（电磁场与微波技术专业论文）mimo信道仿真模型与极化特性的研究.pdf

南京邮电大学 硕士学位论文摘要 学科、专业：工学电磁场与微波技术 研究方向：电磁工程计算机辅助分析与设计 作者： 指导教师： 杜娟 薄亚明教授 题目：m i m o 信道仿真模型与极化特性的研究 英文题目：as t u d yo nt h es i m u l a t i o na n dp o l a r i z e dc h a r a c t e r i s t i c so f m i m 0c h a n n e lm o d e l s 主题词：信道模型，m i m o ，信道仿真，极化 k e y w o r d s ：c h a n n e lm o d e l ，m i m o ，c h a n n e ls i m u l a t i o n ，p o l a r i z a t i o n 南京邮电大学硕：l 研究生学位论文 摘要 摘要 无线m i m o 技术具有高速率、低成本和高频谱效率的技术特性，是下一代移动通信的 主要技术之。对无线m i m o 衰落信道的建模方法和仿真技术进行研究，建立科学描述无 线信道特点的信道模型，是对m i m o 技术进行理论分析和实际应用的基础。 论文在无线信道基本理论和信道建模理论的基础上，针对m i m o 信道建模和m i m o 建模中极化特性这一课题进行了研究，所做的主要贡献如下： l 、在二维双极化s c m 模型和三维双极化s c m 模型的基础上，针对非频率选择性衰 落的m i m 0 移动信道，提出一种共点放置的三极化天线结构的三维三级化模型，并推导了 信道系数表达式。在此模型中，综合考虑基站端和移动台端的多普勒扩展，信号离开角 ( a o d ) 和到达角( a o a ) 的三维特性，以及俯仰角分稚的特性。 2 、分析了m i m 0 建模中的极化特性，分析了交叉极化鉴别率( x p d ) 在建模中与其 它各参数之间关系，为采用多维极化天线配置的m i m o 信道的建模提供了理论分析依据。 3 、利用m a t l a b 对新的三维三极化m i m o 信道模型进行了仿真，并对时延扩展，角 度扩展，阴影衰落等参数进行了分析，通过各参数与实测值的对比，验证了模型的正确性。 关键词：信道模型，m i m o ，信道仿真，极化 a b s t r a c t w i r e l e s sm i m ot e c h n o l o g y , w i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c s o fh i g h s p e e d ，l o w 。c o s t ，a n dh i g h f r e q u e n c ye f f i c i e n c y , h a sb e c o m eo n e o ft h ei m p o r t a n tt e c h n i q u e sf o rt h en e x tg e n e r a t i o nm o b i l e c o i n l 1 u n i c a t i o n i ti sn e c e s s a r yt or e s e a r c ht h em o d e l i n ga n ds i m u l a t i o no fm i m o c h a n n e l s u n d e rs d e c i f i cc o m m u n i c a t i o ne n v i r o n m e n t sf o r t h ep e r f o r m a n c e so fm i m os y s t e m s ，t h e s c i e n t i f i cd e s c r i p t i o n so fm i m oc h a n n e lm o d e l sa r er e q u i r e db yb o t ht h e t h e o r i e s a n dt h e c o m m e r c i a la p p l i c a t i o n so ft h em i m ow i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s t h ec o n t r i b u t i o n so f t h i st h e s i si n c l u d e ： 1 at h r e e d i m e n s i o n a lt h r e e p o l a r i z e dc h a n n e lm o d e li sp r e s e n t e df o rt h en o n _ f r e q u e n c y s e l e c t i v ef a d i n gm i m oc h a n n e l i ti sb a s e do nt w o d i m e n s i o n a lt w o - p o l a r i z e dm o d e lo fs c m a n dt h r e e d i m e n s i o n a lt w o p o l a r i z e dm o d e lb yu s i n gt h ee l e v a t i o nd i s t r i b u t i o no fa r r i v a l a n d d e p a r t u r ea 1 1 9 l e s i nt h i sm o d e l ，t h ed o p p l e rs p r e a da n d t h et h r e e d i m e n s i o n a lc h a r a c t e r i s t i c so f a n g l eo fd e p a r t u r e ( a o d ) a n da n g l eo fa r r i v a l ( a o a ) a r et a k e ni n t oa c c o u n ta tb o t hb a s es t a t i o n a n dm o b i l et e n n i n a l ，a sw e l la st h en o n u n i f o r m i t yo f t h ee l e v a t i o na n g l ed i s t r i b u t i o n - 2 t h ec h a r a c t e r i s t i c so fp o l a r i z a t i o ni nm o d e l i n ga r ea n a l y z e d ，a n dt h e r e l a t i o n s h i p s b e t w e e nc r o s s p o l a rd i s c r i m i n a t i o n ( x p d ) a n do t h e rp a r a m e t e r sa r ed i s c u s s e d ，a st h eb a s e so f f o rc h a n n e lm o d e l i n go ft h em i m oc o m m u n i c a t i o nw i t hm u l t i p l ep o l a r i z a t i o na n t e n n a s 3 t h en e wt h r e e d i m e n s i o n a lt h r e e p o l a r i z e dm i m oc h a n n e lm o d e li s s i m u l a t e db y e m p l o y i n gm a t l a bp r o g r a m s t h ed e l a ys p r e a d ，a n g e l s p r e a d ，s h a d o wf a d i n ga n d o t h e r p a r 锄e t e r sa r ed i s c u s s e d s o m es i m u l a t e dr e s u l t sa r ec o m p a r e dw i t ht h et h e o r e t i c a lv a l u e s t h e g o o da g r e e m e n t ss h o wt h ev a l i d i t yo f t h em o d e lp r o p o s e di nt h i st h e s i s k e yw o r d s ：c h a n n e lm o d e l ，m i m os y s t e m ，c h a n n e ls i m u l a t i o n ，p o l a r i z a t i o n i l 南京邮电火学硕i ：研究生学位论文 目录 摘要 a b s t r a c t 目录 第一章绪论 1 1 历史与背景 1 1 1 无线移动通信的发展概况 1 1 2 无线传输所面临的困难 1 1 3 多天线通信技术的提出与发展 1 2m i m o 无线通信技术简介3 1 2 1m i m o 发展简介3 1 2 2m i m o 系统的性能增益4 1 2 3m i m o 信道建模的必要性5 1 3 论文的主要贡献和内容安排6 1 4 本章小结7 第二章无线信道的主要特性及建模8 2 1 无线信道的主要特点8 2 2 大尺度效应及传播模型8 2 2 1 大尺度路径损耗和阴影衰落9 2 2 2 基于大尺度效应的传播模型j 9 2 3 小尺度效应及信道模型1 0 2 3 1 时延扩展、多普勒扩展和角度扩展1 0 2 3 2 基于小尺度效应的信道模型1 3 2 4 本章小结1 5 第三章m i m o 系统中无线传播特性及信道建模16 3 1m i m o 无线信道参数特点，。1 6 3 2m i m o 模型分类和典型模型1 8 3 。2 1 双向脉冲响应模型19 i i i 堕塞些生查兰堡：! ：型! 壅竺堂垡堡苎旦茎 3 2 2 随机性模型19 3 2 3 标准模型一2 3 3 3 本章小结2 4 第四章基于s c m 模型的三维三极化信道模型2 5 4 13 g p ps c m 模型基本原理2 5 4 2 三维s c m 模型2 7 4 2 1 俯仰角扩展2 7 4 2 2 模型的建立2 8 4 3m i m o 三维三极化信道模型31 4 4s c m 模型的仿真3 3 4 4 1 关键参数的产生3 3 4 4 2 仿真步骤一3 6 4 4 3 仿真结果分析一3 7 4 5 本章小结4 0 第五章m i m o 信道建模中的极化特性4 l 5 1 多极化天线应用前景4 1 5 2 极化m i m o 信道测量特性4 2 5 3 多极化m i m o 信道建模4 3 5 4 极化天线在空间建模中影响的仿真分析4 4 5 5 本章小结4 7 第六章总结和展望：4 8 致 射4 9 参考文献5 0 i v 南京邮电大学硕上研究生学位论文 第一章绪论 1 1 历史与背景 第一章绪论 1 1 1 无线移动通信的发展概况 从2 0 世纪2 0 年代，无线移动通信开始发展，第二次世界大战结束后开始建立公众移 动通信系统，经历了几个阶段： 第一代模拟频分系统( 称作1 g ) ：仅能提供语音业务，不能传输数据，受限于信号传 输带宽，各制式间无公共接口( 如a m p s t a c s ) ，只能在特定区域内实现移动通信，并且 频谱利用率低、无法适应通信的数字化趋势。 第二代数字移动通信系统( 称作2 g ) ：起于8 0 年代后期，流行于9 0 年代中后期，主 要采用时分多址( t d m a ) 或码分多址( c d m a ) 技术，虽然性能优于1 g 系统，但没有 统一的国际标准，频谱利用率较低，传输带宽仍不能满足移动通信容量的巨大要求，不能 经济的提供高速数据和多媒体业务，不能有效支持因特网业务等。 第三代移动通信系统( 称作3 g ) ：3 g 的概念在1 9 8 5 年由国际电信联盟提出，在针对 传统话音和低速率数据业务的2 g 基础上，提高了数据传输速率和通信能力，实现全球覆 盖与多媒体通信，数据传输速率可达2 m b i t s ，使全球移动通信领域发生一场巨大的变革。 与此同时，随着各种无线通信业务和宽带数据业务的不断发展，无线资源、尤其是频 谱资源变得越来越紧张，如何有效地利用相对贫乏的频谱资源提供更高质量、更高速率的 通信服务是个急需解决的难题。 1 1 2 无线传输所面临的困难 首先，相对于有线通信，无线通信中存在两个基本特征使它具有很大的挑战性f l 2 1 。第 一个是衰落，包括由于多径的叠加使信道呈现出的小尺度变化特征，以及由于路径损耗引 起的大尺度衰减和阴影效应。第二，在有线通信中，各收发对之间一般可看作独立的点对 点连接，但在无线通信中，用户间是共用空间传播，这种开放传输造成的同频相互干扰使 得无线频谱很难复用，使得不可再生的频谱资源在无线通信业务量不断膨胀的今天变得极 其紧张。 l 南京邮电大学硕二i ：研究生学位论文 第一章绪论 其次，随着无线业务规模f = 1 渐增大，传统的通信技术存在着严峻挑战：首先，随着环 保意识的增强，发射机功率将受到很大限制；其次是频谱资源的紧张，需要在有限的无线 频谱资源内，提供更高的传输速率，更稳定的性能，而且还要满足各种业务的传输要求。 为了实现上述目标，国际上普遍认为b 3 g 4 g 系统应当在1 0 0 m h z 无线频带内达到1 g b p s 的峰值速率，也就是频谱效率高达1 0 b p s h z 。由经典的香农信息论可知，传统的通信手段 根本无法获得如此高的信道容量，因此要超越经典香农理论设定的信道容量极限，必须要 有全新的理论支持。 1 1 3 多天线通信技术的提出与发展 在传统的无线通信系统中，发射端和接收端通常是各使用一根天线，这种单天线系统 也称为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，香农于1 9 4 8 年提出了一个信道容量的计 算公式：c = wl o g ：( 1 + ) ，其中代表信道带宽，剐代表接收端的信噪比，用渺归 一化后，得到带宽利用率：7 7 = l o g ：( 1 + 剐) ，确定了在噪声的信道中，进行可靠通信的 上限速率。随着移动通信用户要求大幅度地提高无线通信速率，必须设法突破上述传统无 线通信系统的容量界限。一般来说，提高移动通信的信道容量有三种方法： ( 1 ) 设置更多的基站； ( 2 ) 拓宽已使用的频带； ( 3 ) 提高频谱的使用效率。 设置更多的基站意味着增加更多的蜂窝，为此付出的代价较高；因为在毫米波段有更 宽的频带可供使用，有人建议把目前使用的频率拓展到毫米波段，但是就目前的技术的水 平来说，这样做的代价还相当昂贵；合理的选择是设法提高频率的使用效率。 移动通信中的物理信道必须要占据一定的时间、频率、功率和空间，这些资源是有限 的，并且是所有信道共享的。传统无线通信技术对时域、频域、码域信息以及发射功率资 源的利用己达到一个前所未有的高度，但仍然无法满足未来无线通信巨大的用户量以及多 样化业务，尤其是互联网多媒体通信业务的发展需求。可幸的是，空间域资源的开发为解 决上述问题提供了一条崭新的途径，而多天线技术则是开发空间域资源的最重要手段。 如果发射端使用单根天线，接收端使用多根天线，这种分集通常称为接收分集，也称 之为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。如果发射端使用多根天线，接收 端使用单根天线，这种分集通常称为发射分集，也称之为m i s o ( m u l t i p l ei n p u ts i n g l e 2 南京邮电大学硕十研究生学位论文第一章绪论 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 变成了m i m o 技术，即在无线链路的两端都使用多根天线。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。m i m o 能够充分开发空间资源，在无需增加频谱资源 和发射功率的情况下，成倍地提升通信系统的容量与可靠性【3 ，4 1 。m i m o 信道容量理论也 是信息理论的一次重大飞跃，它将经典的香农信息论扩展到更广义的m i m o 信息论，对无 线通信的系统结构、天线理论、信道理论、编译码算法等各方面产生了深远的影响，极大 地激励了各种传统通信技术向m i m o 技术的跨越式发展。 1 2m i m o 无线通信技术简介 1 2 1m i m o 发展简介 m i m o 技术实际上由来已久，早在1 9 0 8 年马可尼就提出用它来抗御多径衰落，但直 到上世纪9 0 年代中，一些新的信息论研究成果才使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【4 5 j ，理论表明：在 天线链路的衰落相互独立的条件下，m i m o 系统的信道容量会随收发天线数的增加而线性 增长，这一理论突破了传统单天线的香农信道容量限，展示了m i m o 系统具有巨大的理论 信道容量。此后，分层时空码【6 j 的提出为m i m o 实用化迈出了重要一步。现有的实验系统 已经表明，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。 m i m o 技术利用了无线信道多径传播的固有特性：在无线通信中，如果在发送端与接 收端同时采用多天线系统，只要各天线单元间距足够大，无线信道散射传播的多径分量足 够丰富，各对发收天线单元间的多径衰落就趋于独立，即各对有效的发收天线间的无线 传输信道趋于独立，这些同频率、同时间、同信道特征码的子信道趋于相互正交。 m i m o 系统组成由图1 1 所示。它在通信的接收端和发送端均使用多天线，其基本原 理是采用空时编码方式将用户的信号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，接收端用多个天线接收并解码之后再将数据子流进行合并，从而得到发送的原 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的。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，由天线链路间的衰落相关性决定， 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 系统性能的关键因素之 南京邮电大学硕l o f 究生学位论文 第一章绪论 一。所以，不雉理解对单天线系统来说是有害因素的多径传播对m i m o 系统来说反而是有 益因素。 r1 r o 空斗数o加 时 模 权 编转映 码换射 ， 、j 、 r、 斗r l 加模空 斗 权数时 映转解 射 换 码 孓 - 图1 - 1m i m o 系统组成框图 对一个，2 m 的m i m o 系统，从系统的观点，一个线性的时变的m i m o 信道表示为一 个n x m 的信道矩阵： h ( t ，f ) = h i l ( f ，f ) 向2 ( ，r ) 啊。( f ，r ) l ( f ，f )红2 ( f ，f ) l l 。( f ，r ) 吃l ( f ，r ) 2 ( ，r ) 吃。( f ，r ) 式( 1 1 ) 包括了天线( 样式，结构等) 和脉冲形状( 带宽等) 的影响，它可以用来表示 整个m i m o 输入j ( ，) 和输出y ( t ) ： y ( f ) = l h ( t ，r ) s ( t - r ) d r + ，z ( f ) ( 1 2 ) 如果信道是时不变的，信道矩阵与f 无关；如果信道进一步变成频率平坦( 窄带) ，信 道矩阵除了r = o 其余都是非0 的( h ( t ，f ) = h 6 ( r ) ) ，则式( 1 - 2 ) 变成： y ( t ) = h s ( t ) + n ( ，)( 1 3 ) 1 2 2m i m 0 系统的性能增益 概略的说，m i m o 系统主要能获得以下两方面的性能增益：空间复用增益和分集增益。 下面进行简单的介绍： l 、空间复用增益 只有在m i m o 信道下才能提取空间复用增益【t7 1 。在合适的信道条件下，空间复用技 术在相同的工作频带产生了多个并行的空间数据通道，且不需要花费额外的发射功率，可以 获得线性( 与接收天线数目和发射天线数目的最小值) 增长的传输速率。 2 、分集增益 4 南京邮电大学颁一l 二研究生学位论文 第一审绪论 无线通信中经常使用分集来抵抗衰落。所谓分集，就是为保障传输质量，发送端采取 某种方法通过相互独立的衰减信道传输同一信号的多个副本( 也称为分集分支) ，以降低 接收端无法辨识信号概率的一种技术。分集分支的个数称为分集级数。一般来说，分集技 术分为以下几种8 ，9 】： ( 1 ) 时间( 时延) 分集：在不同的时刻发送刻承载相同信息的信号，要求两个传输 时刻之间的间隔必须大于信道相关时间。结合交织的信道编码就是获取时间分集的有效方 法。在快衰落环境( 移动台快速移动时) 下这种方法特别有效。但是，在慢衰落时( 移动 台缓慢移动或者固定无线应用时) ，要想获得较大的时间分集，就需要非常大的交织深度， 不利于进行实时性要求高的服务。 ( 2 ) 频率分集：在频率不同的载波上传输承载相同信息的信号，要求两个频带之间 的间隔必须大于信道的相关带宽，以保证独立性。由于需要使用多个频率，这种方法的频 谱效率比较低，经常在频率选择性信道上应用这种方法，此时也常被称为路径分集。当多 径延迟扩展与发射符号间隔可比较时，接收信号可以被认为是多个发射信号的线性叠加， 其权重为各独立信道的衰减系数。因此，通过r a k e 接收机【lo 】在不同的时刻提取出多径分 量，就可以获得路径分集。对于频率选择性信道，这种接收机是最佳的。 ( 3 ) 天线( 空间) 分集：在实际应用中，假如两天线间隔超过发送信号波长的一半， 那么这两个天线发送或接收到的信号可以认为经过两个不相关的空间信道传输。在不相关 的空间信道传输承载相同信息的信号就称为天线分集。当系统的频谱资源不充裕时，这种 方法特别有吸引力。 时域分集技术和频域分集技术的缺点在于必须使用额外的时间或者频谱资源来引入 发射信号的冗余副本。这将导致频谱效率的损失。空域分集则没有这个缺点。m i m o 信道 下的分集技术将发射分集和接收分集结合起来。假设对应于不同的发射接收天线对的传输 信道相互独立，此时分集级数等于发射天线的数目乘以接收天线的数目。 这两种增益各有各的实现条件，有时甚至是相互抵触的，不一定能够将两者同时采用。 但是对应不同的应用环境和需求，通过选择正确传输方案，使用正确的编码设计和接收机 设计，m i m o 在提升系统性能方面是很有优势的。 1 2 3m i m o 信道建模的必要性 信道是信息传输的通道，是通信系统中发送端与接收端之间传输媒介的总称，因此， 信道特性直接影响通信系统性能。对于移动通信来说，为保证用户在自由移动中的通信， 南京邮电人学硕士研究生学位论文第一章绪论 利用无线电波作为载体进行信号传输，而无线电波在现实环境中传播会经历各种衰落和干 扰。因此，为了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，就必 须十分清楚的了解信道的特性，然后根据信道的特性采取一系列抗干扰和抗衰落措施，来 保证传输质量和传输容量方面的要求。 所以不管是移动通信技术的理论研究还是移动通信系统的分析和设计，以及移动通信 系统建立之后的性能评估和后续的升级都需要获得移动信道的特性。由于无线信道特性具 有时变性和随机性，并受多种因素的综合影响而具有很大的复杂性，因此除了必要的实测 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。为了研究m i m o 技术，需要 一个与实际环境相符合的无线m i m o 信道模型，以模拟各种实际信道状况，评估各种空时 处理算法的相对性能，仿真设计高性能的m i m o 通信系统。而原有的单天线模型不能用于 m i m o 系统，需要建立新的m i m o 信道模型。 1 3 论文的主要贡献和内容安排 论文的主要贡献有： 在二维s c m 模型和三维s c m 模型的基础上，提出了新的三维三极化m i m o 信道模 型，并推导出了信道系数表达式。新的三维三极化m i m o 信道模型综合考虑了基站端和移 动台端电波离开角和到达角的三维特性，以及俯仰角的分布特性；利用m a t l a b 对新的 信道模型进行了仿真，验证模型的正确性。 分析了m i m o 信道中极化对建模的影响，及x p d 在建模中与其它各参数之间关系； 对m i m o 建模中的极化特性进行了仿真分析。 本文的内容共分为六章。结构如下： 第一章回顾了无线移动通信和m i m o 无线通信技术的发展概况，分析了m i m o 系统 的性能增益，给出了国内外m i m o 无线通信技术的研究现状和未来发展方向，以及m i m o 信道建模的必要性。为后续论文的展开做好铺垫。 第二章介绍了无线信道的主要特点，系统分析了大尺度效应和小尺度效应的特点，介 绍了几种经典的大尺度传播模型和小尺度传播模型，为后续章节m i m o 信道建模的展开提 供了理论基础。 第三章介绍了m i m o 无线信道的参数特点，以及m i m o 系统的两种传播模型；然后 根据不同的标准对现有的m i m o 信道模型进行了分类，分别讨论了每种模型的特点和适用 范围。为后面章节的内容提供了理论基础。 6 第一章绪论 1 4 本章小结 然后在此基础上，提出 通过 本章首先回顾了无线移动通信的发展概况，针对无线传输所面临的困难，提出了多天 线通信技术，并且证实其能有效提高移动通信的信道容量，单天线技术逐步发展到多天线 技术。其次简单的介绍了m i m o 无线通信技术的概况；分析了m i m o 系统的性能增益主 要由空间复用增益和分集增益两个方面获得，尤其是当系统的频谱资源不充裕时，天线( 空 间) 分集方法特别有吸引力；分析了m i m o 信道建模的必要性。最后，给出了本文的主要 贡献和内容安排结构，以使本文脉络清晰。 7 南京邮电人学颀士研究生学位论文 筇二章无线信道的主要特性及建模 第二章无线信道的主要特性及建模 2 1 无线信道的主要特点 与有线信息传输相比，无线信道中的信号传输所经历的环境要复杂得多。有线传输环 境通常是静态( 平稳) 的、可预测的；由于信道本身的随机性，无线信道呈现出很强的时 变性。无线信道的随机性和时变性有以下几类【l l 1 2 】： ( 1 ) 电波随着传播距离的增加而发生弥撒损失，表现在大范围( 数百或数千米) 内 信号强度随距离变化的特性； ( 2 ) 阴影衰落，主要是由传播环境的地形起伏、建筑等障碍物对电波的阻塞或遮蔽 作用引起的，表现为在中等范围( 数百波长) 内信号电平中值的慢变特性，又称为慢衰落： ( 3 ) 多径衰落，由于多径传输引起的衰落。信号经过多点反射，会从多条路径到达 接收地点，多径信号的幅度、相位和到达时间都不一样，相互叠加产生电平快衰落和时延 扩展。表现为在小范围( 数个波长或数十个波长) 内接收信号场强瞬时值的变化特性。 从无线系统工程的角度，无线信道的随机性和时变性分为大尺度效应( l a r g es c a l e e f f e c t s ) 和小尺度效应( s m a l ls c a l ee f f e c t s ) 。大尺度效应主要影响无线通信的距离或者无 线区域的覆盖范围，通过合理的天线布局等设计可以消除其不利影响；而小尺度效应在数 个波长范围或极短时间内呈现快速剧烈的随机性起伏，从而严重影响信号传输质量，并且 不能通过前述的简单手段消除。 2 2 大尺度效应及传播模型 通常情况下，当接收机和发射机之间的相对位置在1 1 0 m 的范围内变化时，接收信号 功率的平均值基本保持不变，但当它们的相对位置远超过上述范围时，接收信号的平均功 率值会有几个数量级的变化。大尺度效应正是用来描述接收机和发射机之间的距离有大尺 度变化时，接收信号的平均功率值的变化规律。 南京邮电大学硕一l ：研究生学位论文第二章无线信道的主要特性及建模 2 2 1 大尺度路径损耗和阴影衰落 l 、大尺度路径损耗 对于给定的收发天线间距，大尺度路径损耗用来估算平均接收功率。通常认为平均接 收功率随收发天线间距指数递减【1 3 ，14 1 ，即： 一p l a b ( 咖p l a s ( d o ) + l o n l 。g , o ( 鲁。j p t ) 其中，n 是路径损耗指数；d o 是选定的某个参考距离；d 是收发天线的间距。 注意门依赖于不同的传播环境，特别地，刀- - 2 表示自由空间环境。卫星通信和微波视 距通信的传输环境是典型的自由传播环境。 2 、阴影衰落 当电磁波受到阻塞时，在这些障碍物后面会形成阴影区，移动用户通过不同的阴影区， 接收场强的中值将发生变化，从而形成衰落。甚至对于固定的收发天线间距，阴影效应也 会导致路径损失发生重要变化。阴影衰落的特征通常用对数正态分布的随机变量来描述【1 3 ， 14 1 。路径损失可以表示为： ( 妒瓦( m x ，= 瓦( ) + l o 舶9 1 0 其中，x 。是一个零均值的高斯分布的随机变量，标准差为盯( 单位为d b ) 。 统一考虑大尺度路径损失与阴影衰落，接收信号功率e ( d ) 可以表示为： p ( d ) = p + g ；+ g ，一尸t 旧( d ) - x 仃 ( 2 - 3 ) 其中，z 是发送功率；g f 和g ，分别为发射和接收天线增益( d b ) 。 2 2 2 基于大尺度效应的传播模型 大尺度传播模型是根据经验公式或分析方法推导出来的，借助修正因子使其满足一些 特定传播环境。它包括两大类型的模型：统计模型与物理模型。 统计模型基于大量测量数据的统计特征，只需少量运算，易于实现，对环境的几何特 征不敏感，常用于对精度要求不高的场合；物理模型根据特定的传播环境资料，如地形地 貌、物理位置、房间布置与材料特性等，通过复杂的运算得出更精确的路径损耗模型。 对于室外电波传播，可以分成两类：宏蜂窝模型和微蜂窝模型。宏蜂窝传播模型假设 传输功率可达到几十瓦特，蜂窝半径为几十公里。相比之下，微蜂窝传播模型的覆盖范围 9 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章无线信道的主要特性及建模 则小一些( 2 0 0 m 1 0 0 0 m ) 。室外电波传播通常采用经验模型预测路径损耗：如l o n g l e y r i c e 模型( 它预测在自由空间中由地形非规则性造成的中值传输衰落，该模型实用于频段为 2 0 m h z - 4 0 g h z 、路径长度为1 k m 2 0 0 0 k m 的情况) ，o k u m u r a 模型【l5 】( 它是预测前期蜂 窝系统路径损耗的最简单、精度较好的模型，其主要缺陷在于它对地形地貌的快变化响应 很慢) ，h a t a 模型【1 6 1 7 】( 适于大区制移动通信系统) ，c o s t 2 3 1 w a l f i s c h l k e g a m i 模型( 它 计及了屋脊到街道的绕射与散射以及多屏绕射损耗，己被i m t - 2 0 0 0 采纳) ，双斜率模型( 基 于双线模型，引入菲涅耳断点前后的斜率以刻画路径损耗) 等，以及一些修正模型【i 引。 对于室内电波传播，若精度要求不高，通常采用修正的对数正态阴影模型，即考虑墙 体与楼层的衰减、入射波方向以及绕射传播等影响。虽然室内覆盖区域有限，但传播特性 复杂，通常采用大尺度的传播模型。它包括：射线追踪模型 1 9 , 2 0 】，时域有限差分模型( f d t d ) 2 1 j ，矩量法模型( m o m ) ，人工神经网络模型( a n n ) 等，以及一些其他模型( 如矢量抛 物线方程模型，波导模型等) 。 2 3 小尺度效应及信道模型 所谓小尺度是描述短距离( 几个波长) 或短时间( 秒级) 内接收信号强度快速变化的。 影响小尺度效应的主要因素有多径传播，移动台的运动速度，传播环境中物体的运动，信 号的物理带宽等。 由于无线通信信道的多径、移动台的移动和不同的散射环境，使得无线信道在时问上、 频率上和角度上造成了色散。由于每条路径的幅度、相位、时延都是不同的，因此它们在 接收端迭加的结果就是总的信号呈现乘性干扰，体现于信号幅度的急剧快速变化。 2 3 1 时延扩展、多普勒扩展和角度扩展 l 、时延扩展( 频率选择性) 时延扩展和频率选择性都是由不同时延的多径信号叠加产生的，依赖于发射机、接收 机和周围环境的几何关系，二者是同时出现的，但表现形式不同。时间色散体现在时域， 频率选择性体现在频域。时间色散指的是接收一个信号的持续时间比这个信号发送时的持 续时间长，而频率选择性是指对发送的信号进行滤波，对不同频率分量的衰落幅度不一样。 在多径传播条件下，接收信号会产生时延扩展。当发送端发送一个极窄的脉冲信号时， 由于存在多条不同的传播路径，发送信号沿各个路径到达接收天线的时间就不一样，而且 传播路径又随移动台的变化而变化，因而移动台接收的信号由许多不同时延的脉冲组成。 1 0 南京邮电大学硕上研究生学位论文第二章无线信道的主要特性及建模 用来描述时延扩展的参数有平均附加时延f ，均方根时延扩展c r f 和附加时延扩展 x ( d b ) ，它们都与功率延迟分布j p ( f ) 有关： 平均附加时延于是功率延迟分布的一阶矩，定义为： 一靠 弘莳 q 4 上j r 其中，a k 为第k 条多径的衰减因子；尸( 攻) 为在时延点吒上多径衰落的相对功率。 时延扩展t 是功率延迟分布的二阶矩的平方根，定义为： q = e ( f 2 、一( ；) 2 ( 2 - 5 ) 鼽即謦：猎 在数据传输过程中，由于时延扩展，接收信号中一个码元的波形会扩展到其它码元周 期中，引起码间干扰。为了避免码间干扰，应使码元周期大于多径时延扩展，即 1 r 二 ( 2 6 ) q 相干带宽毋表示包络相关度为某一特定值时的信号带宽。当两个频率分量的频率间隔 小于相干带宽毋时，它们具有很强的幅度相关性；反之，它们幅度相关性很小。时延扩展 是由反射及散射传播路径引起的，而相干带宽目是由均方根时延扩展得出的确定关系值。 2 、多普勒扩展( 时间选择性) 时延扩展与相干带宽是用于描述本地信道时间扩散特性的两个参数，然而它们并未提 供描述信道时变特性的信息。这种时变特性或是由移动台与基站之间的相对运动引起的， 或是由信道路径中物体的运动引起的。多普勒扩展【2 2 1 和相干时问就是描述信道频率色散和 时变特性的两个参数。 当信道时变时，即信道具有时间选择性衰落，会造成信号失真，主要由于发送信号还 在传输的过程中，传输信道的特征已经发生了变化。由于移动台的移动，出现多普勒频移 现象，即频率色散，使得信道是时变的。发生频率色散时所对应的最小信号持续时间与最 大多普勒频率的幅度成反比的关系。 无线移动信道的时变性反映在衰落信号相位的随机变化，它是一种随机调频现象。在 多径环境下，收发天线间的相对运动以及传播环境中移动物体的随机运动，造成了多普勒 南京邮电大学硕上研究生学位论文第二章无线信道的主要特性及建模 频移，从而产生多普勒扩展【2 2 1 。用来描述多普勒扩展的参数有平均多普勒频移否和多普勒 扩展b d ，都与多普勒功率谱密度( d p s d ) s ( 厂) 有关。因为不同的入射角产生不同的多普 勒频移，所以所有的散射( 反射) 分量的叠加就形成了连续的多普勒功率谱密度s ( f ) 。 假定移动用户接收远场信源的信号，移动用户以速度d 运动，f 时间内移动距离为d ， 远场平面波来波方向为0 ，那么相距d 的两点产生的路程差为a l = o a t c o s 0 ，由路程差引 起的相位变化为莎= 2 z o a t c o s 8 旯，所以多普勒频率为 厶= 去等= 万0 c o s 秒 ( 2 - 7 ) 由此可见，多普勒频率与移动用户的运动速度和来波方向有关。多普勒扩展的物理意 义是：由于多普勒现象使得发送信号频谱在接收端被展宽。通常用信道的相干时间来定量 描述多普勒扩展。相干时间定义为两个时刻的冲激响应处于强相关条件下的最大时间间 隔。在相干时间内，信号经历的衰落具有很大的相关性；如果基带信号的带宽倒数大于信 道相干时间，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。 最大多普勒频移厶的倒数定义为相干时间( c o h e r e n c et i m e ) ， = ( 2 8 ) j 。 r c 表征了时变信道对信号的衰落节拍，即所谓的时间选择性。 3 、角度扩展( 空间选择性) 由于无线通信中收发天线周围的散射环境不同，使得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，即空间选择性衰落。因此，随着智能天线和m i m o 系 统引入，信道信息从原来的时间、频率信息，扩充到包含时间、频率、空间的信息，充分 利用了诸如到达角( a o a ) 之类的空间角度信息。因此，与单天线的研究不同，在多天线 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，如波到达角度和离开角度等，正是因为这些角度因素而引发了空间选择性衰 落。角度扩展和相干距离就是描述空间选择性衰落的两个主要参数。 角度扩展( a s ，a z i m u t hs p r e a d ) 是用来描述空间选择性衰落的重要参数，是由收 发天线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 ) p ( 0 1 有关。 角度扩展等于功率角度谱e ( 0 1 的二阶中心矩的平方根，即 = f ( o 一万) 2 尸( 臼) d 秒 f o op i a a 1 2 ( 2 - 9 ) 堕皇业坐奎堂塑：! 型! 窒兰堂垡堡苎笙三童垂垡笪望箜圭茎堑丝墨垄堡 其中，石：_ f s - p 一( e ) d e 。 【p ( 6 ) a e 角度扩展描述了功率潜在空间上的色散程度，根据环境的不同，其在f o ，2 7 r 1 内变化。 角度扩展越大，表明散射环境越强，信号在空间的色散度越高；反之，信号的色散度越低。 相干距离口是信道冲激响应保证一定相关度的空间间隔。相干距离除了与角度扩展有 关外，还与来波到达角有关。在天线到达角相同的情况下，角度扩展越大，不同天线接收 到的信号之间的相关性就越小；反之，天线之问的相关性就越大。同样，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。因此为了保证相邻两根天线经历 的衰落不相关，在低散射环境下的天线间隔要比在高散射环境下的天线间隔长一些。 2 3 2 基于小尺度效应的信