（电磁场与微波技术专业论文）基于射线跟踪的室内b3g系统信道的研究.pdfVIP

_ t 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：无线通信与电磁兼容 作者：刘强 指导教师：张业荣 题 英文题目：as t u d yo nt h ei n d o o rc h a n n e lf o rb 3 gs y s t e mb a s e do n r a y 。t r a c i n g 主题词：m i m o 镜像法传输矩阵容量 k e y w o r d s ：m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t ，i m a g e ，t r a n s f e r m a t r i x ， c a p a c i t y 489m 4 5啪71洲y 南京邮电大学硕士研究生学位论文 摘要 摘要 在移动通信系统中，m i m o 技术是指利用多发射天线和多接收天线进行无线传输的技 术，在第三代( 3 g ) 乃至三代以后( b 3 g ) 的移动通信系统中有着广阔的应用前景。本文介绍 了b 3 g 系统的特性，以及采用的主要技术一m i m o 技术，它能利用无线传播环境中的多径 特性，极大地提高系统的容量，改善系统的性能。同时，分析了射线跟踪技术中镜象法的 基本原理。在此基础上，提出了一种研究b 3 g 系统的方法：采用镜象法结合频带分割法分 析室内b 3 g 系统特性。 本文的研究工作和贡献主要有： ( 1 ) 完成了射线跟踪m a t l a b 程序编制工作，并且进行了大量的调试工作。在此基础 上，得出了m i m o 信道的传输矩阵。 ( 2 ) 得出了子信道的幅频特性、相频特性、冲激响应、相干带宽、子信道频域自相关 性、空间相关性随接收天线阵列间距变化关系、空间相关性随发射天线阵列间距变化关系 等传播特性。 ( 3 ) 仿真了窄带容量随频点变化情况；着重分析和仿真了信噪比、天线个数、收发天 线阵列间距对宽带容量的影响；同时运用统计方法结合数值分析方法，分析了在不同的收 发天线坐标的情况下，容量的累积分布函数c d f 和概率密度函数p d f 。 关键词：m i m o 、镜象法、传输矩阵、容量 南京邮电大学硕士研究生学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t i nt h em o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ，m u l t i p l ei n p u ta n dm u l t i p l eo u t p u t ( m i m o ) i sa n e wt e c h n o l o g yw h i c hu s e sm u l t i p l et r a n s m i t t i n ga n dm u l t i p l er e c e i v i n ga n t e n n a st ot r a n s m i t s i g n a l s i tw i l lb eb r o a d l yu t i l i z e di nt h e3 ga n db 3 g m o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m s i nt h e p a p e r ，w ef i r s t l yd e s c r i b et h ec h a r a c t e r i s t i c so fb 3 gc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s a n di t sk e y t e c h n o l o g y m i m o b e c a u s eo fu s i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so fm u l t i p a t hi nw i r e l e s sp r o p a g a t i o n e n v i r o n m e n t ，t h em i m ot e c h n o l o g yc a ng r e a t l yi m p r o v et h ec a p a c i t ya n dp e r f o r m a n c eo fb 3 g s y s t e m s m o r e o v e r , t h i sp a p e rp r o p o s e san e wm e t h o do fr e s e a r c h i n gt h eb 3 gs y s t e m s ：i m a g e c o m b i n e sw i t hf r e q u e n c ys p e c t r u mi n t e r s e c t i o nm e t h o dt oa n a l y s et h ec h a r a c t e r i s t i c so fi n d o o r s y s t e mo fb 3 g t h er e s e a r c ht o p i c sa n dc o n t r i b u t i o n sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h i sp a p e rh a sc o m p l e t e dt h em a t l a bp r o g r a m m i n gw o r ko fr a y t r a c i n ga n d c a r r i e d o u tal o to fd e b u g g i n gw o r kt oe n s u r et h ev a l i d i t yo fp r o g r a m b a s e do nt h i s ，t h et r a n s f e rm a t r i x ho fm i m oc h a n n e li sd e v e l o p e d ( 2 ) t h i sp a p e rh a so b t a i n e d t h ea m p l i t u d e f r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c s ，p h a s e f r e q u e n c y c h a r a c t e r i s t i c s ，i m p u l s e r e s p o n s e ， c o h e r e n t b a n d w i d t h ， s u b c h a n n e l f r e q u e n c y 。d o m a i n s e l f - c o r r e l a t i o n ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h er e c e i v ea n t e n n a s s p a t i a l c o r r e l a t i o na n dt h e d i s t a n c e ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt r a n s m i ta n t e n n a s s p a t i a lc o r r e l a t i o na n dt h ed i s t a n c e ，a n ds o o n ( 3 ) t h i sp a p e rh a ss i m u l a t e dt h ec a p a c i t yo fn a r r o w b a n dw i t ht h ef r e q u e n c yc h a n g e s w e m a i n l ya n a l y s ea n ds i m u l a t eh o wt h es n r ，a n t e n n an u m b e ra n da n t e n n aa r r a yd i s t a n c ei m p a c t t h ec h a n n e lc a p a c i t yo fb r o a d b a n dm i m o l a s t l y ，w em a k eu s eo ft h es t a t i s t i c a lm e t h o d a n a l y z i n gt h ec a p a c i t yc u m u l a t i v e d i s t r i b u t i o nf u n c t i o n ( c d f ) a n dt h ep r o b a b i l i t yd e n s i t y f u n c t i o n ( p d f ) u n d e rt h ec o n d i t i o no fm a i n t a i n i n gt h er e l a t i v ed i s t a n c eu n c h a n g e db e t w e e nt h e t r a n s m i ta n t e n n aa n dr e c e i v ea n t e n n a s ，b u tc h a n g i n gt h ec o o r d i n a t e so ft r a n s m i ta n dr e c e i v e a n t e n n a s k e yw o r d s ：m u l t i p l ei n p u ta n dm u l t i p l eo u t p u t ，i m a g em e t h o d ，t r a n s f e rm a t r i x ，c a p a c i t y i i 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目录i i i 第一章绪论l 1 1 本文的研究背景和意义1 1 2b 3 g 技术的研究现状2 1 2 1 国内外b 3 g 研究现状与分析2 1 2 2m i m o 技术的应用4 1 2 3 存在的问题4 1 3 使用射线跟踪法研究室内b 3 g 的可行性：6 1 4 主要创新和工作：6 第二章m i m o 信道模型和特性分析一8 2 1m i m o 无线技术8 2 2m i m o 无线信道基础9 2 2 1 无线信道特点9 2 2 2m i m o 无线信道模型1 0 2 2 33 g p p 推荐的m i m o 信道模型1 2 2 2 4m i m o 无线信道的性能1 2 2 3 统计模型和确定性模型的比较1 4 2 4 本章内容小结1 4 第三章射线跟踪技术原理与分析1 5 3 1 射线跟踪技术1 5 3 2 射线跟踪法的基本原理：1 6 3 3 频带分割原理1 8 3 4 采用镜象法辅助设计的模块介绍2 0 3 4 1 电波的反射与折射2 l 3 - 4 - 2 电场强度2 2 3 4 3 时延和相对时延2 3 i i i 3 4 4 位相角2 4 3 4 5 接收功率2 4 3 4 6 信道矩阵h 一2 4 3 5 本章内容小结2 5 第四章室内b 3 g 系统信道的研究2 6 4 1 仿真环境描述2 6 4 2 射线反射次数的选择2 7 4 3 信道特性与容量分析2 7 4 3 1 单输入单输出( s i s o ) 信道的容量2 7 4 3 2 多输入单输出( m i s o ) 信道的容量2 8 4 3 3 单输入多输出( s i m o ) 信道的容量2 8 4 3 4 多输入多输出( m i m o ) 信道的容量2 9 4 3 5 互相关特性：3 0 4 4m i m o 信道特性和容量的仿真3 1 4 4 1 幅频特性、相频特性及时域冲激响应3 2 4 4 2 相干带宽和子信道频域自相关性3 3 4 4 3 信道空间相关性3 4 4 4 4 窄带容量随频点变化3 7 4 4 5s i s o 、s i m o 、m i s o 系统容量仿真结果3 7 4 4 6m i m o 信道容量随信噪比和天线个数的变化3 8 4 4 7m i m o 容量随天线间距变化情况4 0 4 4 8 累积分布函数c d f 和概率密度函数p d f 4 1 4 5 本章内容小结4 1 第五章总结4 3 5 1 论文工作总结4 3 5 2 后续工作展望4 3 致谢4 5 参考文献4 6 作者攻读硕士学位期间发表的论文j _ 5 0 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 本文的研究背景和意义 随着移动通信技术的发展，超三代( b 3 g ) 移动通信系统业已被提上商用日程。相对于 3 g 及以下移动通信系统，b 3 g 的业务速率已上升到l o o m b p s ，承载业务的带宽一般不小于 2 0 m h z 。b 3 g 中多输入多输出( m i m o ) 技术具有充分利用空间频谱，改进衰落阻抗等优势。 m i m o 系统能在每个发射和接收天线互不相关的强散射环境中获得较高的频谱利用率。相 对于3 g 及以下移动通信系统，b 3 g 无线信道变得更为复杂，计算复杂度将十分巨大，算 法稳定性差，工程中难以实现。传统的基于2 g 以下的信道模型已经难以适用，因而对于 b 3 g 无线信道模型的分析和研究，对b 3 g 迅速推广具有十分重要的意义。 多输入多输出( m i m o ) 技术在b 3 g 系统中得到了广泛关注。它不仅能够提供分集增益， 同时还可提供复用增益，在频谱资源日趋紧张的情况下，它是提高频谱效率的有效手段之 一a 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 也称为单输入和单输出( 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，对于这样的系统 c e s h a n n o n ( 1 9 1 6 2 0 0 1 ) 于1 9 4 8 年在“通信的数学理论【i 】，7 一文中提出了一个信道容量的 计算公式：c = w l o g ：( 1 + s ) ，其中w 代表信道带宽，s 代表接收端的信噪比。用 w 归一化后，得到带宽利用率：r = l o g ：( 1 + s n ) ，它确定了在有噪声的信道中，进行可 靠通信的上限速率。以后的电信工作者无论使用怎样的调制方案和信道编码方法，只能一 点点地接近它，却无法超越它，这似乎成了一个公认的、不可逾越的界限，也成了现代无 线通信的发展的一大瓶颈。 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，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， 信噪比主要跟系统的热噪声有关，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。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 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一苹绪论 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，也称之为单输入多输出( s i m o s i n g l ei n p u t m 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，也称之为多输入单输出( m i s o m u l t i p l ei n p u ts i n g l eo 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根天线，e t e l a t a 一2 1 和j f o s h i n i 3 1 分别证明了m i m o 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。因此无线m i m o 技术在第三代( 3 g ) 乃至b 3 g 的移动通信系统中有 着广阔的应用前景。 1 2b 3 g 技术的研究现状 1 2 1 国内外b 3 g 研究现状与分析 第三代移动通信的服务对象是数据率不超过2 m b p s 的业务，如话音、简单的多媒体流 等。不超过2 m b p s 的业务，在2 g h z 频段信道中的典型信道模型为m 1 2 2 5 ，接收机能分 辨的分辨的多径数目不超过6 条。基于扩频的第三代移动通信接收机，需处理这6 条径对 应的信号：包括捕获、跟踪、解扩、信道估计及解调等。工程中，这是一个很复杂的计算 过程。 超三代移动通信的业务速率远大于第三代，如1 0 0 m b p s 承载业务的带宽一般不小于 2 0 m h z ，这时信道中时域对应的多径分量十分丰富，多径数目达到3 0 条，这个数量级如 果仍然采用时域信号处理方法，则计算复杂度将十分巨大，算法稳定性差，工程中难以实 现。 针对g s m 系统总结的c o s t 2 0 7 模型，以时延功率谱模型为基础，总结了4 种典型的 地理环境下的信道特性。该模型经过大量的实验数据验证，具有高度的参考价值，被广泛 的应用于系统仿真和评估中。目前大部分需要分析3 g 以上系统的传播模型时，多是对上 述两个模型进行扩展，将其用于3 g h z 频段以上的网络。同时广泛使用的信道模型是基于 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一苹绪论 国外测试的经验模型，我国的地形地物及建筑结构存在不同的特点，大城市的建筑密集程 度和建筑结构不同欧洲城市；而农村存在多种地形分布情况，因此需要对上述传播模型进 行修正和扩展。 作为b 3 g 移动通信系统的关键技术一m i m o 其理论、性能、算法和实现的各方面均被 各国学者广泛地进行着研究。在m i m o 系统理论及性能研究方面已有批文献。这些文献 已涉及相当广泛的内容，但是由于无线移动通信m i m o 信道是一个时变、非平稳多输入多 输出系统，尚有大量问题需要研究。空时编码是m i m o 的基本问题，相关文献中已提出不 少m i m o 及空时编码编码算法。新一代无线通信系统计划采用空时处理技术，例如 i e e e 8 0 2 1 6 3 宽带固定无线接入标准的物理层把空时码作为内码，r s 码作为外码；欧洲 w i n d f l e x 项目研究空时处理用于室内6 4 1 0 0 m b i t s 的无线自适应m o d e m 。人们正在 不断地提出新的或者改进的空时编码方法，以改善m i m o 性能，减少空时编码系统复杂性， 更好地适合新代无线通信系统的要求和信道实际情况。 h o e h w a l d 提出了一种针对分段恒定衰落信道的新的信号调制方法一单式空时调制 ( u n i t a r ys p a c e t i m em o d u l a t i o n ) 。这种方法可以在不估计信道传输矩阵的条件下实现m i m o 处理。随后，他们又将该方法推广到连续衰落信道，提出微分单式空时码。b a u c h 提出了 将t u r b o 码与短空时分组码串接：n a r a y a n a n 也提出了将t u r b o 码与短空时分组码串接； l i u 基于秩理论提出了全分集与全速率空时t u r b o 码：c u i 等研究了并行级联t u r b o 空时码： s a l l a t h u r a i 等针对v - b l a s t 的问题，提出采用软对消方式实现检测的t u r r o 编码与b l a s t 结构结合的m i m o 处理方案。 为了在新代系统中实际应用m i m o 技术，就必须结合具体通信体制( 多址方式、双 工方式、调制方式、常规信道编码方式、多用户检测方式、波速形成方式等) 进行性能研 究和系统设计。近来，已有一批有关的研究结果发表。a g r a w a l 等提出了一种o f d m 与空 时码结合的m i m o 方案；g o e c k e l 等提出了用于o f d m 的多维信号集：w a n g 等研究了在 相关衰落信道情况下o f d m 空时码系统。 空时码与信道编码等处理的结合是空时研究的重要方向。l i u 和h a n z o 对空时码与信 道码的级联进行了很好的阐述。m o t o r o l a ，n o k i a ，e r i c s s o n ，贝尔，西门子，以 及华为，中兴m i m o 实验系统研究是极为重要的内容，各大公司均在研制实验系统。b e l l 实验室的b l a s t 系统是最早研制的m i m o 实验系统。该系统工作频率为1 9 g h z ，发射8 天线，接收1 2 天线，采用d b l a s t 算法。在室内实验时，发射分支长为1 0 0 符号，其中 2 0 符号用于训练，符号率为2 4 3 k s y m 2 b o l s 。8 个发射子流均用未编码的1 6 q a m ，达到了 2 5 9 b p s h z 的频谱效率。但该系统仅对窄带信号和室内环境进行了研究，对于在b 3 g 、4 g 1 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 中应用尚有相当大的距离。 1 2 2m i m o 技术的应用 目前，朗讯、松下、，金桥等公司都在积极倡导m i m o 天线系统技术的应用【4 】。在3 g p p 的高速下行链路分组接入方案( h i 曲s p e e dd o w n l i n kp a c k e ta c c e s s ，h s d p a ) 中提出了使用 m i m o 天线系统，这种系统在发送和接收方都有多一副天线，可以认为是双天线分集的进 一步扩展。另外，在3 g p p ( 第三代协作伙伴项目) 的w c d m a ( 宽带码分多址) 协议中，涉及 到了6 种分集发射方法，即空时分集发射( s p a c et i m et r a n s m i td i v e r s i t y ，s t t d ) 、时间切换 分集发射( t i m es w i t c h e dt r a n s m i td i v e r s i t y ，t s t d ) 、两种闭环分集发射模式、软切换中的 宏分集，以及站点选择分集发射( s i t es e l e c t i o nd i v e r s i t yt r a n s m i t ，s s d t ) 。宏分集是指在 c d m a ( 码分多址) 系统的软切换过程中，可以通过2 个甚至3 个基站同时向一个移动台发 射同样的信号，这是宏分集发射；同样，接收时通过相邻的基站进行分集接收( 多个基站接 收) ，即进行宏分集接收。 m i m o 技术已经广泛地应用在固定宽带无线接入领域中，采用m i m o 的主要公司是 i o s p a n wi r e l e s s 和r a z et e c h n o l o g i e s 。i o s p a n w i r e l e s s 的a i r b u r s t 系统是基于 m i m o o f d m ( 正交频分复用) 的f d d ( 频分双工) 系统。r a z et e c h n o l o g i e s 的s k y f i r 系统 也具有m i m o 接口，并且可以用波束成形控制器来升级。 1 2 3 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 系统中做出了开创性的工作以来，目前在蜂窝 无线系统、固定接入系统方面，己提出了各种实验性的m i m o 系统，尽管在这方面已取得 了较大的进展，但是还有许多实际问题需要解决，这些问题主要包括以下几个方面： 1 ) 天线的数量和间距 天线的数量和各天线之间距离是m i m o 系统设计的关键参数，如果要实现m i m o 系 统的高频谱效率，后者更为重要。在基站安装大量的天线，对周围的环境会造成一定的损 害，因此天线的数量宜限制在中等的水平，例如4 根，它们之间的距离一般选择为l o 个 波长，这个距离稍微偏大，之所以要这样选择是因为基站一般安装在较高的位置，不能保 证总是存在能使衰落去相关的本地散射体。对于终端，选择半个波长的天线间距足以保证 有相当数量的不相关衰落，因为终端一般处于本地散射物之间，而且不存在直接传播路径， 终端天线的最大数量预计为4 根，但是实际实现时，一般选择最小的数目为2 根。据计算 4 塑室堕皇奎兰望主里窒竺兰垡笙茎 墨二兰堡堡 4 根双极化天线要占据7 5 e r a 的空间，这4 根天线可以非常容易地嵌入诸如笔记本电脑的 外壳中，然而对于蜂窝手机，即使是安装2 根天线也成问题。因为手机目前的设计趋势是 把天线嵌入到机壳中，目的是为了改进外观和增加产品的吸引力，这使得天线间距要求成 为一个非常严重的问题。 2 ) 接收机的复杂性 m i m o 接收机与单天线接收机相比，复杂性明显要增加，具体表现在：由于多用户、 多天线的存在，消除空间干扰的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，复杂性要增加约2 倍。由于m i m o 接收机受周围环 境的散射影响，存在角度扩展和延时扩展，在均衡和干扰对消方面需要增加一些附加的处 理。 m i m o 信道估计也要导致复杂性的增加，因为整个信道矩阵的每一条路径延时( 在 o f d m 中为每一个时隙) ，都需要及时跟踪和更新，而不是只跟踪和更新单个系数。额 外的复杂性还来自增加的r f 链( 与r x 天线的数目相等) 和相应的基带运算单元，还有接收 机的隔离算法等。对于蜂窝手机，电池的寿命长短也跟接收的复杂性有关。 3 ) m i m o 信道模型 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 条路径之间的相关度、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，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，同时为适应这些更具体的 模型要求，是否能提出一些新的算法。传统的无线系统的传播模型己成为了标准【5 】，不过 到目前为止，i t u 还未制定相应的m i m o 信道模型标准，3 g p p 已制定出了有关m i m o 的 信道模型标准【6 】。 4 ) 信道状态信息( c s i ) 获取和利用 如何准确地获取信道的状态信息并及时地反馈给发射机是m i m o 系统设计中一个值 得深入研究的课题，信道容量实际上是信道特征模式的函数，m i m o 信道容量的实现将得 益于知道信道状态信息的发射机，因为发射端可以利用信道的状态信息或部分反馈信息依 据注水原理而不是平均分配发射功率。而且，如果已知信道的相关矩阵，还可以使信道编 码、每一支流的比特分配和放大器的功率管理做到最佳。在 7 1 0 e 讨论了各种功率分配算法， 它们能在不同的信道条件下做到最佳。 5 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 除上述因素外，还有其他一些因素也会使m i m o 系统的性能退化，例如：不正确的信道 估计、天线单元之间存在相关性、较高的多普勒频移等。 1 3 使用射线跟踪法研究室内b 3 g 的可行性 射线跟踪是一种被广泛应用于移动通信和个人通信环境( 室外宏蜂窝，街道微蜂窝和 室内微蜂窝) 中的预测无线电波传播特性的技术，按照几何光学和一致性散射理论，考虑 了电波的视距传播，反射、透射、散射和衍射，可以用来辨认出多径信道中收发之间所有 可能的射线路径。一旦所有可能的射线被辨认出后，就可以根据电波传播理论来计算每条 射线的幅度、相位、延迟和极化，然后结合天线方向图和系统带宽就可以得到到达接收点 的所有射线的相干合成结果。 选择射线跟踪( r a y t r a c i n g ) 作为b 3 g 系统m i m o 信道的仿真工具，主要是因为天线单元 的间距很近，而且b 3 g 系统研究要求必须精确知道不同天线单元上接收信号的区别。 首先对室内的情况进行仿真，选择射线跟踪算法对室内b 3 g 系统进行仿真的原因是： ( 1 ) 室外电波传播受到天气如雨、雪、云、车辆等不定因素的影响，很难仿真：而室 内电波传播主要受到建筑物结构及建筑物内家具的影响，这些影响因素在室内是确定的。 一旦知道墙、天花板、窗、家具等的结构尺寸和介电常数，从发射机到接收机的传播路径 就确定下来，射线跟踪算法能够跟踪计算每条射线( r a y ) 的传播路径损耗、延迟等。 ( 2 ) b 3 g 系统m i m o 信道的研究需要知道电波到达角度、相位、幅度以及时间延迟等 信息，以便计算信道间的相关性和通信容量，而多数统计模型的电波传播仿真是无法给出 这些信息的。 ( 3 ) 更重要的是b 3 g 系统的研究要精确的了解发射和接收天线阵单元间的信号差异， 而天线阵单元间的距离又非常小，如典型值0 5 波长。这就要求电波传播计算非常精确， 射线跟踪算法是一种精确的确定性模型，它能满足此需求。 ( 4 ) 当然理论上以所有的几何结构为边界条件，解麦克斯韦( m a x w e l l ) 方程组也能得 到精确解，但是它即便对一些简单的几何结构计算也非常复杂，对整个建筑物和相关家具 计算几乎不可能。 1 4 主要创新和工作 本文所做的主要创新和工作如下： ( 1 ) 用m a t l a b 仿真软件编程实现了射线跟踪方法、频带分割方法、m i m o 技术的程 6 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一覃绪论 序编制工作，做了大量调试工作，采集数据和分析数据。 ( 2 ) 通过信道射线跟踪程序，建立了室内b 3 g 信道模型。 ( 3 ) 利用射线跟踪法得到的传播参数，构造了m i m o 信道传输矩阵h 。 ( 4 ) 求出子信道的幅频特性、相频特性、时域冲激响应、相干带宽、子信道频域相关 性、接收天线空间相关性随距离变化关系、发射天线空间相关性随距离变化关系等传播特 性，同时分析了b 3 g 系统的窄带容量随频率的变化情况、m i s o 和s i m o 的容量比较、累 积分布函数c d f 、概率密度函数p d f 以及信噪比、天线个数、天线阵列之间的距离对宽 带信道容量的影响，并进行了仿真。 7 南京邮电人学硕士研究生学位论文 第二章m i m o 信道模型和容量分析 第二章m i m o 信道模型和特性分析 2 1m i m o 无线技术 m i m o 无线通信技术源于天线分集技术与智能天线技术，它是多入单出( m i s o ) 与单 入多出( s i m o ) 技术的结合，具有两者的特征。m i m o 系统在发端与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，因势利导，开发空 间资源，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，堪称现代通信领域的重要技术突破。m i m o 无线通信技术已不是传统 智能天线，其优势己非常规智能天线所及。智能天线采用加权选择算法驱动波束指向，通 过将能量聚集到期望方向而提到信噪比，抑制而不是利用多径传播。对于m i m o 系统，若 其副发射天线与m 副接收天线形成的无线链路mx n 信道矩阵的元素是完全独立的， 则系统的容量随最小天线数目线性增长，而不是采用智能天线下的对数增长。理论上，如 果天线的空问和成本与射频通道不受限制，m i m o 系统就能提供无限大的容量，这是空间 维度充分结合时间维度的结果，即采用空时编码的数据流利用矩阵信道而不是智能天线系 统中的向量信道传输数据。m i m o 技术利用了无线信道多径传播的固有特性：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，各对发一收天线单元间的多径衰落就趋于独立，即各对等效的发一收天线 间的无线传输信道趋于独立，即这些同频率、同时间、同信道特征码的子信道趋于相互正 交。具有副发射天线与m 副接收天线的nx m m i m o 系统，其系统框图如图2 1 所示。 发射数据流s 被分离为路子数据流，在调制与射频前端处理后以相同的频率分别经 副天线同时发射出去，经无线信道的散射传播，这些并行子流从不同路径到达接收机，由 m 副天线接收，接收机采用先进的信号处理技术对各接收信号联合处理，可恢复出原始数 据流。 丑 5 2 空数模 时模拟 编“ 转；模 。码换块 、 s n l i，i f 2丘 模模 空 拟 数时 模 转，解 i 、块 ，换： 。码 r m 图2 - 1m i m o 无线通信系统框图 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章m i m o 信道模型和容量分析 诚然，一些智能天线系统( 如基于干扰抑制的波束成型) 在直视( l o s ) 或近似直视传播 条件下的性能更优，而基于分集的智能天线在非直视环境下虽具有较好的性能，但它对多 径传播的机制在于抑制而不是利用。m i m o 无线通信系统借助多径传播建立空间并行传输 通道，采用各种空时编码方案实现发射分集与接收分集，获得相对常规无线通信系统明显 的复用增益与分集增益，其并行数据通道显著提升信道容量，这使m i m o 技术成为不断涌 现出的无线通信技术中最具有潜力的技术，开辟了实现无线通信系统高速传输的重要途 径。 2 2m i m o 无线信道基础 无线信道是移动通信的传输载体，所有的信息都在这个信道中传输。信道性能的好坏 直接决定着人们通信的质量，因此要想在比较有限的频谱资源上尽可能地高质量、大容量 传输有用信息就要求我们必须十分清楚地了解信道的特性。 2 2 1 无线信道特点 无线信道与有线信道相比有不同的特点：首先无线信道从发射机到接收机要经过空气 介质的传播，电波传播途中要经过反射、折射、散射、衍射。在接收机端有多个经过不同 传播路径到达的信号，这些经不同路径到达的信号具有不同的幅度、相位、传播延迟等。 在信号传播时，如果发射机、接收机、周围物体运动，或者周围介质发生变化，则接收信 号就会有衰落现象。无线信道对信号的影响主要有传输衰减、多径传播引起的频域选择性 衰落、时变性引起的时间选择性衰落以及角度扩展引起的空间选择性衰落。 在移动通信信道中，一般来说接收信号的功率可以表示为 p ( d ) = 竹“s ( d ) 尺( d ) ( 2 1 ) 其中d 表示移动台与基站的距离向量，| d i 表示移动台与基站之间的距离。根据式( 2 1 ) ，无 线信道对信号的影响可以分为三种： ( 1 ) 电波在自由空间内的传播损耗i d r ，也被称作大尺度衰落，其中刀一般为3 4 ； ( 2 ) 阴影衰落s ( a ) ：表示由于传播环境的地形起伏、建筑物和其它障碍物对地波的阻 塞或遮蔽而引发的衰落，被称作中等尺度衰落； ( 3 ) 多径衰落r ( d ) ：由于无线电波在空间传播会存在反射、绕射、衍射等，因此造成 9 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章m i m o 信道模型和答量分斩 信号可以经过多条路径到达接收端，而每个信号分量的时延、衰落和相位都不相同，因此 在接收端对多个信号分量叠加时，会造成同相增加，异相减小的现象，这也被称作小尺度 衰落。 此外，由于移动台的移动，还会使得无线信道呈现出时变性，其中一种具体表现就是 会出现多普勒频移。自由空间的传播损耗和阴影衰落主要影响到无线区域的覆盖，通过合 理的设计可以消除这种不利影响。 2 2 2m i m o 无线信道模型 为了设计移动通信系统或网络，了解无线信道传播特性非常重要。对m i m o 来讲除了 考虑这些传播特性外，还要重点考虑频谱使用率，它依赖于信道的统计特性。因此给出一 个比较合适的m i m o 信道模型就显得很重要。 信道模型一般按带宽分为：窄带模型和宽带模型；或者，频率平坦衰落信道模型和频 率选择性衰落信道模型。 通常室内m i m o 信号的无线传播模型可用两种传统的方法来建模，一种方法是经验模 型，另一种方法是确定性模型。 经验模型基于非常简单且容易懂的公式，它们运算非常快，只需要简单的输入，并且 公式也非常容易应用。经验模型包括数学模型、统计模型和其他一些模型。数学模型是基 于数学的公式，统计模型依赖于测量数据，其他模型是除了数学模型和统计模型之外的模 型，比如说模拟信道冲激响应和无线信道模型( s r c m ，s t o c h a s t i cr a d i oc h a n n e lm o d e l ) 模型 【1 2 1 。但是，经验模型不能提供精确的定点信息，也不能预测通信信道的宽带参数。 确定性模型遵从电磁波传播的物理理论。主要有两种方法来建模：著名的射线跟踪 ( r a y 。t r a c i n g ) 或者射线发射( r a y l a u n c h i n g ) 技术和用于麦克斯韦的时域有限差分( f d t d ， f i n i t e d i f f e r e n c et i m e d o m a l f 1 ) 方法【8 1 。目前最普遍的是利用射线跟踪射线发射技术的光学 模型。这些模型很精确，可以在固定位置使用，并且能预测宽带参数。f d t d 方法很准确， 但是它需要大量的存储空间和巨大的运算量。 m i m o 无线信道典型模型主要有基于统计数据的m i m o 信道模型和基于物理传播的 m i m o 信道模型。 基于统计数据的m i m o 典型信道模型包括：独立同分布( i i d ) 复高斯信道模型【9 , 1 0 , 1 1 , 1 2 】、 i s ts a t u r n 信道模型等。 基于物理传播的m i m o 典型信道模型包括：单环与双环及其改进的模型、扩展的 l o 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二苹m i m o 信遭模型和答重分柳 s a