（电磁场与微波技术专业论文）mimo信道建模及其性能分析.pdf

重庆邮电大学硕士论文 摘要 摘要 随着无线通信业务的继续增长， 的数据传输速率和更好的服务质量。 下一代无线通信系统将提供用户更高 多入多出( m i m o ) 技术被认为是现 代通信技术中的重大突破之一，越来越成为宽带无线接入、3 g 等无线通 信领域的研究热点。因此，了解和掌握陆地移动通信环境中m i m o 信道的 特性，对实现潜在的巨大信道容量、取得预期的性能、选择合适的系统结 构和设计优良的信号处理算法至关重要。 基于上述认识，本文研究了现有应用环境下m i m o 无线通信系统的信 道建模理论与方法，提出了一个基于电磁散射理论的m i m o 信道模型，对 其性能进行了计算机仿真，并与相关文献结果进行了比较分析。本文的主 要内容概括如下： 绪论介绍了m i m 0 系统产生的原因，分析了m i m o 技术的发展和研 究现状，以及由于多径信号对信道容量所带来的影响，阐明了m i m o 信道 模型对系统容量的提高具有十分重要的理论价值。 第二部分介绍了目前m i m o 信道建模的三种主要方法，即确定性的空 时信道模型，随机型的空时信道模型和半经验或半确定性模型。论述了确 定性的和随机的空时信道模型的主要机理，并介绍了几种典型模型，给出 了分析结果，同时指出了这两类模型的优缺点和主要的应用场合。 第三、四部分对随机m i m o 信道模型的有关理论进行了较详细的研 究，主要基于电磁数射理论和散射体簇建模，物理概念清晰，更能反映微 蜂窝和微微蜂窝的复杂传播环境特性。考虑到散射体的运动性，将有效散 射体数目模拟为生灭随机过程，更能全面深入分析m i m o 系统性能。而后 对提出的m i m o 系统的信道容量进行了分析与仿真，通过与非相关( 独立) 衰落和相关衰落条件下m i m o 系统的信道容量的对比，说明了所建立的 m i m o 物理模型的有效性。最后，对拟进一步开展的研究工作进行了展望。 关键词；m i m o ，信道建模，信道容量，信道仿真 重庆邮电大学硕士论文 摘要 a b s t r a c t w i t ht h ec o n t i n u o u sd e v e l o p m e n to ft h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns e r v i c e s ， i ti sd e s i r e dt h a tt h en e x tm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m sw i l ls u p p o r th i g h e r d a t ar a t et r a n s m i s s i o na n db e t t e rq u a l i t yo fs e r v i c ef o rs u b s c r i b e r s t h e 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 ( m i m o ) t e c h n i q u ei sc o n s i d e r e da so n e o f t h em o s tp r o m i s i n gb r e a k t h r o u g ht om o d e mc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y i th a s b e e nt ot h eh o tt o p i ci n3 gm o b i l ec o m m u n i c a t i o n sa n db r o a d b a n dw i r e l e s s a c c e s ss y s t e m s i no r d e rt oa c h i e v et h ep o t e n t i a le n o r m o u sc h a n n e lc a p a c i t y a n da c q u i r et h e a n t i c i p a t i o ns y s t e mp e r f o r m a n c e ，w en e e dt op r o f o u n d c o m p r e h e n dt h em i m oc h a n n e lc h a r a c t e r i s t i c si nl a n dm o b i l ec o m m u n i c a t i o n e n v i r o n m e n t s i m i l a r l y ，t h em i m oc h a n n e lc h a r a c t e r i s t i c sa r ev e r yi m p o r t a n t t oc h o o s et h ep r o p e rm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mc o n f i g u r a t i o na n dt h e s i g n a lp r o c e s s i n ga l g o r i t h m si nm i m os y s t e m s b a s e do ns u c hr e a s o n s ，i nt h i st h e s i s ，s o m er e s e a r c h e so nm i m or a d i o c h a n n e lm o d e l i n gw e r eu n f o l d e d w i t ht h i su n d e r s t a n d i n g ，ap h y s i c a lm i m o c h a n n e lm o d e lw a sp r o p o s e d t oe v a l u a t et h ep e r f o r m a n c e ，t h ec o m p u t e r s i m u l a t i o ns t u d i e sw e r ep r o g r e s s e d t h ec o m p a r i s o n so ft h er e s u l t sw i t ht h a t o ft h eo t h e rl i t e r a t u r e sw e r em a d e t h em a i nc o n t e n t so ft h i st h e s i sr r e e x p r e s s e da sf o l l o w s ： i nt h ef i r s tc h a p t e r ，t h er e a s o n so ft h ea p p e a r a n c eo ft h em i m os y s t e m w e r ei n t r o d u c e d ，a n dt h er e s e a r c hs t a t u sq u oo ft h em i m ot e c h n o l o g yw a s a n a l y z e d b e s i d e s ，t h ec h a n n e lc a p a c i t yl o s sc a u s e db yt h em u l t i p a t h p r o p a g a t i o nw a si n v e s t i g a t e d ，w h i c hs h o w st h ei m p o r t a n ta c a d e m i cm e a n i n g o fs t u d y i n gt h em i m oc h a n n e lm o d e l i n gt oh u r d l et h o s ep r o b l e m s i nt h ec h a p t e rt w o ，t h r e em a i nm e a n so fm i m oc h a n n e lm o d e l i n gw e r e i n t r o d u c e d ，n a m e l y ，t h ed e t e r m i n a t ec h a n n e lm o d e s 。t h es t o c h a s t i cc h a n n e l m o d e l sa n dt h es e m i - d e t e r m i n a t ec h a n n e lm o d e l s t h em e c h a n i s mo ft h e d e t e r m i n a t ec h a n n e lm o d e l sa sw e l la st h es t o c h a s t i co n e sa r ed i s c u s s e d 。a n d s o m et y p i c a lm o d e l sa r ed e m o n s t r a t e d t h e r e o u t ，t h ed e f i c i e n c ya n dt h em e r i t o ft h i st y p eo fm o d e l sa n dt h e i ra p p l i c a t i o n sw e r ei l l u s t r a t e d t h ed e t a i l e ds t u d i e so nm i m oc h a n n e lm o d e l i n gt h e o r ya r ep r e s e n t e di n h 重庆邮电大学硕士论文 摘要 t h ec h a p t e rt h r e ea n df o u r b a s e do nt h ee l e c t r o m a g n e t i cs c a t t e r i n gt h e o r ya n d t h es t o c h a s t i cd i s t r i b u t i o no ft h es c a t t e rc l u s t e r s ，t h ep r o p o s e dm i m o s t o c h a s t i cc h a n n e lm o d e lp r o v i d e dw i t ht h el e g i b l ep h y s i c a ls i g n i f i c a n t t h u s ， t h em o d e li sm o r ec l o s et ot h ec o m p l e xr e a lm i c r o - e e l la n dp i c o c e l lr a d i o p r o p a g a t i o ne n v i r o n m e n t s t a k i n gt h em o v e m e n to ft h es c a t t e r si n t oa c c o u n t ， t h en u m b e ro ft h ev i r t u a ls c a t t e r si ss i m u l a t e da sab r i n ga n de x t i n g u i s h s t o c h a s t i cp r o c e s s t h i sm a d et h ep e r f o r m a n c ee v a l u a t i o no ft h em i m 0 s y s t e m s i sm o r ec o m p l e t e l ya n dt h o r o u g h l y w i t ht h ec h a n n e lc a p a c i t y s i m u l a t i o na n da n a l y s i so ft h ep r o p o s e dm i m os y s t e m ，a n dc o m p a r i s o nw i t h t h ec o r r e l a t i o na n dn o n c o r r e l a t i o nc h a n n e l s i n v e s t i g a t e d i nt h eo t h e r l i t e r a t u r e s ，t h ev a l i d i t yo ft h ep r o p o s e dm i m os t o c h a s t i cc h a n n e lm o d e li s s h o w n l a s t l y ，t h ef u t u r es t u d i e sa s p e c tw a sg i v e na l s o k e yw o r d s ：m i m o ，c h a n n e lm o d e l i n g ，c h a n n e lc a p a c i t y ，c h a n n e ls i m u l a t i o n i l i 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及 取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重庞 整虫太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谢 意。 学位论文作者签名： 3 , j 兹 签字日期：一印年月l e t 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重庆鲣皇太堂有关保留、使用学位论 文的规定，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， 允许论文被查阅和借阅。本人授权 重废噬电太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，可以采用影印、缩印或扫描等 复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：孑u 砖 导师签名： 舟，毒 签字e t 期：。l ，7年f 月f e t签字f t 期：细7 年z 月1 0 日 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 下一代无线通信系统所追求的目标就是任何人，任何时候可以与任何 地方的任何人进行通信，并要求能以更低成本提供高达上百兆b i t s s 的多 媒体数据通信速率，显然必须开发高频谱效率的无线传输方案才可能实现 此目标。而随着无线通信技术的快速发展，频谱资源的严重不足己经日益 成为遏制无线通信事业的瓶颈。所以如何充分开发利用有限的频谱资源， 提高频谱利用率，是当前通信界研究的热点课题之一。追求尽可能高的频 谱利用率己成为并且在今后仍然是一个充满挑战的问题。这种挑战促使人 们努力开发高效的编码，调制及信号处理技术来提高无线频率的效率。 m i m o 技术被认为是第三代和未来移动通信与个人通信系统实现高速率数 据传输，提高传输质量的重要途径。多输入多输出( m i m o ) 天线技术正 适应未来无线通信技术发展的要求，近年来得到迅猛的发展。m i m o 技 术是指在发射端通过多个发射天线传送信号，在接收端使用多个接收天 线接收信号的无线通信技术，目前理论已经证明应用m i m o 技术能极大地 提高无线通信系统的性能和容量【l l 。 1 2m i m 0 信道建模的研究背景 随着移动通信的普及和广泛应用，加上i n t e r n e t 的无线接入需求，用 户要求对大幅度地提高无线通信速率的愿望变得越来越强烈，因此必须设 法突破上述传统无线通信系统的容量界限。在传统的无线系统中，根据 c e s h a n n o n 给出的信道容量公式，c = w l o g ，0 + s n ) ，增加信噪比可以 提高频谱的使用效率，信噪比每增加3 d b ，信道容量每秒每赫兹增加l 比 特。对于单用户方案，信噪比主要跟系统热噪声有关，而系统热噪声在通 信期间基本保持不变，如果增大发射端的发射功率，接收端的信噪比便随 之增加，然而，不仅是因为人的健康原因不推荐使用这种方法，而且还因 为要设计一个功率放大器能在很宽的线性范围内和很高的发射功率上工 作，是件很困难的事情，而且当发射功率很高时，器件的散热也成问题。 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 在蜂窝( 多用户) 方案中，由于来自其他用户的干扰电平通常高于系统的 热噪声，所以在这种情况下增大发射功率似乎对增加信道容量没有太大的 帮助。 提高频谱使用效率的另一种方法是使用分集技术。如果发射端使用单 天线，接收端使用多天线，这种分集通常称为接收分集，也称之为单输入 多输出( s i m o s i n g l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t ) 系统，采用最佳合并的接收 分集技术通常能改善接收端的s n r ，从而提高信道的容量和频谱的使用效 率。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 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， 如果发射端不知道信道的状态信息，无法在多发射天线中采用波束形成技 术和自适应分配发射功率，信道容量的提高不是很多。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，即在无线链路的两端都使用多天线，e t e l a t a r 和j f o s h i n 分别证明了m i m 0 系统与s i m o 和m i s o 系统相比，可 以取得巨大的信道容量，该信道容量突破了传统的单输入单输出信道容量 的瓶颈，是c e s h a n n o n 信道容量的推广。与目前已实现的信道容量相比， 有望提高几个数量级。 从理论上可以证明，如果在发射端和接收端同时使用多天线，那么这 种m i m o 系统的内在信道并行性必然在提高整个系统容量的同时，提高系 统性能。如果接收端可以准确地估计信道信息，并保证不同发射一一接收 天线对之间的衰落相互独立，对于一个拥有n 个发射天线和m 个接收天线 的系统，能达到的信道容量随着m i n ( n ，牌) 的增加而线性增加。也就是说， 在其他条件都相同的前提下，多天线系统的容量是单天线系统的r a i n ( r a m ) 倍。因此，多天线信道容量理论的提出无疑给解决高速无线通信问题开辟 了一条新的思路。 因此无线m i m o 技术在第三代( 3 0 ) 乃至三代以后的移动通信系统 中有着广阔的应用前景。目前，无线m i m o 技术己成为了无线通信领域的 一大研究热点。租略地说，使用m i m o 技术的好处在于能创建多个并行的 正交子信道、能综合使用发射分集和接收分集技术、能较大地增加天线的 增益等等。 1 2 1m i 粕技术的发展史和研究方向 多输入多输出( m 1 m o ) 系统在发射端和接收端都采用多个天线，有 效地开发了系统对空间维的利用，从而在不增加发射功率和带宽的前提下 2 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 提高了系统容量，使之成为频谱效率很高的传输技术。 m i m o 技术最早是由马克尼( m a r c o n i ) 于1 9 0 8 年提出的，它利用多 天线来抑制信道衰落。研究发现，多幅通信构成的接收阵列可以有效地克 服无线蜂窝系统中的共道干扰。在二战期间和战后，天线阵列的使用是雷 达系统中积极研究的领域。到了2 0 世纪7 0 年代，由于军事上的原因，数 字信号处理技术得到了快速发展，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 作则是在9 0 年代由a t & tb e l l 实验室学者完成的。 由于m i m o 技术在提高无线通信系统容量及频谱利用率上的巨大潜 力，人们普遍认为该技术是新一代无线通信系统必须采用的关键技术之 一，因此它一经提出，就得到了广泛的关注。1 9 9 5 年，t e l a t a r 发表了一篇 关于m i m o 研究的重要文章【2 l ，他在文中给出了在衰落情况下多输入多输 出系统的信道容量，通过研究表明，m i m o 技术可以大大提高系统的信道 容量；1 9 9 6 年，f o s h i n i a 给出了一种多输入多输出处理算法一一对角贝尔 实验室分层空时( d b l a s t d i a g o n a lb l a s t ) 算法p j ；1 9 9 8 年，f o s h i n i a 又与w o l n i a n s k y 等人一起提出了实现更为简单的垂直贝尔实验室分层空 时( vb l a s t v e r t i c a lb l a s t ) 算法 4 1 ，并采用vb 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 t s h 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。 1 9 9 8 年，a l a m o u t i 首先提出了一种发射分集实现方案：在发送端，信 号经过简单的编码映射，然后经过n 副天线同时发送，在接收端已准确知 道信道传输特性的情况下，采用一些简单的信号处理技术，即可获得与n 副天线接收分集相同的特性。a l a m o u t i 的工作表明，m i m o 通信系统采用 适当的编码技术，可以有效提高系统的传输质量。随后，t a r o k h 5 1 等人在 a l a m o u t i 关于发射分集研究工作的基础上，将这种发射分集技术结合正交 编码，提出了空时分组编码技术( s t b c s p a c et i m eb l o c kc o d i n g ) 。这 种编码方式的优点是编译码较为简单，但是由于正交性的要求，其码率是 受限的，如在天线数大于2 时，这种码的码率是小于i 的( 满速率的编码 仅在天线数为2 时存在，此时即为a l a m o u t i 码) ，但是这种码没有编码增 益。将发射分集和格状编码调制( t c mt r e l l i sc o d e dm o d l a t i o n ) 技术相结 合，就得到了空时网格编码技术( s t t c s p a c et i m et r e l l i sc o d i n g ) ，对 空时格码的译码可采用基于最大似然准则的v i t e r b i 算法，这种码可以同时 获得编码增益和分集增益，虽然它能够提供较高的频谱效率，但是其译码 复杂度却是很高的( 随着状态数的增加呈指数增长) ，实现难度较大。 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 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m i m o 系统是一个时变、非平稳多输入多 输出系统，故目前尚有大量问题需要研究。研究无线通信技术首先就要研 究无线信道。同样，m i m o 技术的研究发展总是围绕着人们对m i m o 信 道的深入研究而继续发展。在早期的m i m o 技术研究中为了简化分析，研 究者通常假设天线阵列周围存在大量散射物，且天线元间距大于半波长， 不同天线的信道衰落是不相关的，因此早期大量的研究成果在独立信道的 前提条件下完成。 随着m i m o 信道研究的发展和趋于成熟，人们发现随着m i m o 信道 相关性逐渐增强，m i m o 信道的容量将急剧下降。当信道存在相关性时， 早期部分重要m i m o 技术研究成果应用于无线通信系统中时，性能将急剧 降低甚至于不能正常工作，而在现实环境中，具有相关性或相关性强的 m i m o 信道环境大量存在。随着m i m o 技术研究的深入，人们对m i m o 信道的研究也越来越考虑接近实际信道环境的m i m o 信道模型。现在建立 在更为真实的相关性m i m o 信道模型下的m i m o 技术的研究已成为主要 研究发展方向，其中主要研究内容包括 ( 1 ) m i m 0 信道建模 从一般的相关性信道和均匀线性阵列天线配置( u l a ) 的信道建模， m i m o 信道建模的发展方向是使用更接近实际情况的各种无线通信环境， 和使用的不同天线配置( 如u l a 、均匀圆形天线阵列、均匀矩形天线阵 列等方式) ，使得m i m o 信道模型更接近真实的无线环境。 ( 2 ) m i m 0 信道的容量分析 容量分析从独立信道和一般的相关性m i m o 信道的容量分析向具体 m i m o 信道条件下使用不同发射方案的容量分析方向发展，容量分析更准 确。 ( 3 ) m i m 0 关键技术 关键技术包括各种m i m o 空时编码、信道估计、信道检测技术，及其 在各种应用环境中的相关性m i m o 信道的新方法及性能分析。 1 2 2m im 0 信道建模 在典型的无线移动通信系统中，基站位置固定而移动端处于运动之 中，其问的电磁波传播可归结为三种基本传播机制：反射、绕射与散射。 4 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 电磁波遇到与波长相对来说大的物体时会发生反射，也伴随部分透射，其 反射系数和透射系数由媒质的材料特性、入射波的极化、频率与入射角等 参数确定；电磁波传输路径被含有棱边的物体阻挡时会发生绕射，其阻挡 体表面产生的二次波会散布于整个空间，与反射现象类似，绕射传播依赖 于物体的形状以及绕射点入射波的幅、相位和极化特性；电磁波穿行包 含大量小于波长的物体的媒质时会发生散射，散射波产生于粗糙表面、小 物体或其他不规则物体，比如植被枝叶、街道指示牌、灯柱、建筑物楼梯 等都会引起散射。为研究方便，通常把这三种传播机制统称为散射传播， 它使得发射信号经多条路径到达接收端并自然叠加在一起，即多径传播。 无线移动传播环境通常是一个富有多径的散射环境，其多径传播导致 信号在不同维度上扩展：多普勒扩展( 即频域扩散，用多普勒功率谱密度 ( d p s d ) 描述) 、延迟扩展( 即时域扩散，用功率延迟分布( p d p ) 描述) 与角度扩展( 即空域扩散，用功率方位谱( p a s ) 描述) 。移动端附近的多 径散射引起的快衰落( 时间选择性衰落) 导致多普勒扩展，而多份到达接 收端的具有不同延迟与幅度的发射信号副本引起延迟扩展，它导致频率选 择性衰落，若延迟扩展大于符号周期的1 0 ，则它会引起符号间干扰( i s i ) ， 从而限制了最大符号速率。角度扩展是多径传播的又一后果，它引起空间 选择性衰落，从而信号的幅度取决于天线的空间位置。另外，由于传播媒 质的变动，无线传播信道具有很大的随机性与时变性，这给无线信道分析 与建模带来一定的难度。 传统无线信道模型是基于电磁波传播理论或实测数据的统计结果或 二者相结合后构建的，并通过大量的现场测试验证传播模型的性能：如传 播路径损耗、功率延迟分布与多普勒扩展等。 m i m o 系统的性能，在很大的程度上跟所处环境的多径信号的性质有 关，特别要受各条路径之问的相关度、时延扩展和角度扩展的影响，因此， 了解和掌握户内和户外环境中，无线m i m o 信道的特性，对实现潜在的巨 大信道容量、取得预期的性能、选择合适的系统结构和设计优良的信号处 理算法至关重要。为此除了一些必要的实际测量外，必须建立合适的信道 模型，用于预测系统的性能和评估算法的优劣。为了适应无线信道的时变 特性，不仅需要建立m i m o 信道的静态模型，还要建立特定的动态模型， 因为提出新的和更具体的信道模型，可用于分析现有的传输算法是如何影 响系统的性能的，同时为适应这些更具体的模型要求，提出一些新的算法。 传统的无线系统的传播模型已成为了标准f 们，3 g p p 已制定出了有关m i m o 的信道模型标准【7 】。 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 1 3 论文结构 本文共分五章，各章的内容安排如下： 第一章介绍了m i m o 技术的发展和研究现状，分析了m i m o 技术产生 的原因，以及由于多径信号对信道容量所带来的影响，阐明了m i m o 信道 建模对系统的容量研究具有十分重要的理论价值。 第二章介绍了目前m i m o 信道建模的三种主要的研究方法，即确定性 的空时信道模型，随机型的空时信道模型和半经验或半确定性模型。论述 了确定性的和随机的空时信道模型的主要机理，并介绍了各种模型的几种 典型模型，给出了分析结果，同时指出了这两种模型的优缺点和主要的应 用场合。 第三章对随机m i m o 信道模型的有关理论进行了较详细的研究，并参 考有关文献，基于散射体簇建模，物理概念清晰，更能反映微蜂窝和微微 蜂窝的复杂传播环境特性，考虑到收发机和散射体的运动性，将有效散射 体数日模拟为生灭随机过程，更能全面深入分析m i m o 系统性能。 第四章对m i m o 系统的信道容量进行了分析与仿真，对比了非相关 ( 独立) 衰落和相关衰落条件下m i m o 系统的信道容量，并将对前面提出 的m i m o 物理模型进行了信道容量分析，给出了其计算机仿真分析结果。 第五章总结了本文所做工作，并探讨了进一步的研究方向。 6 重庆邮电大学硕士论文第二章m i m o 信道模型建模方法 第二章m i m o 信道模型建模方法 2 1m im 0 信道建模 一个对移动通信信道准确地描述在设计无线通信系统的时是非常重 要的。接收器的性能是非常依赖于无线信道特性的。如果有一个准确的信 道模型，靠使用这些信道特性就可以设计出达到高性能的接收算法。如此 一来，准确的建立无线信道模型是一个会影响无线通信系统性能的很重要 的问题。因此，无线信道建模很久以来已经成为一个热门的研究方向。要 获得的信道建模类型是严格的取决于所考虑的系统的类型的。例如，对于 窄带和宽带，单天线系统和多天线系统需要的信道模型是不同。早期的信 道建模工作研究了单天线系统的接收模型，建立了衰落信号的统计模型。 随着天线阵列系统的到来，新的信道特性也需要建立模型来研究。关 于物理信道特性，不同天线元之间的相关性现在已经被用不同的假设建立 了模型。这些模型在窄带系统已经广泛的被发展，其中只有信道的空域被 考虑到，然而时域部分被忽略掉了。因为高速率的数据传输需求的增长， 宽的带宽已经是必然的趋势。为了准确地建立宽带系统模型，在时域内建 模可能是更为方便的，并且例如波达时间( t o a t i m eo f a r r i v a l ) 的特性和 传播延迟在建立模型当中必须考虑。 在无线通信中，由于传播信道的复杂性，发射出去的信号在空间要经 过若干次反射、折射、散射和衍射( 绕射) ，以及受阴影效应、多径效应 和多普勒效应的影响，从而产生各种衰落和扩展，加上一些未知的干扰， 严重地妨碍信号的正确接收。在传统的单天线发送和单天线接收( 即单输 入单输出s i s o ) 的无线通信中，常用瑞利分布和莱斯分布来作为近似信道 特征的模型。当发射端和接收端之间不存在直接传播路径( n l o s ) 时， 瑞利衰落能够很好地描述信道的特性。而如果发射端和接收端之问存在直 接传播路径( l o s ) 时，则要采用莱斯分布模型来描述信道的特性，国际 上也有统一的信道模型标准。而在多天线发射和多天线接收( 即多输入多 输出m i m o ) 的通信系统中，描述信道的特性的模型要复杂的多，自t e l a t a r 和f o s c h n i n i 发表有关m i m o 系统的信道容量的文章以来，广大研究人员 就开始了对此信道特性的探索，建立了许许多多的空时信道模型。从七十 年代开始，国内外对电波传播预测的研究工作就广泛展开，并建立了很多 重庆邮电大学硕士论文 第二章m i m o 信道模型建模方法 分析模型。根据辐射源的覆盖范围，这些模型可以分为大区模型、小区模 型和微区模型。根据传播模式的性质，它们可以分为统计性模型、半确定 性模型和确定性模型。统计性模型是根据大量的测量结果统计分析后得出 的图表和公式，不需要相关环境的详细信息，但是不能提供非常精确的路 径损耗估算值。半确定性模型是基于把确定性方法用于一般的市区或室内 环境中导出的等式，有时为改善它们和实验结果的一致性，则根据实验结 果对等式进行修正，得到的等式是天线周围地区某个特性的函数。确定性 模型是对具体的现场环境直接应用电磁理论计算的方法，环境的描述从地 形地物数据库中得到。在确定性的模型中，两种有代表性的模型是双向信 道模型和射线跟踪模型，而在随机型模型中，以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等。 2 2 确定性信道模型 2 1 1 双向传播的信道播模型 之所以称双向传播信道模型是因为它包含了收发两端天线阵列的有 关信息。为了把天线和自由空间对传输信号的作用分开，在这里把信道分 为一般的无线信道和自由空问传播信道，如图2 i 所示。后者用双向信道 来描述，此信道中不含发射天线和接收天线，且信道的脉冲响应用 _ i ，( f ，f ，办) 来表示，其中f 代表时延，和办分别表示接收端的到达角和 发射端的离开角。而前者用全向信道来描述，此信道包括收发两端的天线， 信道的脉冲响应为j j l o ，f ) 。介于两者之间的信道称为单向信道，即一端包括 天线，则另一端不包括天线，包括天线的一端假定使用全向天线，另外一 端则使用方向性的天线，单向信道的脉冲响应用而( r ，f ，) 或矗( f ，f ，识) 来表 示。这样划分信道的理由主要是便于研究信道的一般特性，因为从理论上 说，如果考虑信道的一般特性，信道的表示应该与使用天线的类型无关， 因此，无论是发射天线还是接收天线，必须从信道中分离出来研究。对于 发射端和接收端配有多天线的系统来说，双向信道的描述十分有用，因为 这种描述便于精确地估计无线m l m 0 系统的实际容量。 8 重庆邮电大学硕士论文第二章m i m o 信道模型建模方法 无线信道：h ( t ，f ) 图2 1 双向传播信道的模型示意图 上述三种信道的脉冲响应：h ( t ，f ) 、h ( t ，r ，) 或 ( r ，f ，伤) 和矗( f ，纷) 之 间的关系为 矗( f ，f ，伊r ) = i h ( t ，f ，口，妒r ) g ，( 妒r ) 却r ( 2 1 ) - - i f ( f ，f r ) = i 琊，f ，) g r ( ) d ( 2 2 ) 式中g r ( 够r ) g 。( ) 分别表示发射天线和接收天线的复数增益。 在无线传输的一个链路中，双向信道模型可以简单地分成下列三个功 能模块： ( 1 ) 发射天线模块 它把信号的能量按所要求的离开角( d o d ) 进行分配，有效的d o d 是从双向信道在特定的传播条件下提供的输入方向参数中选择。 ( 2 ) 双向信道 包括发射机和接收机天线末端之间所有n 条可分辨的传播路径，每条 路径的延时为纪，复数加权因子为从日。e m ，发射端的每一个d o d 与接收 端每一个d o a 相对应，信道的脉冲响应可表示为： ， h ( r ，擘k ，伤) = h 。p 朋盯扣一f ) 盯( 妒月一矿月，) 盯( 伊r 一妒即) ( 2 3 ) f = l 一般来说，上式中的多径参数红、妒。、纷。、h , e 庸都和绝对时间有 关，这样传播过程中的一组多径分量也将发生变化变化，由 r 变成n ( t ) ， 然而考虑大多数测量方案的静态特性，一般假定这些参数不随时间变化。 ( 3 ) 接收天线模块 它的作用是从d o a 中通过系数加权组合，采集所需要的信号分量。 对于任意的天线星座，m i m o 信道的响应可以通过下式来计算： 9 重庆邮电大学硕士论文第二章m i m o 信道模型建模方法 y ( t ，瓦x r ，x r ) = 二矗( f ，f ，饰r 伤，蛾o p r ) g r ( 伤弦州“。胁p 川”。脚 ( 2 4 ) 式中为多径分量的总数，x 一和x r 为所选天线单元的位置矢量，矢量的参 考点可以任意选择，但要求选择在对应的阵列上，而 一一 一 = = ( x c o s c o s 妒+ _ y s i i l 占s i l l 伊) ( 2 5 ) 式中占代表仰角，从水平面上开始测量，考虑公式的完整性，上式是以方 位角和仰角的形式给出。 2 1 2 射线跟踪模型 计算能力的发展使得在具有传播区域详细的地图的情况下，精确的预 测无线信道成为可能。使用光学理论，比如，视波为光线，场强可以被计 算出来。这样，一些方法经常被称为射线跟踪技术。然而，射线跟踪技术 的计算经常非常复杂，而且对于给定确定场景地图的建模来说是有限的。 射线跟踪技术的主要应用在小区规划，例如在覆盖该区的平均接受功率需 要确定的情况下。 采用二维( 2 d ) 分析的理由如下： ( 1 ) m i m o 系统在大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) ，意味着此天线阵不能区分从不同 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 到一堵高墙，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 射线跟踪方法来预测。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来对待，它们的路径可以在二维 平面内来跟踪。 典型的射线跟踪方法有如下两种： ( 1 ) 发送射线分析法嘲 在发射端和在预定的方向上发送有限数量的射线，并跟踪它们，直到 落在接收机的附近。然而使用这种方法很难找到所有可能精确到达接收端 的多径分量，因为到达接收机的潜在分量也许有无数多个。利用这种分析 方法得到的无线m i m o 模型如图2 2 所示，假定发射机和接收机对称地分 1 0 重庆邮电大学硕士论文 第二章m i m o 信道模型建模方法 布在两个平行的反射面之内，发射机和接收机的之间距离为d ，两个平行 的反射面之间的距离为w 。 图2 2 发送射线分析法9 2 ) 镜象分析法【8 】 如图2 - 3 所示，假定两个实心点分别代表发射机和接收机，对称地分 布在一个走道内，走道两边的空心点代表发射机的镜象，利用几何作图法 可以很容易地得到这些镜象点，从而找到每根射线的发源点。这种方法的 优点是简单、直观，缺点是很难推广到一般的应用场合。 发射端 图2 3 镜像分析法。1 假定发射端配有m 根天线，接收端配有根天线，信道矩阵日的维数 是m x n 或n x m ，其中的元素由下式确定： 重庆邮电大学硕士论文第二章m i m o 信道模型建模方法 j ，t = p - x ， 2 万j 万i ls i n c 蟊， + e x p 2 ：筹s i n r 办，一， 。：。， 2 荨。e x p p 扣嗽+ k s i n ( 妒r 驯 上式中p 代表多径分量的标号索引，可能为无穷大，妒n ，表示接收 端相对于天线阵列的法线方向的到达角，乞表示路径的传播系数( 一般为 复数) ，表示天线阵列单元之间的间隔，a 为波长。e 。必须满足归一化 条件： ：。陬1 2 = m 2 3 随机m im 0 信道模型 ( 2 7 ) 同样基于光学理论的数量巨大的经验信道模型也发展起来，其中两个 最著名的例子是o k u m u r a 和h a r a 模型。在这种情况下不是建立地区的详 细模型，而是通过一些数量的参数，使瑞利的简化模型适用于测量数据。 这种类型建模典型的例子适用于信号经过光滑或者不规则的地形传播，经 过屋顶的衍射的情况。这些模型同样主要被用于小区规划当中。 这类模型一般使用高度简化的物理原理，从而实现一个对无线信道的 统计描述。尽管在某些情况下，这些统计模型可以通过将统计模型适用于 测量的数据来实现。这些模型经常用于模拟信道数据，并且在设计最佳接 收器的时候经常作为开始研究的方法。 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遭受的损害，大致可分为两大 类：即衰落和扩展。衰落是指无线信号所经受的传播损耗，表现为接收信 号的电平在时间、空间或频率的某个区域内围绕平均值起伏变化。而信道 扩展是指携带信息的信号能量在时间、空问或频率轴上的扩散。信道衰落 可以分为两类：慢衰落，快衰落和块衰落。 慢衰落也称为准( 拟) 静态衰落，是由建筑物的长时间的阴影效应或 山区的自然特征所引起，它也可以看成是快速衰落信号的局部平均值，这 个平均值的统计分布经过实验研究，证明它要受到天线的高度、工作频率 1 2 重庆邮电大学硕士论文第二章m i m o 信道模型建模方法 和周围环境的影响，一般很难预测。但是通过观察发现当上述参数固定时， 接收信号的起伏变化接近对数正态分布。在仿真信道的慢衰落时，一般是 在数据传输之前选择好某个随机的信道矩阵，一经选定，在整个数据传输 期间始终保持不变。 无线信号的多径传播使得接收信号的随机相位变化极为迅速，它们时 而增强信号，时而消弱信号，导致了信号的快速衰落，而且这些随机相位 一般由路径的长度和载波的频率决定。如果假定这些相位在 o 2 万】区间内 服从均匀分布，那么可以证明在接收机处的垂直电场的同相分量和正交分 量服从高斯分布，而它的包络服从瑞利分布。如果存在一条直接传播路径， 这个包络就不再是瑞利分布，而变成了莱斯分布。在仿真信道的快衰落时， 一般假定在一个符号传输期问，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，这种衰落称之为块衰 落。 信道扩展可以分类为，多普勒扩展，时延扩展和角度扩展。 当移动台在运动时，接收端的无线信号在频率域要产生一个偏移( 也 称多普勒频移) ，其大小取决于电波到达的路径方向。在接收机周围的多 个方向上存在散射体时，一个单音扩展为一个有限带宽的频