4 p a t h h 2 2 鼍圈5 p a t h h 2 2 ： 团 。：叫 乏回 圈 图2 2 1s c m 信道拉普拉斯功率谱 4 、8 0 2 1 6s u i 3 1 图2 2 2 给出了发送天线数和接收天线数均为2 的8 0 2 1 6s u i 信道模型。 图2 - 2 2 接收天线数和发送天线数均为2 的s u i 信道原理图 以下给出该原理图产生的信道冲激响应： 月c l ，= p 崩0 p ol i ；0 吃譬见0 ， 三0 p ? p 二 式。2 5 。， 式( 2 5 0 ) 中 吃( r ，t ) _ - h o ( o ，f ) 万( f ) + 吃( f ，f ) 万( r t ) 玩( t , t ) = ( o ，) 万( f ) + ( ，t ) 6 ( r 一) i = 1 ，2 式( 2 5 1 ) 式( 2 5 1 ) 中肛，p 表示相关参数，仍表示多径分量的簇参数即a o a 和a 。d 。 c 鲫i 碱 帅w h np rp ti o i w 刊 e n tb a a e do ns u im i m oc h a r m 一 图2 2 3s u im i m o 信道的相关特性 1 9 一团一团一团一团 2 1 o 2 ， o 一 2 1 o 4 2 o o o o o o o o o 1 8 6 4 2 1 o o o o m i m o 无线通信系统关键技术分析与研究迟茜0 6 5 5 0 8 小结：本节指出小尺度衰落主要包括空间色散、时间色散和频率色散。主要参数 包括功率延迟分布、多普勒频移、角度功率谱和角度扩展。针对以上三种色散， 分别给出了相关函数曲线。其次给出两种平坦衰落信道的建模方法即j a k e s 和 c l a r k e 并分别给出其相关函数曲线和功率谱图。本节还给出了m i m o 信道建模 方法，主要研究相关函数、p a s 和a s ，介绍了3 g p p 中对于信道模型的规定并 给出了p a s 服从不同分布时的相关函数、信道冲激响应、p d p 、相关特性和多普 勒功率谱图，最后给出了8 0 2 1 6s u i 信道模型。 2 3m i m o 信道容量 2 3 1 确定性m i m o 信道容量 1 、高斯信道容量1 m 3 首先给出高斯信道容量公式 c = b 1 0 9 2 ( 1 + 了s n r ) 图2 - 2 4 给出了高斯信道条件下的信道容量特性。 夕 _ 彳 ：； 霎： s n r8 n 州出h i ，h 跏0o h n n tc ，p c y 珏b a m o w , d c h z - z 越 _ _ ， b 扣d ” d m9 n 奠= 2 5 c i b 图2 - 2 4 高斯信道容量特性 信道容量与信噪比之间的约束关系为 l 0 9 2 ( 1 + s n r ) s n r l 0 9 2 es n r 0 l 0 9 2 ( 1 + s n r ) l 0 9 2 s n r s n r 1 由式( 2 - 5 3 ) 可知，在带宽一定情况下，信噪比足够大时信道容量随信噪比的增 m i m o 无线通信系统关键技术分析与研究迟茜0 6 5 5 0 8 加而对数地增加，信噪比较小时信道容量与信噪比之间满足线性关系。 信道容量与带宽之间的约束关系为 脚( + 警) b ( 警) l 0 9 2 e = s n r - 哪 由式( 2 - 5 4 ) 可知，在信道带宽一定条件下，信道容量与信噪比呈线性关系，当 带宽足够大时信道容量为一常数。 2 、确定m i m o 信道容量n 3 b 1 嘲 f o s c h i n i 和t e l a t a r 给出了信道矩阵确定情况下m i