（信号与信息处理专业论文）基于80211n的mimo信道建模研究.pdf

基于8 0 2 1 1 n 的m i m o 信道建模研究 摘要 未来的移动通信和下一代无线局域网系统需要提供极高的数据 速率，在有限的频谱下提供尽可能高的传输速率，这就对采用更高频 谱利用率技术提出了要求。 信息论已经证明，当天线接收的信号之间不相关时，m i m 0 系统 能够很好地提高系统的抗衰落和噪声性能，可以随着天线数目的增加 而线性增大信道容量，具有极高的频谱利用率。在功率带宽受限的无 线信道中，m i m 0 技术是实现高数据速率、提高系统容量、提高传输 质量的空间分集技术。实际上，下一代无线局域网将要采用的 m i m 0 0 f d m 与各种空时处理相结合的技术，就是在保证通信可靠 性的基础上提高了吞吐量。 由于天线间隔有限，它们之间必然存在相关性，因此为了更好的 研究m i m o 技术，就必须研究m i m 0 信道的特性，特别是空间特性。 研究表明：影响天线之间相关性的主要因素包括天线间隔、a o a 、 a o d 、a s 、p a s 等；天线之间的相关性对无线链路性能影响较大。 本文主要研究了下一代无线局域网m i m 0 信道模型，该模型除 了能反映信道的衰落和时延扩展特性外，而且能够反映室内m i m o 无线链路之间的空间相关特性；通过仿真测试验证其与实际室内传输 环境相符。在此基础上将其应用于t g ns y n c 物理层仿真系统，比较 了不同信道条件下，选取不同天线配置、数据流以及空时处理情况下 的p e r 性能，分析了如何在保证系统可靠性的前提下，尽可能地提 高数据吞吐量和提升系统性能，得出了一些参考结论。 关键词：m i m o 信道建模w l a n 天线阵空间相关空时码 r e s e a r c h0 fm i m 0r a d i oc h a n n e l b a s e d0 ni e e e8 0 2 1 1 n a b s t r a c t i no r d e rt os u p p l ym o r et i m e sd a t ar a t e su n d e rl i m i t e ds p e c t m mi n f u t u r em o b i l ec o m m u n i c a t i o n s y s t e m ，m a n yp e o p l e c o n s i d e ro t h e r e f l f e c t i v e t e c h n 0 1 0 9 i e s w h i c hc a nu t i l i z e p o w e r a n d s p e c t m mm o r e e m c i e n t l ya sc r u c i a l t e c h n 0 1 0 9 i e si np h y s i c a l l a y e r t h et h e o r yo fi n f o r m a t i o np r o v e dt h a tm i m 0c a ng r e a t l yi m p r o v e c 印a c i t yo fr e s i s t i n gf a d i n ga n dn o i s e ，a n da c q u i r ev e r yl a r g ec 印a c i t y w h e nc o r r e l a t i o nc o e f h c i e n tb e t w e e nd i f r e r e n ta n t e n n a si sz e r o i np o w e r l i m i t e dw i r e l e s sc h a n n e l ，m i m 0i sad i v e r s i t yt e c h n o l o g yt h a tc a nr e a l i z e h i g h e r d a t a r a t e s ， i n c r e a s e s y s t e mc a p a c i t y a n d i m p r o v e t h e c o m m u n i c a t i o nq u a l i t y i nf a c t ，t h en e x tg e n e r a t i o nw l a nw h i c ha d o p t m i m 0 一o f d mw i t hd i 虢r e n ts p a c e n m et e c h n o l o g yw i l li n c r e a s ed a t a r a t e sa n di m p r o v es p e c t m me 伍c i e n c y g r e a t l y o nt h ec o n d i t i o no f a v a i l a b l ec o m m u n i c a t i o n b e c a u s eo fv e r y1 i m i t e dd i s t a n c eb e t w e e na n t e n n a s ，t h e r ee x i s t s c o r r e l a t i o nb e t w e e na n t e n n a s i no r d e rt om e a s u r em o r ep r e c i s e l yl i n k c a p a c i t ya n dm a k et h eb e s to fm i m o ，m i m 0c h a n n e lm o d e l i n gw i t h c o r r e l a t i o ni sv e r yn e c e s s a r y t h er e s e a r c hr e s u l ts h o w st h a tf a c t o r sw h i c h i n n u e n c ec o r r e l a t i o nb e t w e e na n t e n n a sist h es e d a r a t i o nb e t w e e n a n t e n n a s ，a o a ，a o d ，a s ，p a s ，e t c t h ec o r r e l a t i o nb e t w e e na n t e n n a sh a s m u c he f f e c to nl i n kl e v e lp e r f o r m a n c e i nt h i s p a p e r ，t h ea u t h o rh a sa n a l y z e dt h en e x tg e n e r a t i o nw l a n m i m or a d i oc h a n n e lm o d e l t h i sm o d e ld e s c r i b e dt h es p a t i a lc o r r e l a t i o n b e t w e e nt h ep a t h si ni n d o o rm i m oc h a n n e l ，a sw e l la sf a s tf a d i n ga n d t i m ed i s p e r s i o n ，t h e nt e s t e dt h em i m 0c h a n n e lm o d e la n da p p l y e di tt o t g ns y n cp r o j e c to nd i f f e r e n tc o n d i t i o n so f c h a n n e l t y p e ，a n t e n n a s p a c i n g ，a n t e n n an u m b e r ，s p a t i a ls t r e a mn u m b e ra n ds p a c e t i m et e c h n o l o g y ，c o m p a r e dt h e i rp e rp e r f o r m a n c ea n df i n a l l yd r a w nac o n c l u s i o no f p h yp e r f o m a n c es u c c e s s m l l y t h i sp 叩e rc a nb ear e f e r e n c ef o rf u i r t h e r s t u d yo f 8 0 2 1 1 n k e yw o r ds ：m i m oc h a n n e l m o d e l i n gw l a na n t e n n aa r r a y s s p a t i a lc o r r e l a t i o ns p a c e t i m ec o d i n g 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 何贡献均已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：盘堡盔 日期：垫厶! ! 止 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一年解密后适用本授权书。 非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期：塑! 丛皇! 芏 日期：竺垒! ：竺 北京邮电大学硕士研究生学位论文 基于8 0 2 1 l n 的m i m o 信道建模研究 第一章绪论 近年来，移动通信和因特网飞速发展，在第三代蜂窝移动通信中已经部分地 引入了无线因特网和多媒体数据业务。而在未来的移动通信系统中，人们对传输 速率提出了更高的要求，这就需要采用更先进的技术来实现更高的传输速率。然 而频谱资源总是有限的，要支持高速率就要开发具有极高频谱利用率的无线通信 技术。最近的研究表明，多人多出m i m o 技术可以显著提高无线系统的频谱利 用率。实验室研究证明，采用m i m o 技术在室内传播环境下的频谱效率可以达 到2 0 4 0 b i t s 僧z ；而使用传统无线通信技术在移动蜂窝中的频谱效率仅为 1 5 b i t s h z ，在点到点的固定微波系统中也只有1 0 1 2 b i t s h z 。m i m o 技术作为 提高数据传输速率的重要手段得到人们越来越多的关注，已经被认为是新一代无 线传输系统的关键技术之一。 其实，早在1 9 0 8 年马可尼就提出用m i m o 方式来抵抗无线信道的衰落。贝 尔实验室的e t e l a t a r 和g j f o s c h i n i 分别独立地在他们各自的论文中论证了理 论上的m i m o 信道的香农容量。他们指出，使用m 信道矩阵描述m 副发射 天线和副接收天线系统的无线信道，如果m 信道矩阵的元素间具有理想的 独立衰落，系统容量将会随发射方和接收方天线数中最小一方的天线数 m i n 【，m 】的增加而线性增加。同时，f o s c h i n i 还开发了用于m i m o 系统的实际 发射接收算法，这就是著名的贝尔实验室分层空时码( b l a s t ) 算法睢1 。后来另外 一个突破性的方案，即空时编码的思想由a t & t 实验室提出，它可以提高m i m o 系统的分集增益，因而吸引了大量的研发人员进行更深入的研究。 m i m o 的研究方向主要包括：信道模型和容量的分析、空时编码技术以及 m i m o 和o f d m 技术的结合。其中对m i m o 信道的研究、建模和仿真是研究 m i m o 系统性能的基础和关键，同时也是该论文的出发点。 1 1m i m o 技术的研究背景 1 1 1m i m o 技术的原理 m i m o ( 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 ) 系统就是利用多天线来抑制信道衰 落。根据收发两端天线数量，相对于普通的s i s o ( s i n g l e - i n p u ts i n g l e - 0 u t p u t ) 系统， m i m o 还可以包括s i m o ( s i n g l e - i 印u tm u l t i p l e o u t p u t ) 系统和m i s o ( m u l t i p l e i 印ms i n g l e o u t l ) m ) 系统。 北京邮电大学硕士研究生学位论文 基于8 0 2 1 l n 的m l m o 信道建模研究 簦通常，多径要引起衰落，因而被视为有害因素。然而研究结果表明，对于 m i m o 系统来说，多径可以作为一个有利因素加以利用。m i m o 系统在发射端 和接收端均采用多天线和多通道，m i m 0 的多人多出是针对多径无线信道来说 的。图1 1 所示为m i m o 系统的原理图。传输信息流s ( f ) 经过空时编码形成m 个 信息子流s ) ，f _ l ，m 。这m 个子流由m 个天线发射出去，经空间信道后 油个接收天线接收。多天线接收机利用先进的空时译码处理能够分开并译码 这些数据子流，从而实现最佳的处理。 1 l r 7i 一1 _ 空时 编码 ，一| | _ y - ( r ) i 广一1 蒸嫠1o ： 嘉慧p媒质 了 解码 ，州，) l 图卜1m i m 0 系统原理图 特别地，这m 个子流同时发送到信道，各发射信号占用同一频带，因而并未 增加带宽。若各发射接收天线间的信道响应独立，则多人多出系统可以创造多个 并行空间信道。通过这些并行空间信道独立地传输信息，数据率必然可以提高。 m i m o 将多径无线信道与发射、接收视为一个整体进行优化，从而实现高的 通信容量和频谱利用率。这是一种近于最优的空时域联合的分集和干扰对消处 理。 对于发射天线数为m ，接收天线数为的m i m o 系统，假定信道为独立的 瑞利衰落信道，并设m 、很大，则信道容量c 近似为 c = 【曲n ( m ，) 】b z d 9 2 ( p 彪) ( 1 1 ) 其中b 为信号带宽，p 为接收端平均信噪比，m i n ( m ，) 为m ，的较小者。 式( 1 - 1 ) 表明，功率和带宽固定时，多人多出系统的容量上限随最小天线数的增加 而线性增加。而在同样条件下，在接收端或发射端采用多天线阵列的普通智能天 线系统，其容量仅随天线数的对数增加而增加。相对而言，多人多出对于提高无 谶通信系统的容量具有极大的潜力。 利用m i m o 技术可以提高信道的容量，同时也可以提高信道的可靠性，降低 误码率。目前m i m o 技术领域另一个研究热点是空时编码。常见的空时码有空 时块码、空时格码。空时码的主要思想是利用空间和时间上的编码实现一定的空 间分集和时间分集，从而降低信道误码率。 警b l a s t 技术是移动通信方面领先的m i m 0 应用技术，是其智能天线的进一 北京邮电大学硕士研究生学位论文 基于8 0 2 1 1 n 的m i m o 信道建模研究 步发展。b l a s t 技术就是利用每对发送和接收天线上信号特有的“空间标识”， 接收端对其进行“恢复”。用b l a s t 技术，如同在原有频段上建立了多个互不 干扰、并行的子信道，并利用先进的多用户检测技术，同时准确高效地传送用户 数据，其结果是极大提高前向和反向链路容量。理论研究证明，采用b l a s t 技 术，系统频谱效率可以随天线个数线性增长。 无线局域网是计算机网络与无线通信技术相结合的产物。它利用射频技术， 取代旧式的双绞铜线构成局域网络，提供传统有线局域网的所有功能，能够根据 需要移动或变化。使得无线局域网络能利用简单的存取构架让用户透过它，为通 信的移动化，个人化和多媒体应用提供了潜在的手段，并成为宽带接入的有效手 段之一。近年来，无线局域网技术发展迅速，但无线局域网的性能、速度与传统 以太网相比还有一定距离，因此如何提高无线网络的性能和容量日益显得重要。 为此，i e e e 已经成立工作小组，以制定一项新的高速无线局域网标准8 0 2 1 1 n 。 8 0 2 1l n 工作小组是由高吞吐量研究小组发展而来的，计划将w l a n 的传输速率 从8 0 2 1 1 a 和8 0 2 1 1 9 的5 4 m b p s 增加至1 0 8 m b p s 以上，最高速率可达3 2 0 m b p s ， 成为8 0 2 1 1 b 、8 0 2 1 1 a 、8 0 2 1 l g 之后的另一场重头戏。和以往的8 0 2 1 1 标准不 同，8 0 2 “n 协议为双频工作模式，从而保障了与以往的标准兼容。 随着无线通信技术的飞速发展，人们对无线局域网性能和数据速率的要求也 越来越高。理论上来说，作为高速无线局域网核心的o f d m 技术，只要适当选 择各载波的带宽和采用纠错编码技术，多径衰落对系统的影响可以完全被消除。 因此如果没有功率和带宽的限制，我们可以用o f d m 技术实现任何传输速率。 而其它技术就不具备这种特性，因为采用其它技术时，当数据速率最终增加到某 一数值时信道的频率选择性衰落会占据主导地位，此时无论怎样增加发射功率也 无济于事，这正是o f d m 技术适用于高速无线局域网的原因；但从实际上来说， 为了进一步增加系统的容量，提高系统传输速率，使用多载波调制技术的无线局 域网需要增加载波的数量，而这种方法会造成系统复杂度的增加，并增大系统的 带宽，这对今日的带宽受限和功率受限的无线局域网系统就不太适合了。而 m i m o 技术能在不增加带宽的情况下成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率， 因此将m i m o 技术与o f d m 技术相结合是适应下一代无线局域网发展要求的趋 势。研究表明，在衰落信道环境下，o f d m 系统非常适合使用m i m o 技术来提 高容量。 m i m o - 0 f d m 技术是通过在o f d m 传输系统中采用阵列天线实现空间分集， 提高了信号质量，是联合o f d m 和m i m o 而得到的一种新技术。它利用了时间、 频率和空间三种分集技术，使无线系统对噪声、干扰、多径的容限大大增加。 m i m o - o f d m 系统有m 个发送天线，r 个接收天线，在发送端和接收端各 北京邮电大学硕士研究生学位论文基于8 0 2 1 1 n 的m i m o 信道建模研究 蕊设置多重天线，可以提供空间分集效应，克服电波衰落的不良影响。这是因为安 排恰当的多副天线提供多个空间信道，不会全部同时衰落。输入的比特流经串并 变换分为多个分支，每个分支都进行o f d m 处理，即经过编码、交织、q a m 映 射、插入导频、i d f t 变换、加循环前缀等过程，再经天线发送到无线信道中； 接收端进行与发射端相反的信号处理过程，同时进行信道估计、定时、同步、 、，m i m o 检测等技术，来完全恢复原来的比特流。 l e e e 8 0 2 1 1 n 计划采用m i m o 与0 f d m 相结合，使传输速率成倍提高。另外， 天线技术及传输技术的采用使得无线局域网的传输距离大大增加，可以达到几公 里。i e e e 8 0 2 1 1 n 标准全面改进了8 0 2 1 1 标准，不仅涉及物理层标准，同时也采 用新的高性能无线传输技术提升m a c 层的性能，优化数据帧结构，提高网络的 吞吐量性能。 1 1 2 下一代无线局域网关键技术 下一代无线局域网采用了m i m o 和0 f d m 相结合的架构，主要包括以下关 键设计： ( 1 ) 发送分集：m i m o 与o f d m 调制方式相结合，对下行通路选用时延分集， 它装备简单、性能优良，又没有反馈要求。它是让第二副天线发出的信号比第一 副天线发出的延迟一段时间。发送端引用这样的时延，可使接收通路响应得到频 率选择性。如采用适当的编码和穿插，接收端可以获得空间频率分集增益，而不 需预知通路情况。 ( 2 ) 空间复用：为提高数据传输速率，可以采用空间复用技术。从两副基站天 线发送两个各自编码的数据流。这样，可以把一个传输速率相对较高数据流分割 为一组相对速率较低的数据流，分别在不同的天线对不同的数据流独立的编码、 调制和发送，同时使用相同的频率和时隙。每副天线可以通过不同独立的信道滤 波独立发送信号。接收机利用空间均衡器分离信号，然后解调、译码和解复用， 恢复出原始信号。 ( 3 ) 接收分集和干扰消除：如果基站和用户终端一侧有三副收天线，可取得接 收分集的效果。利用最大比合并( m r c ) ，将多个接收机的信号合并，得到最大 。瀚n r ，有遏止干扰的好处。但是，如有两个数据流互相干扰，或者从频率再利用 的邻近地区传来干扰，m r c 就不能起遏止作用。这时，利用最小均方误差 ( m m s e ) ，它使每一有用信号与其估计值的均方误差最小，从而使s i n r 最大。 ( 4 ) 软解码：上述m r c 和m m s e 算法生成软判决信号，供软译码器使用。软 译码和s i n r 加权组合相结合使用，可能对频率选择性信道提供3 4 d b 性能增益。 ( 5 ) 信道估计：目的在于识别每组发送天线与接收天线之间的信道冲击响应。 4 北京邮电大学硕士研究生学位论文 基于8 0 2 1 l n 的m i m o 信道建模研究 从每副天线发出的训练子载波都是相互正交的，从而能够唯一识别每副发送天线 到接收天线的信道。训练子载波在频率上的间隔要小于相干带宽，因此可以利用 内插获得训练予载波之间的信道估计值。根据信道的时延扩展，能够实现信道内 插的最优化。下行链路中，在逐帧基础上向所有用户广播发送专用信道标识时隙。 在上行链路中，由于移动台发出的业务可以构成时隙，而且信道在时隙与时隙之 间会发生变化，因此需要在每个时隙内包括训练和数据子载波。 ( 6 ) 同步：在上行和下行链路传播之前，都存在同步时隙，用于实施相位、频 率对齐，并且实施频率偏差估计。时隙可以按照以下方式构成：在偶数序号子载 波上发送数据与训练符号，而在奇数序号子载波设置为零。这样经过i f f t 变换 之后，得到的时域信号就会被重复，更加有利于信号的检测。 ( 7 ) 自适应调制和编码：为每个用户配置链路参数，可以最大限度地提高系统 容量。根据两个用户在特定位置和时间内的s i n r 统计特征，以及用户q o s 的要 求，存在多种编码与调制方案，用于在用户数据流的基础上实现最优化。下行链 路中，在使用空间复用的情况下，上述速率可以被加倍。链路适配层算法能够在 s n r 统计特性的基础上，选择使用最佳的编码模式。 1 2m i m 0 技术的研究方向 1 2 1 信道建模和信道容量 研究m i m o 技术时必须考虑信道模型。f o s c h i n i 、t e l a t a r 以及其它人发表的 论文中提出的m i m o 信道模型，都是不符合实际环境的。他们都假定天线之间 的信道互不相关，而且信道矩阵是一个满秩矩阵。实现m i m o 系统实际增益的 关键在于建立更准确的信道模型，这就必须考虑环境中无线电波的各种散射情 况。同时需要考虑的因素有：空间散射体的分布、天线的形状、天线间的距离； 接收信号的角度扩散；信道衰落的模型是r a y l e i 曲衰落还是r i c e 衰落；多径分 量；天线的极化等。综合考虑上述因素，所需要的m i m o 信道的一阶和二阶统 计特性应该与现场实测的数据尽可能地吻合。 f o s c h i n i 给出的只是在非常理想情况下的信道容量，而实际上应该考虑多径， 考虑衰落之间的相关性对信道容量的影响。经典论文中有m i m o 信道容量最初 始的一些研究结果，新模型的修订使得香农容量可以看做传播环境的函数，这样 更贴近实际m i m o 信道。 1 2 2m i m o 系统的信号处理 北京邮电大学硕士研究生学位论文基于8 0 2 1 l n 的m i m o 信道建模研究 对于实际可用的m i m o 系统，首先应考虑m i m o 信道估计，可以使用盲或 者非盲的信道估计；其次要考虑对于已知信道应如何设计最佳发送信号，尽可能 设计出适合于大多数信道模型的通用信号，还可以考虑采用针对m i m o 信道的 前向纠错编码；最后是接收端的信号处理，接收信号处理对应信号设计，如果使 用最优的发送信号方案，可以大大简化对接收信号的处理。一旦发送方案确定， 就可以确定各种接收机的结构，多数情况下需要考虑信号处理结构在性能和处理 复杂性两者之间折中。 目前针对m i m o 信道典型的发射方案可以分成两类：空间复用或者空间分集 方案。前者的目标是利用b l a s t 算法使数据速率最大，后者是利用空时编码的 思想使误码率最小。二者从不同的方面最大化地提高发送频谱利用率，将二者统 一起来或者进行折中，会是一个很好的研究方向。 对于无线信道的i s i ，一般采用时域上的均衡来抵抗多径效应。同时如何解 决m i m o 系统的多径效应也是一个很重要的问题，常用的方法一是在接收端做 均衡处理，二是与o f d m 技术结合。 当然目前的m i m o 还有很多局限性，比如存在额外的射频开销、收发天线的 体积较大等。目前需要研究的方面包括：开发适合无线网络的m i m o 链路，以 提高频谱效率、扩大小区覆盖范围、提高传输质量；设计利用m i m o 信道实现 在降低干扰和提高速率之间最优的折中算法；如何将m i m o 算法应用在由于用 户移动造成的快速时变信道中；减少附加天线所带来的干扰；基于m i m o 的物 理层和m a c 层主要功能的分析及二者之间的交互等。 1 38 0 2 1 1 n 物理层系统结构1 在前面两节介绍有关m i m o 技术原理的基础上，这一节从系统层面上简要 给出t g ns y n c 物理层架构，主要包括发射机和接收机的实现，空时处理技术和 基本技术参数。 1 3 1 发射机结构 发射端框图如图1 2 所示： 6 _ j c 一 一c 一 兰i w u 小 l g c 一 胁 一 一 胁 一 一_ 等 一一 h h n 一 一 洲 一 一 咖 蚍 二 二 |一一 0 ： 岵一 鸭 一 附 一 粥!| m m 叭 一她 i一 t a _ 量 一 = 一 l f 1 = = _ l ： _ 一 一 _ _ 北京邮电大学硕士研究生学位论文 基于8 0 2 1 1 n 的m l m o 信道建模研究 图卜2 发射机结构 数据经过卷积码编码，凿孔，串并变换后，变成s 。个数据流，然后每个数 据流分别经过频率交织，q a m 调制后，在相应位置插入导频，然后通过q 矩阵 映射到各个天线上。 数据流到天线的映射可以有三种形式：直接映射，空间扩展和波束成型。每 一种映射对应不同的q 矩阵。 直接映射时，数据流个数必须等于发射天线数琢。q 矩阵为单位矩阵，实 现数据流到天线的一一映射。 空间扩展时，虬可以小于等于。数据流通过与矩阵的前s 。列相乘实 现到各个天线的映射。形矩阵是h 琢的归一化矩阵，一般地，当= 2 和4 时，取w | a l s h 矩阵，当= 3 时，取f o u r i e r 矩阵。空间扩展中，为了消除不必 要的波束成型效应，在每个天线发射数据时可以引入循环延迟扩展c d d ，同时 c d d 可以通过引入发分集提高系统性能。矩阵对于每个子载波是相同的，时 域的循环延迟等效为频域的相移，每条天线对应于不同的相移。所以可以把c d d 等效到q 矩阵中，即q = 妒形，妒是频率独立的对角相移矩阵。 波束成型时，q 矩阵为琢虬，维，它需要利用信道信息来获得最优的结果。 例如我们采用对信道矩阵进行s v d 分解，用日伸表示实际信道对子载波七的等 效频率响应，为胀维矩阵。令= m i n n ， ，则 h ( ) = u ( s ( ) y ( ) ( 1 2 ) 其中仙) = 旃昭( ，一1 ) ，是特征值对角矩阵；u 似是维的酉矩 阵，是m x 维的酉矩阵。排列u 仕和矿仕) 的列，使q 盯。 这样，对于蚝最优的波束成型映射矩阵矿= ly 俐l 。，。 发射端的波束成型必须知道信道的信息，在8 0 2 1 1 协议中，是通过发射端通 知接收端要向其发送数据，接收端这时给发射端一个响应包，包括多个长训练序 列。发射端通过它们对此时的信道进行估计，并利用信道的互反性来估计下一时 刻的前向信道；其中还需要信道校准等技术来保证信道的互反性。这样发射端获 得信道信息之后，由特征值分解等算法得到波束成型矩阵，来开始发送数据。从 项目的出发点和仿真的可实现性考虑，我们假设信道的信息发端是已知的，发端 不需要进行复杂的信道估计，也不需要从接收端获得信道信息，直接利用假设理 想的信道估计获得的信道信息进行波束成型计算。 数据流经过q 矩阵之后，经过i f f t 变换到时域，并进行相应的插入保护间 隔，加窗操作，上变频到射频发射。 系统的信道估计是通过在发端发送h t _ l t f 来实现的，其它的功能，例如同 步，频偏估计，自动增益控制等，则通过p r e 锄b l e 的其余部分来实现。仿真中 这些功能假定为理想实现，因而我们只需要发送h t l t f 来进行信道估计，其它 北京邮电大学硕士研究生学位论文 基予8 0 2 1 l n 的m l m o 信道建模研究 誊部分均被省略。长训练序列在协议中也有明确的规定，在我们的系统中，信道估 计是针对等效信道印进行的，所以长训练序列的个数应该等于数据流数。t g n s y n c 协议中给出了频域的序列，需要经过交织，然后经过与数据相同的q 矩阵 映射到天线上，再变换到时域，加保护间隔( 与数据不同) 等等。 。1 3 2 接收机结构 接收端框图如图1 - 3 所示： i l 一 d d e “ 厂 图卜3 接收机结构 接收信号首先通过下变频变到基带，去窗和保护间隔，f f t 变换，然后进行 检测。在f f t 变换之后，我们利用接收到的长训练序列进行信道估计，得到等 效信道地的估计。 信号检测过程中，需要长训练序列提供得到的信道估计作为输入。执行信号 检测时，将检测出。，路数据流。因此只需在发端发送_ 。路长训练序列，收端 做等效信道估计就能进行信号检测。 波束成型模式中，数据传输前通过s v d 分解得到信道状态信息，用于计算 波束矩阵，也即在发端估计物理信道的状态，在我们的仿真系统中做了一些合理 的简化。信道状态信息在收端获得，发端发送长训练序列给收端，收端做实际物 理信道估计，发端使用这个结果直接用于波束成型。此后数据和长训练序列一起 发送，接着收端做第二次信道估计，不过这次是等效信道估计，结果用于检测。 注意，第一次信道估计需要陆个长训练序列，而第二次需要，个。 所谓的等效信道是指发射端。个数据流在经过q a m 调制之后到接收端 。个接收数据流经过f f t 之后，期间经过的天线映射，i f f t ，加保护间隔，加 润和实际物理信道以及接收端的去窗，去保护间隔，f f t 等数据处理的整个过程。 。，实际上，等效信道日= 印，其中h 是实际的物理信道，从发射端i f f t 之前到 接收端f f t 之后，为矩阵；q 为l 虬天线映射矩阵。等效信道日为 r ，虬维矩阵，是实际的发射端的数据流经过的整个信道。另外，由于仿真假 设发射端的波束成型是在已知信道信息的条件下进行的，所以信道估计不需要对 嫉际的物理信道h 分离出来进行估计，只需要对实际对数据流产生影响的信道 北京邮电大学硕士研究生学位论文 基于8 0 2 1 l n 的m l m o 信道建模研究 即是等效信道h 进行估计就可以了。发射端q 矩阵的不同形式在接收端的处理 并没有区别，利用信道估计进行检测的信道是它们的等效信道。 检测器利用信道估计出的日信道对接收数据进行检测。检测器的输入是默 个接收天线数据流，输出是心个检测数据流。只要满足虬的条件，传统 的检测算法，如q r 分解，迫零，m m s e 等都可以使用。而已知虬1 1 1 i n ( ，) ， 所以我们系统中的检测算法可以由多种成熟的检测算法中选择一个，仿真时选取 m m s e 算法。 检测器输出数据进行解调，解交织，并串变换，卷积码解码，即得最终输出 数据。 协议物理层引入了几种增强数据速率和无线链路层可靠性的技术，列在附录 中嘴表1 2 1 。附表2 为时域参数，实际仿真时我们选取2 0 m h z 频宽参数作为仿真 参数。 1 4 本课题的内容 论文取材于信息论教研中心8 0 2 1 1 n 物理层系统仿真项目，目的在于通过对 m i m 0 无线信道建模的理论分析和仿真，为西门子项目的物理层性能仿真提供测 试数据，结合t g n 协议的不同关键技术进行分析比较，得出性能结论。 本文的m i m 0 信道模型，不同于以往多天线理论研究中只考虑完全独立或者 完全相关的情况，它充分考虑了空间散射环境分布，精确的描述了m i m 0 信道 的空间角度、时延功率谱和多径等参数，更好的与室内无线信道环境相吻合，对 于分析各种基于m i m 0 的传输技术在无线局域网传播环境下的性能具有重要意 义。本课题着眼于理论分析与仿真相结合。前期主要完成了几种小尺度衰落信道 模型的研究；后期重点对m i m o 信道建模理论进行研究，具体实现过程中在复 杂度和准确度之间折中选取适合项目整体性能测试的信道数据，供测试和仿真使 用。 1 5 论文结构 本文围绕移动无线信道的基础理论和m i m o 信道建模展开，论文结构如下： 第一章简要介绍了m i m 0 的基本原理、研究背景以及t g n 物理层收发机结构， 为后续论文的展开做好铺垫。第二章首先介绍了移动无线信道的特点，然后针对 小尺度衰落信道的特性与建模理论展开。在介绍了衰落与多径的物理抽象和数学 模型的基础上，从空时频三个维度总结出移动多径信道的三种参数，并且对小尺 度信道做出了分类。最后，简要介绍了平坦衰落信道和频率选择性衰落信道的建 9 北京邮电大学硕士研究生学位论文基于8 0 2 l l n 的m i m o 信道建模研究 模与仿真。第三章在第二章的基础上对m i m o 信道特性和模型进行了分析，着 重对m i m o 传输环境和空间特性加以分析，为仿真和理论分析奠定基础。第四 章和第五章是本文的重点。第四章首先介绍了无线局域网的传输环境，其次描述 了8 0 2 1 1 n 的m i m o 信道模型，包括了这个模型的总体描述，一些基本假定和仿 真的基本算法；最后描述了建模和仿真的实现过程。第五章首先给出了信道的仿 真结果和分析，对该模型进行验证和测试；其次对t 9 1 1 物理层系统在不同信道 配置和空时处理技术下进行性能比较，为系统技术的选取提供参考。最后一章对 整篇论文做了概括总结，并提出了需要修正和完善的地方。 北京邮电大学硕士研究生学位论文基于8 0 2 1 l n 的m l m o 信道建模研究 第二章移动通信信道的特性与建模 移动通信的主要特点之一在于利用无线电波进行信息传输，允许通信中的用 户在一定范围内自由活动，其位置不受束缚，不过无线电波的传播特性一般都很 差。原因在于： ( 1 ) 移动通信的运行环境十分复杂，电波不仅会随着传播距离的增加而发生弥 散损耗，并且会受到地形、地物的遮掩而发生“阴影效应”，而且还存在“多径 效应”，引起电平衰落和时延扩展。 ( 2 ) 移动通信常常在快速移动中进行，这不仅会引起多普勒频移，产生随机调 频，而且会使得电波传播特性发生快速的随机起伏，严重影响通信质量。 因此，移动通信系统的性能主要受到无线移动信道的制约，移动通信系统必 须根据移动信道的特征，进行合理的设计。但是，要充分地描述信道的特性，并 准确的计算信号场强和传播损耗是很困难的。无线信道完全不像有线信道那样固 定并可预见，而是具有极度的随机性，传输信道的特性会随时随地改变，特别难 以分析。甚至移动台的速度都会对信号电平的衰落产生影响。 2 1 移动通信信道的特点 ( 1 ) 多径传播 移动信道的主要特征是多径传播。传播过程中会遇到很多建筑物、树木和起 伏的地形等，会引起能量的吸收和穿透以及电波的反射、散射及绕射等现象。 在移动传播环境中，到达移动台天线的信号通常不是单一路径来的，而是许 多路径来的众多反射波的合成。由于电波通过各个路径的距离不同，因而各个路 径来的反射波到达时间不同，相位也不同。不同相位的多径信号在接收端加，有 时同相加而加强，有时反向加而减弱。所以，接收信号的幅度会急剧变化，产生 多径衰落。 可以从时域和空域两个方面来描述和测量多径衰落。从空间，沿移动台移动 方向，接收信号的幅度随着距离变动而衰减。其中本地的反射物所引起的多径效 应呈现较快的幅度变化，其局部均值为随距离增加而起伏下降的曲线，反映了地 形起伏所引起的衰落以及空间扩散损耗。从时域，各个路径的长度不同，因而信 号到达的时间就不同。这样，如从基站发送一个脉冲信号，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。 一般来说，模拟移动系统中主要考虑多径效应所引起的接收信号幅度的变 北京邮电大学硕士研究生学位论文基于8 0 2 1 l n 的m l m o 信道建模研究 j 化。而数字移动通信系统中主要考虑多径效应所引起的脉冲信号的时延扩展。 ( 2 ) 时延扩展 多径传播时，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，路径长度不一样，则发射信号沿各个路径到 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 。台接收的信号是由许多不同时延的脉冲组成。由于移动台的移动，各个脉冲可能 4 是离散的，也可能连成一片。 ( 3 ) 相干带宽 相干带宽是指一特定频率范围，两个频率分量有很强的幅度相关性。频率间 隔大予相干带宽的两个正弦信号受信道影响不相同。如果相干带宽定义为频率相 关函数大于o 9 的某个特定带宽，则相干带宽近似为 伍蠢 ( 2 - 1 ) 式中q 代表时延扩展。 ( 4 ) 多普勒频移 当移动台在运动中通信时，接收信号频率会发生变化，称为多普勒效应，这 是任何波动过程都具有的特性。多普勒效应引起的附加频移称为多普勒频移，可 用下式表示 兀= ；c o s 口 九 ( 2 2 ) 式中，口是入射波与移动台运动方向的夹角；v 是移动台运动速度；五是波 长。 ( 5 ) 相干时间 相干时间是多普勒扩展在时域的表示，用于在时域描述信道频率扩散的时变 特性。与最大多普勒频移厶成反比，即 z 去 陋3 ， 相干时间是信道冲激响应维持不变的时间间隔的统计平均值。也即是，相干 j 。时间就是指一段时间间隔，两个到达信号有很强的幅度相关性。如果基带信号的 带宽的倒数大于信道相干时间，那么传输中基带信号可能就会发生变化，导致接 收机解码失真。若时间相关函数定义为大于0 5 ，相关时间近似为 r ：上 1 6 万z ， ( 2 4 ) 北京邮电大学硕士研究生学位论文基于8 0 2 1 l n 的m i m 0 信道建模研究 2 2 移动通信信道的分类 ( 1 ) 多径时延扩展引起的衰落类型 多径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，当 信号带宽小于相干带宽时，信号通过信道传播后各频率分量的变化具有一致性， 称为平坦衰落。在平坦衰落情况下，信道的多径结构使发送信号的频率特性在接 收机内仍然保持不变。然而，由于多径导致信道增益的起伏，使接收信号的强度 会随时间变化。经历平坦衰落的条件可概括如下 域垃 r 2 5 、 墨，是信号带宽，巨是相干带宽。 当信号带宽大于相干带宽时，信号通过信道传输后各频率分量的变化具有非 一致性，引起波形失真，成为频率选择性衰落。产生频率选择性衰落的条件是 峨 包 f 2 6 、 ( 2 ) 多普勒频移引起的衰落类型 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。多普勒扩展和相干时 间是描述信道时变特性的两个参数。 多普勒扩展是谱扩展的测量值，这个谱展宽是移动无线信道的时间变化率的 一种量度。多普勒扩展定义为一个频率范围，在此范围内接收的信号有非零多普 勒扩散，接收信号谱在( z 一无) ( z + 厶) 之间变化，其中厶是最大多普勒频移。 谱展宽依赖于厶，乃是移动台的相对移动速度、移动台运动方向、与散射波入 射方向之间夹角目的函数。 根据发送信号与信道变化快慢程度的比较，信道可分为快衰落信道和慢衰落 信道。在快衰落信道中，信道冲激响应在码符号周期内变化很快。即信道的相关 时间比发送信号的信号周期短。由于多普勒扩展引起频率扩散，从而导致信号失 真。从频域可看出，信号失真随发送信号带宽的多普勒扩展的增加而加剧。因此 信号经历快衰落的条件是 p 乃 ( 2 7 ) 当信道冲激响应得变化比要传送的信号码元周期低得多时，可以认为该信道 是慢变信道。在慢变信道中，可认为信道参数在一个或多个信号码元周期内是稳 定的。从频域上看，信道的多普勒扩展比信号的带宽小得多。所以，信号经历慢 衰落的条件是