（电路与系统专业论文）无线mimo技术研究.pdf

硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s = 葛= = ! = 皇苎竺! 兰= 喜皇皇! = = = ! 皇= 詈詈皇= = = 暑= = ! = ! ! = 墨i l l l i l l1 r o l l i = 皇= = 暑鼍皇= 皇 声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作 所取得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：侨砀溺 日期： 御 f 月多日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：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电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权华中师范大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权 中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通 过网络向社会公众提供信息服务。 作者张能锍薪 孙抛泻嘿严 日期：脚多月名日日期：沙7 年名月苫日 学位论文提交“c a l i s 高校学位论文全文数据库”中全文发布，并可按“章程 中的 规定享受相关权益。回童途塞理交后进卮! 旦圭堡；旦= 生；垦鱼生筮查! 篡锶乳= 澎纩日期：如叼年月厂日日期：加哆年f 月占v 日 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 摘要 无线m i m o 技术被认为是实现未来高速宽带无线i n t e m e t 接入网的关键技术之 一本文主要对无线m i m o 系统的信道模型、信道容量和编码方案这三个方面涉及 到的有关理论进行研究，并衬用m a t l a b 进行大量的计算机辅助仿真，验证一些 重要成果。本文的主要内容概括如下： 第一章粗略地回顾了目前无线m i m o 技术的研究和应用概况，包括目前已取 得些进展和存在的问题。 第二章对最近文献中提出的一些空时信道模型进行了详细的研究。另外，在仿 真方面，利用m a t l a b ，创建一个无线m i m o 信道仿真平台。 第三章对理想条件下和受多种因素制约下的信道容量进行了详细的分析和比 较，着重分析了信道状态信息已知和未知对m i m o 信道容量的影响。并且进行了 仿真实验，得到了相应的仿真结果。同时，也对两类特殊的m i m o 信道进行分析， 得到容量的具体计算公式。 第四章对无线m i m o 系统目前业内已提出的一些编码方案进行研究。分析和 比较了以空时分组码、空时网格码、分层空时编码为主的空时算法。同时对这些 算法进行了大量的计算机仿真，并给出和分析仿真结果。 第五章对全文进行概括性总结，明确今后的研究方向。 关键词：m i m o ；空时分组码；空时网格码；分层空时码；迫零；m m s e a b s t r a c t i ti sb e l i e v e dt h a tt h ew i r e l e s sm i m ot e c h n o l o g yw i l lb eo n eo ft h ek e yo n e st h a t r e a l i z et h eh i 曲- s p e e db r o a d b a n dw i r e l e s si n t e r n e ta c c e s sn e t w o r k si nt h ef u t u r e t h i s t h e s i sm a i n l ym a k ef u r t h e rr e s e a r c ho nt h er e l a t e dt h e o r i e sa b o u tt h r e em a i na s p e c t s ： c h a n n e lm o d e l s ，c h a n n e lc a p a c i t ya n dc o d i n gs c h e m e m o r e o v e r , af e wi m p o r t a n tr e s u l t s a r ev e r i f i e dt h r o u g han u m b e ro fc o m p u t e r - a i d e ds i m u l a t i o n su s i n gm a t l a b t h em a i n c o n t e n t so ft h ed i s s e r t a t i o na r ee x p r e s s e da sf o l l o w s ： t h ef i r s tc h a p t e ri n t r o d u c e st h eb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c eo ft h er e s e a r c h ，a n dt h e s i m p l eo v e r v i e wo ft h er e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no f w i r e l e s sm i m o t e c h n o l o g ya tp r e s e n t ， i n c l u d i n gs o m ep r o g r e s s e sa n de x i s t e dp r o b l e m s i nt h es e c o n dc h a p t e r , ar e s e a r c hi sm a d eo nt h eb a s i so ff u l lr e s e a r c ho nt h et h e o r i e s o fs p a c e - t i m ec h a n n e lm o d e lp r o p o s e di nt h er e c e n tl i t e r a t u r e i na d d i t i o n ，as i m u l a t i o n p l a t f o r mw a se s t a b l i s h e df o rw i r e l e s sm i m o c h a n n e lb yu s i n gm a t l a b i nt h et l l i r dc h a p t e r , c h a n n e lc a p a c i t yo nb o t ht h ei d e a lc o n d i t i o na n dr e s t r i c t e db y m a n yf a c t o r si sa n a l y z e da n dc o m p a r e d ，w h o s ee m p h a s i si sa n a l y z i n gt h ei m p a c to f k n o w na n du n k n o w nc h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o no nt h ec a p a c i t yo fm i m oc h a n n e l t h e s i m u l a t i o ni sp e r f o r m e d ，a n dt h er e l a t e ds i m u l a t i o nr e s u l t sa r ea l s og i v e n a tt h es a m e t i m e ，i ts p e c i f i c a l l ya n a l y z e dt h ec a p a c i t yf o rt w ok i n do fs p e c i a lm i m oc h a n n e l t h e f o r m u l af o rc o m p u t i n gt h ec a p a c i t yo ft h et w oc h a n n e li so b t a i n e d t h ef o u r t hc h a p t e ri n v e s t i g a t e st h em a i nc o d i n gs c h e m e sp r o p o s e di nt h er e c e n t l i t e r a t u r ef o rw i r e l e s sm i m os y s t e m a n d ，i ta n a l y s e sa n dc o m p a r e st h es p a c e t i m e a l g o r i t h m ss u c ha ss p a c e - t i m eb l o c kc o d i n g ，s p a c e - t i m et r e l l i sc o d i n g ，l a y e r e ds p a c e t i m e c o d i n g a n d ，al o to fc o m p u t e rs i m u l a t i o n sf o rt h ea l g o r i t h m sa r ep e r f o r m e d t h e s i m u l a t i o nr e s u l t sa n dc o r r e s p o n d i n ga n a l y s i sa r ea l s og i v e n t h ef i l t hc h a p t e ri sab r i e fc o n c l u s i o no ft h et h e s i s ，a n df b r t h e rr e s e a r c hi s s u e sa r e g i v e na sw e l l k e yw o r d s ：m i m o ；s p a c e t i m eb l o c kc o d i n g ；s p a c e t i m et r e l l i sc o d i n g ； l a y e r e ds p a c e - t i m ec o d i n g ；z e r o - f o r c i n g ； m i n i m u mm e a ns q u a r ee r r o r i l 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第1 章绪论1 1 1 本文的研究背景与实际意义l 1 2 目前无线m i m o 技术的研究现状分析l 1 2 1 已取得的进展一l 1 2 2 还存在的问题2 1 3 本文研究的主要内容3 1 4 本文的篇章结构3 第2 章无线m i m o 空时信道的模型理论4 2 1 引言5 2 2 确定性的m i m o 信道模型5 2 2 1 双向传播信道模型5 2 2 2 二维射线跟踪模型。6 2 3 随机m i m o 信道模型7 2 3 1 信道衰落和扩展一7 2 3 2 随机m i m o 信道描述8 2 4 无线m i m o 信道仿真1 2 2 4 1 仿真流程：1 2 2 4 2m i m o 信道相关矩阵仿真结果1 2 2 5 小结1 4 第3 章无线m i m o 信道的容量分析与仿真1 5 3 1 引言1 5 3 2 平均功率分配下的多天线系统的容量分析1 5 3 2 1 单输入单输出( s i s o ) 信道容量1 5 3 2 2 单输入多输出( s 蹦o ) 信道容量1 5 硕士学位论文 m a s t e r + st h e s i s 3 2 3 多输入单输出( m i s o ) 信道容量1 6 3 2 4 多输入多输出( m 卫订o ) 信道容量1 7 3 3 自适应分配发射功率的m i m o 信道容量分析与仿真。1 8 3 3 1 奇异值和特征值分析法1 8 3 3 2 信道容量的特征值表示与分析1 9 3 3 3 信道状态信息已知和未知时的信道容量仿真2 0 3 3 4 信道状态信息已知时信道容量与天线数量的关系仿真2 1 3 4 小结2 2 第4 章无线m i m o 空时实现算法分析和仿真2 3 4 1 引言2 3 4 2 空时分组码2 3 4 2 1a l a m o u t i 空时编码2 3 4 2 2 空时分组码2 7 4 3 空时网格码3 3 4 3 1 慢衰落信道下的空时网格码的设计。3 3 4 3 2 快衰落信道下的空时网格码的设计3 8 4 4 分层空时编码3 8 4 4 1 分层空时编码模型3 9 4 4 2 分层空时编码方案3 9 4 4 3 分层空时编码的三种检测算法4 0 4 4 4 性能仿真4 2 4 5 小结4 3 第5 章总结与展望4 4 参考文献4 5 致谤f 4 7 英文缩略对照表4 8 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 第1 章绪论 1 1 本文的研究背景与实际意义 传统无线通信系统中，发射端和接收端均使用单根天线，这种单天线系统称为 单输入单输出( s i s o 。s i n g l ei n p u ts i n g l eo u t p u t ) 系统。 近l o 年来，蜂窝通信和无线局域网对容量的需求呈爆炸性的增长，尤其是互 联网的无线接入和多媒体应用对信息吞吐量增长的需求，使常规单天线收发通信 系统面临着严峻的挑战。为此，我们必须寻求无线通信领域的革新技术，解决无 线通信系统的频谱利用效率和通信质量问题。 目前来说，设法提高频谱的利用率是一个较为合理的选择。一个较为合理的提 高频谱利用率的选择是使用分集技术。如果发射端使用单天线，接收端使用多天 线，这种分集称为接收分集，也称之为单输入多输出( s i m o ) 系统。如果发射端 使用多天线，接收端使用单天线，这种分集通常称为发射分集，也称之为多输入 单输出( m i s 0 ) 系统。s i m o 和m i s o 技术的发展自然演变成m i m o 技术。m i m o 技术对于传统的单天线系统来说，能够大大提高系统容量和频谱利用率，使得系 统能够在有限的无线频带下传输更高速率的数据。m i m o 系统在发射端与接收端 均采用多天线单元，运用先进的无线传输与信号处理技术，利用无线信道的多径 传播，建立空间并行传输通道，在不增加带宽与发射功率的情况下，成倍提高无 线通信的质量与数据速率，是现代通信领域的重要技术突破。 1 2 目前无线m i m o 技术的研究现状分析 1 2 1 已取得的进展 无线m i m o 通信是一个崭新的、富有挑战性的研究领域。目前全世界有许多 学术机构、大公司正在对m i m o 技术展开更深入的研究，推动着这项技术日益朝 实用化方向发展。早在1 9 0 8 年，m a r c o n i 就提出利用多天线技术来抗衰落。2 0 世 纪7 0 年代就有人提出将多入多出( m i m o ) 技术用于通信系统。从1 9 9 5 年t e l a t a r 推导出多天线高斯信道容量开始，1 9 9 6 年，b e l ll a b 的f o s c h i n i 提出的b l a s t ( 分 层空时算法) 方案闻名于世，这是一种空间复用技术；1 9 9 8 年，b e l ll a b 又研究 出了v - b l a s t ( 垂直分层空时码) 6 】。这时，实验室的结果已能达到2 0 - - 4 0 b p s h z 硕士学位论文 m a s t e r st h e s l 8 的频谱利用率。而使用传统的无线通信技术在移动蜂窝中的频谱效率仅为 2 3 b p s m z 。随后t a r o k h 等人提出了空时网格码( s t r c ) ，a l a m o u t i 提出了空时分 组码( s t b c ) ，使得m i m o 技术的研究迅速成为无线通信领域的研究热点。 在国内，科技部对新一代无线通信技术相当重视，已启动的未来通用无线通信 技术研究计划拟三阶段实施，在其第三阶段( 2 0 0 6 1 _ 0 1 0 1 2 ) 将完成通用无线 环境的体制标准研究及系统实用化研究，开展较大规模的现场实验，完成商用系 统的研锖g 6 t 。清华大学、电子科技大学、北京邮电大学、东南大学等高校与中兴 通讯、华为公司及科研所等研究机构也在积极进行m i m o 通信技术的研究与现场 测试，提出了多种编码算法与信道模型，并研制了多种m i m o 天线。这些研究为 分析与设计空时编解码和调制解调技术提供有力的保障，及为m i m o 多天线设计 提供了重要的理论指导与全新的设计思路。 1 2 2 还存在的问题 自从t e l a t a r 和f o s c h i n i 在无线m i m o 系统中做出开创性工作以来，蜂窝无线 系统、固定接入系统方面，已经提出了各种实验性的m i m o 系统。但是，m i m o 技术的大规模投入商用还有较长的一段时间，还有许多实际的问题需要解决，这 些问题主要包括以下几个方面： l 、天线问题 在m i m o 的系统设计中，天线的数量和间距是很重要的系统参数。对于终端 而言，1 2 波长间距足够保证非相关衰落，最大可能就是使用两根天线。但是对于 手机而言，安装两根天线就可能是个问题。因为目前手机设计的趋势是把天线放 入盖子里以增加外表的吸引力，这就使得间距的要求比较苛刻。 2 、接收机的复杂度 m i m o 接收机与单天线接收机相比，复杂度明显要增加。具体表现在：( 1 ) 多 用户、多天线的存在，空时合并器和信号检测器的设计变得异常复杂。例如( 4 ， 4 ) m i m o 系统与单天线接收机相比，复杂度要增加大约2 倍。( 2 ) m i m o 接收机 容易受周围环境散射的影响，存在角度扩展和时延扩展，在均衡和干扰对消方面 需要增加一些附加处理。( 3 ) m i m o 信道的估计也导致复杂度的增加。( 4 ) 复杂 度还来自特别的r f ( r a d i of r e q u e n c y ，射频) 、硬件和接收机的分离算法。 除了上述两大因素之外，系统与现有的非m i m o 网络兼容问题、统一的m i m o 信道建模问题、发射机已知或未知信道状态信息c s i ( c h a n n e ls t a t u si n f o r m a t i o n ) 问 题等等，也需要考虑。 2 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 1 3 本文研究的主要内容 本文研究的主要内容概括为以下三个方面： 一、无线m i m o 空时信道模型理论和仿真 理论方面，把相关文献中出现的m i m o 空时信道模型，归纳为两大类，即确定 性的空时信道模型和随机空时信道模型。论述这两种模型的主要机理，并给出分析 结果，同时指出这两种模型的优缺点及主要应用场合。 仿真方面，利用m a t l a b ，创建一个无线m i m o 信道模型的仿真平台，并给 出了仿真思路和仿真流程，对理论上建立的模型进行计算机仿真。 二、无线m i m o 信道的容量分析与仿真 分析和比较了受多种因素制约的信道容量。首先对平均分配天线发射功率的 s l s o 、m i s o 、s i m o 、m i m o 信道的容量进行了详细的分析，同时对两类特殊的 m i m o 信道( 全1 和正交信道) 的容量进行分析，得到其容量的具体计算公式。另 外，采用数学上的奇异值分解和特征值分解法，结合平均功率分配和自适应功率分 配方案，给出了另一种m i m o 信道容量计算形式，并且利用m a t l a b 进行仿真。 三、无线m i m o 空时实现算法分析和仿真 对无线m i m o 系统目前提出的一些主要算法进行研究，论述了这些算法的实现 原理。同时对这些算法进行大量的计算机仿真，并给出一些具有代表性的仿真结果， 通过这些仿真结果，分析和比较这些算法的性能，最终可以更简单，更有效地实现 无线大容量m i m o 系统。 1 4 本文的篇章结构 第一章绪论，简要地介绍了本文的研究背景和意义，粗略地回顾了目前无线 m i m o 技术的研究和应用概况，包括目前已取得一些进展和存在的问题。 第二章无线m i m o 空时信道的模型理论，对目前文献中的一些空时信道模 型进行了详细的研究。另外，在仿真方面，利用m a t l a b ，创建一个无线m i m o 信道仿真平台。 第三章无线m i m o 信道的容量分析与仿真，对理想条件下和受多种因素制 约下的信道容量进行了详细的分析和比较，并且进行了仿真实验，得到了在某些 特定环境中实际的信道容量的仿真结果。 4 生各种衰落和扩展，再加上一些未知的干扰，严重影响了信号的接收。在传统的 s i s o 无线通信中，常用瑞利分布和莱斯分布作为信道的特征模型。当发射端和接 收端之间不存在视距时，采用瑞利衰落信道来描述信道的特性。如果发射端与接 收端之间存在视距，则采用莱斯分布模型来描述信道的特性。在m i m o 通信系统 中，描述信道特性的模型要复杂得多。归纳起来，大致可以分为两大类型，即确 定性的空时信道模型和随机性的空时信道模型。确定性模型又分为两类：一类是 用射线跟踪的方法建立的信道模型；另一类是双向信道模型。而在随机模型中， 相关模型和基于空间或几何结构的模型居多，其次还有带参数的模型和散射模型 左盘 。口o 2 2 确定性的m i m o 信道模型 2 2 1 双向传播信道模型 双向信道模型包含了接收端和发送端的角度扩展信息。信道的冲激响应表示为 【5 】： ， h ( t ，仍) = q 沙万。一0 矽( 一，) 妒( 弭一纷，) ( 2 1 ) f = l 其中，t 为多径时延。 皿砂第i 条多径的复振幅。在下行链路中，是移动台的到达角( d o a ) ，纷 是基站处的d o d ( d i r e c t i o no f d e p a r t u r e ) ；而在上行链路中，是基站处的到达 角( d o a ) ，伤是移动台的d o d ( d i r e c t i o no fd e p a r t u r e ) n 为多径数目。在这 个模型中，所有的参数都需要通过实际测量来确定，这对于计算机模拟是很不方 便的。 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 2 2 2 二维射线跟踪模型 2 2 2 1 二维( 2 d ) 分析的理1 由 1 6 】 ( 1 ) m i m o 系统在多数情况下使用的天线阵列是线性阵列，天线单元是沿水 平线分布( 或垂直线分布) ，意味着此天线不能区分从不同高度到达的信号分量。 ( 2 ) m i m o 系统的大多数室内方案中，反射面不是垂直的就是水平的，这意 味着从发射机离开时，假如是处在相同垂直平面内的射线，即使遇到地面或天花 板的反射，它们仍然在同一垂直平面内继续传播。如果遇到高墙，所有的射线也 将反射到相同的垂直平面内，它们的方位角可以用2 d 射线踪方法来预测。接收端 的天线阵列在方位上将不能区分它们，因此所有这些射线将被当着单一分量对待， 其路径可以在二维平面内跟踪。 2 2 2 2 典型射线跟踪方法 ( 1 ) 发送射线分析法 在发射端和预定的方向上发送有限数量的射线，跟踪它们直到落在接收机的附 近。由于到达接收机的潜在分量可能会有无数多个，很难确定每一条射线的传播 路径。这种分析方法得到的无线m i m o 模型如图2 1 所示，假定发射机和接收机 对称分布在两个平行反射面之内，距离为d ，平行反射面之间距离为w 。 图2 1 发射线分析法 ( 2 ) 镜像分析法 镜像分析法是一种点对点的预测方法，它具有较高的预测精度，而且一开始就 舍弃了那些不能到达接收机的射线，所以它的计算效率较高。但是该方法选择产 生镜像的散射体十分困难( 尤其是在一些复杂的传播环境中) ，故只能用于一些简 单的传播环境中( 如用在设计良好的规则街道中) ，很难推广到一般应用场合。如 图2 2 所示，假定两个实心点分别代表发射机和接收机，对称分布在一个街道内， 街道两边的空- 1 1 , 点代表发射机的镜像，利用几何作图法可以很容易地得到这些镜 像点，从而找到每根射线的源点。 6 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 1 馥 w ： 2 3 随机m i m o 信道模型 图2 2 镜像分析法 2 3 1 信道衰落和扩展 发射出去的信号在空间传播过程中所受的损害，大致可以分为两类：衰落和 扩展。衰落是指无线信号所受的传播损耗，表现为接收信号的电场强度起伏变化。 信道扩展是指携带信息的信号能量在时间、空间或频率轴上的变化。 2 3 1 1 信道衰落 ( 1 ) 快衰落和块衰落 由于无线信号的多径传播，不同信号在接收端迭加，信号有时因迭加而加强( 方 向相同) ，有时因迭加而减弱( 方向相反) 。这样，接收信号的幅度将急剧变化，即 产生了快衰落。这种衰落是由多径引起的，所以也称为多径衰落。在仿真信道的快 衰落时，假定在一个符号传输期间，随机信道矩阵元素保持不变，但在传输下一个 符号时，信道矩阵元素要发生随机变化。如果传输某组符号的时间远远小于总的传 输时间，而在传输这组符号时，随机信道矩阵元素保持不变，但在传输下一组符号 时，信道矩阵元素发生了改变，这种衰落称为块衰落。 ( 2 ) 慢衰落 接收信号除瞬时值出现快衰落之外，场强中值( 平均值) 也会出现缓慢变化。 主要是由地区位置的改变以及气象条件变化造成的，以致电波的折射传播随时间变 化而变化，多径传播到达固定接收点的信号的时延随之变化。这种由建筑物的长时 间阴影效应或山区的自然特征和气象原因引起的信号变化，称为慢衰落，也称为准 静态衰落。当天线高度、障碍物状况、工作频率、障碍物和移动台移动速度等参数 7 硕士学位论文 c a s t e r st h e s i s 固定时，慢衰落接收信号近似服从一种叫做对数正态分布的数学分布。 2 3 1 2 信道扩展 ( 1 ) 多普勒扩展 移动台在运动时，接收端的信号在频域要产生一个多普勒频移，其大小与移动 台运动速度移动台运动方向及与无线电波入射方向之间的夹角相关。多谱勒扩展 是谱展宽的测量值，这个谱展宽是移动无线信道的时间变化率的一种量度。多 普勒扩展被定义为一个频率范围，在此范围内接收的多普勒谱有非0 值。当发送频 率为z 的纯正弦信号时，多谱勒谱在正一厶至正+ 五范围内存在分量。谱展宽依赖 专f d 。 多普勒扩展引起信道的特性在时域内迅速变化，使信道出现时间选择性。相干 时间是多普勒扩展在时域的表示，与多普勒扩展成反比。在相干时间内，衰落信道 可以认为是不变的。 ( 2 ) 时延扩展 信号经过不同的传输路径时，除产生严重的衰落现象外，还会产生不同的传播 时延。因为从时域角度来看，各个路径的长度不同，信号到达的时间就不同，这样， 如果从基站发射一个脉冲信号，则接收信号中不仅包含该脉冲，而且还包含它的各 个时延信号。这种由于多径效应引起的接收信号中脉冲的宽度扩展现象，称为时延 扩展。当时延超过检测脉冲符号宽度的1 0 时，符号间的干扰将明显存在，在传统 的接收机中可以使用信道均衡器来消除这种干扰。 ( 3 ) 角度扩展 接收机的角度扩展是指到达接收机的各个路径信号的到达方向的扩展，而发射 端的角度扩展是指发射角在多个方向上的扩展。大的角度扩展会造成空间选择性衰 落。衰落保持常数的空间范围称为相干距离，与角度扩展成反比。只要两根天线的 间隔大于相干距离，认为接收信号经受的是不相关衰落。一般在建筑物密集的城镇 地区中，角度扩展往往较大，故从空间分集增益中可以获得有效的增益。 2 3 2 随机m i m 0 信道描述 m i m o 无线系统模型如图2 3 所示，图中假定基站( b s ) 配有m r 根天线，移动台( m s ) 配有m 置个接收天线。基站天线阵列的信号表示为：x ( f ) = k ( f ) ，x 2 ( t ) ，x m ，( f ) r ，其 中五为基站第f 个天线发送的信号，接收信号】，( f ) = l y e ( t ) ，奶( f ) ，妇。( f ) r ，其中m 为 移动台的第i 个天线接收的信号。 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 飞 l 咒( f ) 飞 卜此( f ) 飞 l ( f ) 图2 3m i m o 无线信道系统框图 对于描述连接移动台和基站的宽带m i m o 无线信道矩阵，可以用下式描述： 上 日( f ) = 4 艿( f 一乃) ( 2 2 ) l - i 其中日o ) c 虮州r ，且 4 = 础诅 口蹴。础坼 ( 2 3 ) 是一个复数矩阵，它描述了时延为f 时所考虑的两个天线阵列之间的线性变换，砝 是移动台的第m 根天线到基站第刀根天线的之间的信道增益。式( 2 2 ) 表示的是一 个简单的抽头延时线模型。这里l 个时延的信道系数用矩阵表示。矢量x o ) 和y ( t ) 之间的关系可以表示为： x ( f ) = 卢( f ) 】，p f 胁 ( 2 4 ) 或 y ( f ) = f - f ( f ) x ( f f 矽f ( 2 5 ) 这取决于传输方向是从移动台到基站，还是从基站到移动台。 假定嘏服从零均值的复高斯分布，而k t - z m u n l 为瑞利分布 3 。对于给定时延， 进一步假定传输系统的平均功率相同，故： 曰= e i 碟1 2 ( 2 6 ) 对所有m 【l ，2 ，m 置】和玎【1 ，2 ，m r 】都成立。且不同的时延，传输系数不相关， 即： ( 1 2 l 必，1 2 ) = o ，当乞时 ( 2 7 ) 其中符号( a , b ) 代表求a 和b 之间的相关系数。这表明，该模型所产生的平均功率延 9 硕士学位论文 m a s t e r s t h e s i $ 时谱( p d s ) 可表示为：以f ) = ：。只万p 一弓) 。 2 3 2 1 信道相关衰落 假定移动台在散射体产生的多径环境下，基站的天线附近不存在本地散射物， 即典型的城区环境。这样使得在基站观察到的功率方位谱( p a s ) 被限制在相对窄 的波束内。可以用均匀函数、高斯函数及拉普拉斯函数来描述p a s 分布。 假定基站的天线阵列高于本地散射体，基站的第强根和第m ：根天线之间的相关 系数为： 嚷= ( 1 咄1 2 ，i 础1 2 ) ( 2 8 ) 从2 8 式可以看出来，基站的相关系数与移动天线以无关。同样，移动台的空间 相关系数如下表示为： 碟= ( 1 0 嬲1 2 心1 2 ) ( 2 9 ) 且独立于基站的天线m 。 根据2 8 式和2 9 式，可以得到基站和移动台的对称相关矩阵如下所示： f ，祥磕、 = i ； i i ( 2 1 0 ) l 磋- 筐坼l 坼 i 带褴1 = f ； ；i ( 2 1 1 ) l - 嘿。j 删。 两个相关矩阵仅仅分别表示基站和移动台各天线之间的衰落系数之间的相关 性。由于各自的相关系数分别独立，则任意发射和接收天线之间的相关系数为： 磁惫= ( i 喘1 2 ，l 嘿1 2 ) c 2 m ， 只要( 2 8 ) 式和( 2 9 ) 式分别与n 和m 独立 3 】【1 5 】： 绒m 豫1 = 联m 。弗s ：b s 忱 住1 3 ) 2 3 2 2 m i m o 信道相关衰落的产生 根据e 述模型可以在计算机上模拟m i m o 信道衰落的相关性。首先，生成 l o 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s l x m 足x m r 个不相关的复高斯过程，然后进行滤波，得到传输系数之间的相关性。 相关传输系数可以用下式计算： 4 = 弓c 马 ( 2 1 4 ) 其中，互= 耐：) ，硝孙，曜。，：蠼，：。甜 口毅咙坼i 枷。坼 马= 眇，职势一，咄坼 1 枷胁 这里，假定马的元素6 ：； d 服从零均值复高斯分布，且对于之或乞， e 1 6 j d 1 2 - 1 ，( 1 研1 2 ，陋1 2 ，= 0 。c 是一个对称映射矩阵。若心舢是非奇异矩阵， 则由r m 帕经过平方根或c h o l e s k y 分解可以得到c 。毋由( 2 6 ) 式定义。 2 3 2 3 天线阵列波束模拟 天线阵歹l j 波束形成技术包括两部分：( 1 ) 在发射机产生沿某一空间角度传播的 电磁波束；( 2 ) 在接收机估计来波方向( d o a ) 接收该方向的波束，同时抑制其它 方向的干扰波。如果接收机的波形整形器的权值可以根据环境的变化自适应调整， 则这种接收机天线阵列称为智能天线( s m a r ta n t e n n a s ) 。 传统的m i m o 通信模型一般仅考虑其信道的相关性和多径衰落，而基于阵列波 束形成的智能天线的研究往往侧重于如何利用阵列相位关系估计d o a 和自适应分 离感兴趣的信号，这两者难以进行综合研究。主要是由于不同通信环境对应的 m i m o 信道特性非常复杂，通常采用过于简化的平坦衰落，导致难以模拟阵列间接 收信号的相关性以及准备分析不同的通信环境下随机信道对波形形成算法的影响。 本文在仿真器中加入信号波束功能。 假定所有的散射体都位于移动台附近，基站的入射场强被限制在一个很窄的方 位角内，这样便于定义平均到达方向，在数学上只要把( 2 4 ) 式修改成： x ( f ) = 形( ) l h ( v ) y ( t r ) d v ( 2 1 5 ) 其中转向波束对角矩阵形( ) 可以表示为： 矽( ) = m ( ) o 0 ，( 矽) ( 2 1 6 ) ( ) 的任一项w 埘( ) 表示第m 个天线的平均相移，其方位角d o a 为。对 于一个单元间隔为d 的均匀天线阵列来说， 硕士学位论文 m a 8 t e r st h e s i s 删m c x p 【逊半】 ( 2 1 7 ) 其中厶( ) 为第m 根天线的复功率，兄为波长，j 为虚数。 如果假定天线阵列信号为统计不相关时，天线阵元之间的多径信道产生随机相 位变化，没有必要定义d o a ，故可以直接使用( 2 4 ) 式。 2 4 无线川m 0 信道仿真 根据以上分析，要仿真整个m i m o 信道主要是要产生( 2 2 ) 式表示的模型中的 个矩阵4 f 的各个元素，即( 2 3 ) 式，故便于为m i m o 信道的空间相关性建立恰 当的模型。 2 4 1 仿真流程 1 2 3 4 5 整个仿真流程如下： 确定信道的无线环境：包括室内、室外、宏小区、微小区等。 选择基站和移动台的天线结构：包括天线的阵元个数及天线之间的距离。 计算信道的相关矩阵：根据信道环境确定p a s 分布，计算基站和移动台的相关 矩阵和，然后再根据通信的方向( 上行或下行) 计算出整个m i m o 信 道的相关矩阵。 根据r 彻进行平方根或者说c h o l e s k y 分解，计算映射矩阵。 产生信道系数：随机产生一个独立同分布，零均值的高斯随机变量，根据多普 勒功率谱，产生信道系数。 2 4 2m i8 0 信道相关矩阵仿真结果 在仿真中，假定m s 天线个数m 胄= 2 ，b s 天线个数m r = 4 。两端都是均匀直 线阵列，天线间距等于半个波长。选择一个典型的城区环境，即b s 高于m s 。在 b s 观测到的p a s 一般服从拉普拉斯分布，平均方位角扩展a s 约为1 0 。，可以算得 基站接收信号的相关系数矩阵为： r s s2 1 0 0 0 0 0 9 1 0 0 o 7 3 0 0 0 4 6 0 0 o 9 1 0 0 1 0 0 0 0 0 9 1 0 0 0 7 3 0 0 o 7 3 0 0 0 9 1 0 0 1 o 0 0 0 0 9 1 0 0 0 4 6 0 0 o 7 3 0 0 0 9 l o o 1 0 0 0 0 ( 2 1 8 ) 该矩阵表明两个紧相邻的阵元的相关度很高，阵元间的相关性随间距的增加而逐渐 1 2 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 减小。移动台的周围有很多散射体，导致阵元问的相关性较低，其空间相关矩阵为： 故， 销兰溯 ( 2 1 9 ) 假定通信方向是从基站出发，移动台接收，整个m i m o 的信道包络相关矩阵是： 墨埘d = 0 ( 2 2 0 ) 蜀舢= 1 0 0 0 0 0 3 0 0 00 9 1 0 0 0 2 7 3 00 7 3 0 0 0 2 1 9 0 0 4 6 0 00 1 3 8 0 0 3 0 0 0i 0 0 0 00 2 7 3 0 0 9 1 0 0o 2 1 9 0 o 7 3 0 00 1 3 8 00 4 6 0 0 0 9 1 0 00 2 7 3 01 0 0 0 00 3 0 0 0o 9 1 0 00 2 7 3 00 7 3 0 00 2 1 9 0 0 2 7 3 0 0 9 1 0 00 3 0 0 01 0 0 0 0 0 2 7 3 0 0 9 1 0 0 0 2 1 9 0o 7 3 0 0 o 7 3 0 0 0 2 1 9 0 0 9 1 0 0 0 2 7 3 01 o o o oo 3 0 0 0o 9 1 0 0 0 2 7 3 0 0 2 1 9 00 7 3 0 00 2 7 3 0 0 9 1 0 0o 3 0 0 01 0 0 0 00 2 7 3 0 0 9 1 0 0 0 4 6 0 0 0 1 3 8 00 7 3 0 00 2 1 9 0o 9 1 0 00 2 7 3 01 0 0 0 00 3 0 0 0 0 1 3 8 00 4 6 0 00 2 1 9 00 7 3 0 00 2 7 3 0 0 9 1 0 0 o 3 0 0 01 0 0 0 0 ( 2 2 1 ) 如果通信方向是从移动台出发，基站接收，则整个m i m o 的信道包络相关矩阵是： r 彻= 0 ( 2 2 2 ) 风棚帕= 1 0 0 0 00 9 1 0 0 0 7 3 0 0 0 4 6 0 00 3 0 0 0 0 2 7 3 00 2 1 9 00 1 3 8 0 0 9 l o o1 0 0 0 00 9 1 0 00 7 3 0 00 2 7 3 00 3 0 0 00 2 7 3 00 2 1 9 0 0 7 3 0 00 9 l o o1 0 0 0 00 9 1 0 00 2 1 9 00 2 7 3 00 3 0 0 00 2 7 3 0 0 4 6 0 00 7 3 0 0o 9 l o o 1 0 0 0 00 1 3 8 00 2 1 9 00 2 7 3 00 3 0 0 0 o 3 0 0 00 2 7 3 0 0 2 1 9 0 0 1 3 8 01 0 0 0 0o 9 1 0 0o 7 3 0 00 4 6 0 0 0 2 7 3 00 3 0