（系统分析与集成专业论文）信道相关性对mimo系统性能影响的研究.pdf

， ，、j 目录 摘要。i i i a b s t r a c t i v 第l 章绪论l 1 1m i m o 通信研究背景1 1 2 无线通信的主要技术。2 1 3m 1 m o 系统研究现状3 1 3 1 已取得的进展3 1 3 2 存在的问题4 1 4 本文内容和结构安排6 第2 章m i m o 系统概述及其信道模型7 2 1 无线通信信道物理特性7 2 2 信道衰落与信道扩展。8 2 2 1 传输衰减8 2 2 1 1 大尺度衰落( 慢衰溯8 2 2 1 2 小尺度衰落( 快衰摹幻8 2 2 2 时延扩展与相干带宽9 2 2 3 多普勒扩展与相干时间1 0 2 2 4 角度扩展与相关距离1 l 2 3 小尺度衰落统计分布模型ll 2 3 1 瑞利( r a y l e i g h ) 衰落1 l 2 3 2 赖斯( p a c e ) 衰落1 3 2 3 3n a k a g a m i 衰落1 4 2 4 信道模型1 4 2 4 1 非频率选择性信道模型。1 5 2 4 2 频率选择性信道模型。1 6 2 5 本章小结1 7 第3 章m i m o 系统信道容量18 3 1 信道容量研究发展史1 8 3 2 信道容量的一般性描述1 9 南京信息：l ：程大学硕士学位论文 3 2 1 遍历容量2 0 3 2 2 中断容量2 0 3 3m i m o 信道容量。2 l 3 3 1 平均功率分配的m i m o 信道容量2 l 3 3 1 1 单输入单输出( s l s o ) 信道容景2 l 3 3 1 2 多输入单输出( m i s o ) 信道容量2 2 3 3 1 3 单输入多输出( s o ) 信道容量2 2 3 3 1 4 多输入多输出( m n o ) 信道容量2 3 3 3 1 5m i m o 信道的极限容量分析2 4 3 4 本章小结2 5 第4 章m i m o 系统天线相关性。2 6 4 1m i m o 系统天线空间相关性2 6 4 1 1 均匀圆形天线阵列( u c a ) 模型2 7 4 1 2 均匀线形天线阵列( u l a ) 模型2 8 4 2 仿真结果与分析。2 9 4 - 3 本章小结3 2 第5 章天线相关性对m i m o 系统信道容量的影响。3 3 5 1m i m o 系统容量3 3 5 2 环形阵列m i m o 系统相关性模型3 5 5 3 环形阵列m i m o 系统信道容量3 7 5 4 仿真结果与分析3 8 5 5 本章小结4 l 第6 章总结与展望4 2 6 1 本文已做工作及成果4 2 6 2 下一步研究及未来方向4 2 参考文献4 4 致谢4 7 作者简介4 8 h 摘要 摘要 多输入多输出o v i i m o ) 技术是在通信系统的收发两端放置多根天线的一种通信技术，是 近年来无线通信领域理论研究的一个重大突破。该技术能在不增加系统带宽和发射功率的 前提下大大增加系统容量、提高系统频带利用率、改善系统的性能，从而成为新一代高数 据率、多数据类型无线通信系统的关键技术。 本文首先介绍了m i m o 通信的研究背景和基本概念，并与其他新技术做比较以突出研 究的必要性和必然性。然后，详细阐述了在m i m o 无线通信领域正受到关注的和仍有待解 决的基本问题，指出了本文的研究方向。 然后给出了m i m o 系统中使用均匀圆型天线阵列( u c a ) 和均匀线型天线阵列( a ) 的 基于统计的多径矢量信道模型，推导了各模型下的天线空间相关性精确与近似表达式，通 过模拟仿真验证了角能量分布的标准差或角扩展是决定相关性的主要因素，在标准差为1 0 。 或更小时，近似公式近似效果很理想，可替代精确分析，并可减少7 4 的运算时间。其次， 基于以上的研究成果，推导了环形天线阵列模型下，m i m o 系统的信道容量表达式，通过 仿真结果表明，m i m o 系统信道容量主要取决于矩阵信道各子信道间的相关性，当相关性 为零时，系统容量达到最大值。相关性的增加意味着系统信噪比的减小，接收天线阵列半 径和角度扩展是决定m i m o 系统信道容景的主要因素。最后，对m i m o 的研究发展方向 进行了总结和预测。 关键字：多输入多输出、无线通信、空间相关性、信道容景 l 南京信息t 程大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h e m u l t i p l e - l n p u tm u l t i p l e - o u t p u t ( i l m o ) t h n o l o g y i st h em o s t p r o m i s i n g b r e a k t h r o u g h si ni m p r o v i n gs y s t e mp e r f o r m a n c e ，c a p a c i t ya n ds p e c t r u me f f i c i e n c y t h e p e r f o r m a n c ep r o m i s e db ym i m oi sh i g h l yd e p e n d e do nt h ep r o p a g a t i o nc h a n n e lm o d e l s s ot h e c o r r e s p o n d i n gm i m or a d i oc h a n n e lm o d e l sa 托e s t a b l i s h e dt os t u d ya n de v a l u a l ct h es y s t e m p e r f o r m a n c e f i r s t , w ei n m ) d u c et h eb a c k g r o u n da n de l e m e n t so fm i m ot e c h n i q u e s c o m p a r i s o ni sg i v e n b e t w e e no t h e rt e c h n i q u e sa n dm i m ow i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n st od e m o n s t r a t en e c e s s i t ya n d i n e v i t a b i l i t yo fr e s e a r c ho i lm i m o t h e np r o v i d et h ep r o b l e mt ob er e s o l v e de x i s t i n gi nm i m o c o m m u n i c a t i o ni nd e t a i l ，p o i n t i n go u tt h er e s e a r c hd i r e c t i o no f o u tw o r k t h e n ，w ed e s c r i b eas t a t i s t i c a l - b a s e dv e c t o rc h a n n e lm o d e lf o ru n i f o r mc i r c u l a ra r r a y s ( u c a ) a n du n i f o r ml i n e a ra r r a y s ( u l a ) a n dd e v e l o p e das t a t i s t i c a lt i m e - v a r y i n gm u l t i p a t hm i m o c h a n n e lm o d e lt ob eu s e di no u rr e s e a r c hf i r s t l y t h e n , w ed e r i v e dt h ee x a c ta n da p p r o x i m a t e f u n c t i o n so ft h e s et w om o d e l s i nt h ea n a l y t i c a lr e s u l t s ，i ti sf o u n dt h a tt h es t a n d a r dd e v i a t i o no f t h ea n g u l a re n e r g yd i s 仃i b u t i o no rt h ea n g l es p r e a di st h ed o n a t i n gf a c t o rf o rt h ed e t e r m i n i n g c o r r e l a t i o n ，a n dt h ea p p r o x i m a t ea n a l y s i s 锄r e p l a c et h ee x a c ta n a l y s i si ns o m ec 嬲a n dr e d u c e t h ec o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t y7 4p e r c e n lb a s eo nt h e s er e s u l t s , w ei n v e s t i g a t et h em i m o c h a n n e lc a p a c i t yo ft h eu n i f o r mc i r c u l a ra r r a y s ( u c a ) m o d e l w ep r o v et h a t , f o rt h i sm o d e l ， i n c r e a s ei nc o r r e l a t i o ni se q u i v a l e n tt od e c r e a s ei ns i g n a l - t o - n o i s er a t i o ( s n r ) ，t h er a d i u so ft h e c i r c u l a rr e c e i v ea n t e l u l aa r m ya n da n g l es p r e a da 他t h ed o m i n a t i n gf a c t o r sf o rt h ec h a n n e l c a p a c i t y i nt h ee n d , t h es t u d yo f t h ed e v e l o p m e n to f t h em i m os y s t e m si sd i s c u s s e d k e yw 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 , w h - e l e s sc o m m u n i c a t i o n , s p a t i a lc o r r e l a t i o n , c h a n n e lc a p a c i t y i v 第l 章绪论 1 1m i m o 通信研究背景 第1 章绪论 随着社会经济的发展、科技的进步，人们对信息传输的需求日益迫切，对无线通信的要 求也越来越高。从系统角度来讲，下一代无线通信系统的实现应该基于一种有别于现有系统 的全新概念，即应该是一种可以快速地可重配置的网络结构，其必须能够满足高速数据业务、 支持终端的移动性、自适应于时变的网络条件、集成多种无线接入技术、提供灵活的以用户 为中心的服务。因此，今后的无线系统的设计一定是一种跨层的联合最优的全局方案。而这 一切的关键和根基，或者说最大的技术瓶颈在于空中接口，即无线传输技术n 1 。 天线是一种用来发射或接收电磁波的器件，它是任何无线电系统都不可缺少的基本组 成部分。发射天线将传输线中的导行电磁波转换为“自由空间”波，接收天线则与此相反。 因此可以说，正是由于使用了天线，才使得信息可以在不同地点之间通过电磁波传输，实 现真正的无线通信，而无需任何连接设备。也就是说，没有天线就无法实现无线通信，天 线在无线电通信中的重要性显而易见。 对无线通信中的天线的研究及其应用主要集中在以下三个方面亿1 ： ( 1 ) 天线及其天线阵列的电磁设计，主要包括天线增益、极化方向、波束带宽、旁瓣电 平、效率和方向图等的设计。 ( 2 ) 到达角a o 估计，顾名思义，主要集中在对到达天线的波阵面的到达角进行估计， 尽量做到误差最小和分辨力最高。 ( 3 ) 利用天线阵列来提高频谱效率，覆盖范围以及链路传输性能等，多天线m i m o 技术 就是属于这个领域。 多副接收天线和接收分集的使用可追述到2 0 世纪初的马可尼时代，早在1 9 0 8 年马可 尼就提出用它来抗衰落。人们研究发现，多副天线构成的接收阵列可以有效地克服无线蜂 窝系统中的同道干扰。二次世界大战后，对雷达系统中天线阵列的研究尤为活跃。到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，这使得关于天线阵列 的研究的自适应处理技术的实现成为可能，从而进一步提高了分集性能，降低了干扰。到 2 0 世纪9 0 年代初，人们发现使用多天线可以大幅度地增加信道容量。1 9 9 6 年，r o y 和o t t e r s t e n 提出在基站使用多天线可在同一信道上支持多个用户使用。接下来，b e l l 实验室在2 0 世纪9 0 年代中后期一系列研究成果对多天线的研究起了很大的推动作用，从而开创了无线 南京信息工程大学硕士学位论文 通信的一场新的技术革命川。 1 2 无线通信的主要技术 所谓的多天线m i m o 系统，虽说也使用了多副天线，但它不同于移动通信中传统的智能 天线。在智能天线系统中，出于体积和成本的考虑，通常是只在基站安置多个天线阵列元 素。这种多天线系统的智能功能源于对各个天线信号进行的加权选择算法。智能天线的另 一好处是实现了空间分集。 随着各种无线网络接入业务的出现，移动台已不仅仅是移动电话，对于移动台的体积 和复杂度的约束也越来越小。因此可以在发送端和接收端都安置多副天线，从而构成所谓 的m i m o 系统。 m i m o 系统在无线通信系统的发射端和接收端都安置多副天线。在发送端，二进制数据 流输入到发送处理模块中，在这里，输入信息进行编码，星座映射，可能还要进行一定的 加权，然后送到各副发射天线上，经过上变频，滤波和放大后发送出去。在接收端，接收 机将多副接收天线接收的信号进行解调，匹配滤波，接收处理和译码，以恢复原始数据。 可见，m i m o 技术的出发点是将发送天线与接收天线相结合以改善每个用户的通信质量或者 通信效率叫。 m i m o 系统的核心思想是空时信号处理，即在原来时间维的基础上，通过使用多副天线 来增加空间维，从而实现多维信号处理，获得空间复用增益。因此，m i m o 技术可以视为智 能天线技术的一种扩展。显然，在m i m o 链路中，仍有传统智能天线的优点。因为m i m o 系 统的数据经过的是矩阵信道而非矢最信道，这为改善性能或者提高速率提供了更大的可能。 m i m o 系统不仅可以提供更多的空间分集增益，而且如果事先知道信道信息，m i m o 系统还可 以通过信号组合来提供阵列增益。实际上，m i m o 系统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道利用率哺1 。 m i m o 系统的主要有两大技术：利用空间复用提高频谱利用率，利用空间分集提高系统 的可靠性。容量是通信系统的最重要标志之一：表示通信系统的最大信息传输速率。首先对 m i m o 系统的信道容景进行较深入分析的是b e l l 实验室的学者t e l a t a r n 钔和f o s c h i n i n 7 。 他们分别对高斯噪声下多发送多接收天线系统信道容量的进行了研究，结果表明，在假设 各天线互相独立的条件下，多天线系统比单天线系统有显著的提高。在接收端已确切知道 信道传输特性的情况下，得到与天线数目最小值成线性增加的信道容量。在相同发射功率 和传输带宽下，该系统比单天线发单天线收系统的信道容量可提高几十倍。这些增加的信 道容最可以用来提高信息传输速率，也可以不用提高信息速率而通过增加信息冗余度来提 2 第l 章绪论 高通信系统的传输可靠性能，或者在两者之间取得一个合理的折衷。 在关于信道容量研究的基础上，f o s c h i n i 等人提出了分层空时结构 ，建立了b l a s t 多 天线m i m 0 实验系统，在实验室中获得了2 0 一4 0 b p s h z 的频谱利用率，这在普通系统中极 难实现。由于这种b l a s t 系统是将信源数据流按照发送天线数目串并转换为菪干子数据流， 独立进行编码、调制，然后分别从各副天线上发送出去，因而严格说它不是基于发射分集的， 而被称为空问复用技术。由于这些数据流占据相同的频带，因此经过无线信道后，信号发生 了混合。在接收端，利用估计的信道特性，接收机按照一定的译码算法分离独立的数据流并 给出其估值。根据发送端对输入串行数据流进行分路方式的不同，主要有垂直、对角、和平 行3 种空间复用方案。这种纯粹的空间复用系统实际上是自由度受限的，较适用于高信噪比 的情况，它追求的是速率的极大化，因此对于一定的差错率目标来说，空间复用系统并非最 佳的传输方案。一般来说，这里的自由度指的是发送天线和接收天线的最小值。 通常，在传统的无线传输系统中多径要引起衰落，是造成误码的主要原因之一，因而 被视为有害因素。然而研究结果表明，m i m o 系统能够利用多副天线所带来的多条传输路径 来获得空间分集增益，从而提高系统传输速率。另一方面，如前所述，m i m 0 系统能够提供 高的频谱效率，但要真正实现这一点却很困难。比如在信道变化很快的环境下，信道等效 的独立数据流的数目也发生较大的变化。这时，要从m i m o 信道获得最大谱效率的空时分层 结果，其差错性能可能会相当差。其实，从工程角度看，链路的效率是由发送数据流的数 日和每个数据流的差错率水平共同决定的，而不仅仅取决于数据流的数目，因此能影响通 信系统差错性能的措施，比如对于多天线信号的编码，在m i m 0 系统的设计中也显得非常重 要。 从上面的分析可知，空间复用技术通过增加系统的自由度，追求的是频谱效率的极大 化，但并不实用于低信噪比环境：发送分集技术追求的是分集增益的极大化，却有可能会导 致速率的损失。因此m i m 0 系统需要在编码处理中得到的分集好处于复用中得到的速率好处 之间进行折衷考虑，根据不同的目标要求，采取相应的传输方案临1 。 1 3m i m o 系统研究现状 1 3 1 已取得的进展 上个世纪9 0 年代中期a t & tb e l l 实验室学者完成了对无线移动通信系统多输入多输出 技术产生巨大推动作用的奠基工作。1 9 9 5 年，b e l l 实验室的t e l a t a r 等人在基于瑞利 ( r a y l e i g h ) 衰落、信道有大量的散射体、信道系数无关、最优编解码、发射端信道信息在 3 南京信息工程大学硕士学位论文 接收端准确可知的假设下，从理论上证明了接收和发送端都使用多天线( m i m o ) 可以使通 信链路容量成倍增加的结果，即在m 副发射天线、n 副接收天线的m i m o 系统中，信道容 量将随m i n m ，n 线性增加。1 9 9 6 年f o s c h i n i 提出了一种m i m o 处理算法一对角一贝尔实 验室分层空时( d - b l a s t ) 算法；1 9 9 8 年t a r o k h 等讨论了用于m i m o 系统的空时码；1 9 9 8 年w o l n i n n s k y 等人采用垂直一贝尔实验室分层空时( v - b l a s t ) 算法建立了一个m i m o 的实 验系统，在室内试验中达到了2 0 b p s h z 以上的频谱利用率，这一频谱利用率在普通系统 中较难实现n 儿引。 目前m i m o 其理论、性能、算法和实现的各方面仍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一批文献。这些文献已涉及相当广泛的内容：h o c 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一一单式空时调制( u n i t a r r y s 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情况，提出了微分单式空时码。b a u c h 和 n a r a y a n a n 提出了将t u r b o 码与短空时分组码串接。 为了在新一代系统中实际应用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、波束形成方式等) 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0 f 嗍与空时编码结合 的m i m o 方案，g o e c k e l 等提出了用于蹦的多维信号集，w a n g 等研究了在相关衰落信道情 况o f d m 空时编码系统。空时编码与信道编码等处理的结合是空时研究的重要方向n ”卿。 1 3 2 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，目前在蜂窝无线 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，在无线局域网方面，已经 制定了有关标准，而且已有相应的产品。在蜂窝移动通信中，目前还没有商用化的m i m o 产 品。尽管在这方面已取得了较大的进展，但是距离m i m o 技术大规模投入商用的时问，专家 估计还要几年，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叫： ( 1 ) m i m o 无线信道模趔。m i m o 无线系统的性能，在很大程度上跟所处环境的多径信 号的性质有关，特别要受各条路径只见的相关度、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m i m o 无线信道的特性，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 实际测景外，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 无线信道的静态模型，还要建立特定的动态模 4 第l 章绪论 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性能 的，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 播模型已成为了标准，不过到目前为止，i t u ( 国际电信联盟) 还未制定相应的m i m 0 无线信 道模型标准，3 g p p ( 第三代移动通信合作伙伴计划) 已制定了有关m i m 0 的无线信道模型标 准。 ( 2 ) 天线的数量和间距。天线的数最和各天线之问距离是m i m 0 系统设计的关键参数， 如要实现_ t l m 0 系统的高频谱效率，后者更为重要。在基站安装大景的天线，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1 0 个波长，这个距离稍微偏大，之所以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。如果使用双极化天线，在2 g h z 的 频率上，l o 倍波长的间隔，4 根天线占据的空间约为1 5 米。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。根据计算4 根双极化天线要占据7 5 c m 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。 ( 3 ) 接收机的复杂性。m i m 0 接收机与单天线接收机相比，复杂性明显要增加，具体 原因表现在以下几个方面：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，例如采用( 4 ，4 ) 天线结构的m i m 0 接收机和单天线接收 机相比，复杂性要增加约两倍。由于m i m 0 接收机受周围环境的散射影响，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的处理。m i 旧信道估计也要导致 复杂性的增加，因为整个信道矩阵的每一条路径时延，都需要及时跟踪和更新，而不是只 跟踪和更新单个信道系数。额外的复杂性还来自增加的射频( r f ) 链( 与接收天线的 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 命长短也跟接收机的复杂性有关。 ( 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 0 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 0 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。 在文献中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 ) 系统的集成和信号设计。m i m 0 信道的识别、对于已知信道应如何设计最佳发送 5 南京信息工程大学硕士学位论文 信号一一设计出适合于大多数信道模型的通用信号、接收端信号处理如何对应信号设计， 这些都是实际可用的m i m 0 系统必须考虑的问题。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端的结构，当前的研究热点 是考虑信号处理结构在性能和处理复杂性两者之间折衷。 ( 6 ) m i m 0 集成芯片的研发。随着m i m 0 技术的日趋成熟，诸多无线产品厂商共同合作， 提出各种以m i m 0 技术为基础的高速数据传输方案，并进行相应的m i m 0 芯片的研发，但由 于相关标准还未最终确定，因此目前研发的芯片不适合大规模推广应用。几年前，朗讯 ( l u c e n t ) 通信技术公司已做了m i m 0 系统的早期实验，并于最近成功测试了两款b l a s t ( 贝 尔分层空时编码) 芯片，芯片的最高速度达到了1 9 2 m b p s ，而且b l a s t 研究小组最近取 得了以前难以想象的无线频谱效率：2 0 4 0 b p s h z ，比较而言，使用传统的无线调制技 术，对于蜂窝移动通信系统取得的频谱效率为1 5 b p s h z ，对于点对点的微波通信系统 取得的频谱效率为1 0 1 2 b p s h z ，而且在3 0 k h z 的带宽内，b e l l 实验室在上述的频谱 效率上实现了0 5 m b p s - l m b p s 的有效载荷数据速率，而使用传统的技术，在该带宽内取 得的数据速率仅为5 0 k b p s 。 除了上述因素外，还有其他一些因素也会使m i m 0 无线系统的性能退化，例如信道估计 的准确性、天线单元之间的相关性、较大的多普勒频移等。 1 4 本文内容和结构安排 本文首先分析了m i m 0 系统的主要技术及其发展现状，在此基础之上着重对m i m 0 系统 的信道相关性和容景进行了研究与仿真。全文内容结构安排如下： 第1 章绪论，介绍了m i m 0 无线通信系统的研究背景及意义、该技术的研究现状以及 本论文的研究思路及主要工作。 第2 章介绍了无线通信信道的基本模型，以及m i m 0 信道的常用模型。 第3 章从信息论角度研究了m i m 0 系统的信道容量，分析了几种典型系统( s i s 0 、m i s 0 、 s i m 0 、m i 啪) 的平均信道容景。 第4 章分析了m i m 0 系统的信道相关性，对比了两种不同m i m 0 系统的相关性差异。 第5 章分析了信道相关性对m i m 0 系统信道容量的影响，主要分析了相关矩阵下的m i m 0 无线通信系统信道容量的特点。 第6 章将概括全文的主要结论和取得的成果，并指出需要进一步研究的话题。 6 第2 章m i m o 系统概论及其信道模型 第2 章m o 系统概述及其信道模型 无线通信的信息传播载体是经过调制的电磁波，其信道是一个典型的随机参数信道， 其传输特性随时间、地点而随机快速地变化。与有线通信不同，无线通信系统发射机与接 收机之问的传播路径非常复杂，从简单的室内传播到几千米或几十米的视距传播( l o s ) ， 会遭遇各种复杂的地物，如建筑物、山脉和树叶等障碍的非视距传播( n l o s ) 。 2 1 无线通信信道物理特性 陆地无线移动信道的主要特征是多径传播。传播过程中会遇到各种建筑物、树木、植 被以及起伏的地形，会引起能量的吸收和穿透以及电波的反射、散射和绕射等。这样，无 线移动信道是充满了反射波的传播环境，如图2 1 所示。 图2 1 无线信道环境 由上图不难看出，接收信号不是单一路径，而是许多路径的众多反射波的合成。由于 电波通过各个路径的距离不同，因而各条路径来的反射波到达时间和幅度都会有所不同， 使得接收信号通常是多个随机幅度和时延分量的矢量合成。而且，移动台和域散射环境的 移动性使得接收信号各随机分量的幅度和时延随时间而变化，从而接收信号的强度也是随 机时变的。再者，因共用信道还会引入不必要的同道干扰( 如图中移动台彳和b 同时与基 站通信) 。所以，这种种因素的合成效应使得无线信道相当复杂，也一直是无线通信面临的 最大挑战。 7 南京信息工程大学硕士学位论文 2 2 信道衰落与信道扩展们 由于移动通信信道的多径、移动台的运动和不同的散射环境，使得移动信道在时间上、 频率上和角度上造成色散，相应的形成不同种类的选择性衰落。无线信道对信号传输的影 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等。 2 2 i 传输衰减 无线信道对信号的传输衰减使接收信号的功率减小，它由传输路径的长度、直达信号 路径中的障碍情况决定。任何阻挡在发射机和接收机之间的障碍都会引起信号功率的衰减。 无线通信中的传输衰减主要分为大尺度衰落( 慢衰落) 和小尺度衰落( 快衰落) 。 2 2 i i 大尺度衰落( 慢衰落) ( 1 ) 路径损耗 当发射机与接收机之间的距离在较大尺度上变化时，接收信号的平均功率值与信号传 播距离d 的i 次方成反比。刀称为路径损耗指数，刀值得大小由具体的传输环境决定。对 于自由空间的电波传播，指数刀一般取2 。 ( 2 ) i ；i i 影衰落 电磁波在空间传播时受到地形起伏、高大建筑物的阻挡，在这些障碍物后面会产生电 磁场的阴影，造成场强中值的变化，从而引起信号衰减，称作阴影衰落。阴影衰落是以较 大的空间尺度来衡景的，其统计特性通常符合对数正态分布。 路径损耗与阴影衰落合并在一起反映了无线信道在大尺度上对传输信号的影响，称为 大尺度衰落，因为这种衰落对信号的影响反映为信号随传播距离的增加而缓慢起伏变化， 所以也称慢衰落。 2 2 i 2 小尺度衰落( 快衰落) 在无线通信中，由于电波经过多余路径的距离不同，因而各条路径中的发射波到达接 收机的时间、相位都不相同。不同相位的多个信号在接收端叠加，如果同相叠加则会使信 号幅度增强，而反相叠加则会削弱信号幅度。当发射机和接收机之间的距离在较小的尺度 上变化时，接收信号的功率会发生急剧的变化，称之为小尺度衰落。它反映的是在较短的 8 第2 章m i m o 系统概论及其信道模型 距离或时问之内接收信号所呈现的快速起伏特性。 2 2 2 时延扩展与相干带宽 信号的多径传播会导致时延扩展，其结果是发生符号问干扰( i s ) ，体现在频域就是频 率选择性衰落，即信号在不同频率上遭受的衰落是不同的。描述无线信道多径效应的两个 重要参数是时延扩展( d e l a ys p r e a d ) 和相干带宽( c o h e r e n c eb a n d w i d t h ) 。 v 由 基站天线 散射体 v 由 移动台天线 图2 1 多径传播模璎 在无线通信中，来自发射机的射频信号在传播过程中往往受到各种障碍物和其他移动 物体的影响，以致到达接收端的信号是来自不同传播路径的信号之和。发射信号到达接收 天线的各条路径分量路径不同，因此具有不同的时间延迟，这就使得接收信号的能量在时 间上被扩展了。最大时延扩展是第1 个到达接收天线的信号分量与最后1 个到达的信号分量 之间的时问差。 在数字通信系统中，由于多径传播的影响，前后发送符号的各条路径分量叠加起来会 造成符号间干扰。强的脚会使得接收机的符号判决性能出现严重的下降。按户外环境下 最大时延扩展为2 0 比s算，当发送符号速率超过1 0 0 k b p s 时就会产生显著的聊。 相干带宽置是表征多径信道特征的一个重要参数，它是指某一特定的频率范围，在该 频率范围内的任意两个频率分量都具有很强的幅度相关性，即在相干带宽范围内，多径信 道具有恒定的增益和线性相位。通常，相干带宽近似等于最大多径时延的倒数。如果相干 带宽定义为频率相关函数大于0 9 的某特定带宽，则相干带宽近似为 1 尾2 盍 q j ) 9 南京信息工程大学硕士学位论文 其中以为最大多经时延。 从频域看，如果相干带宽小于发送信号的带宽，则该信道特性会导致接收信号波形产 生频率选择性衰落，即某些频率成分信号的幅值得到加强，而另外一些频率成分的信号的 幅值则受到衰减。在这种情况下，信道冲激响应具有多径时延扩展，其值大于发送信号的 幅值则受到衰减。在这种情况下，信道冲激响应应具有多径时延的多径波形的叠加，因而 接收信号产生了失真。频率选择性衰落是由信道对发送信号的时间色散引起的，它导致了 数字信号传输过程中会出现i s i 。 反之，如果多径信道的相干带宽大于发送信号的带宽，则接收信号经历平坦衰落，或 频率非选择性衰落。在平坦衰落情况下，信道的多径结构使发送信号的频谱特性在接收机 内仍能保持不变。但是，多径效应导致信道增益的起伏，使接收信道的强度会随着时间变 化。在平坦衰落信道中，发送信号带宽的倒数远大于信道的多径时延扩展，因此信道的冲 激响应可近似看作是一个冲激函数。典型的平坦衰落信道会引起深度衰落，在深度衰落期 间需要增加2 0 d 曰或3 0 班；的发送功率，以获得较低的误比特率。 2 2 3 多普勒扩展与相干时间 时延扩展和相干带宽是用来描述本地信道时间扩散特性的两个参数，它们并不能提供 任何描述信道时变特性的信息。这种时变特性山移动台与基站之间的相对运动或者是信道 路径中物体的运动而引起的。 多普勒扩展与相干时间描述的是小尺度传播模型中信道频率色散和时变特性的两个参 数。当信道为时变的时候，就具有时问选择性衰落的特性。所以根据这种时变特性，可以 用来划分信道的快衰落和慢衰落特性。 由于多普勒扩展与相干时间成反比，而相干时闻是信道随时间变化的度量，因此，多 普勒扩展引起的衰落与时间有关，是时间选择性衰落。信号经历快衰落的条件是 瓦 乏( 或忍 b e ) ( 2 3 ) 其中五是符号周期，忍= 1 互为发送信号带宽，瓦是信道相干时间，吃是多普勒扩 展。式( 2 2 ) 和式( 2 3 ) 说明，如果基带信号带宽忍比多普勒扩展吃大得多，则多普勒扩展作 用可以忽略，也就是认为无线信道是慢衰落信道，此时可以认为在一个或几个符号周期内， 信道为非时变的；否则要考虑多普勒扩展作用，这时的信道是快衰落信道。 1 0 第2 章m i m o 系统概论及其信道模型 2 2 4 角度扩展与相关距离 由于m i m o 技术的使用，信道信息从原来的时间一频率二维扩充到包含时间、频率和 空问三维信息，充分利用了无线信道的资源。因为多天线的使用，以及散射环境不同，使 得多天线系统中不同位置的天线经历的衰落不同，从而产生了角度色散，也就是导致了空 间选择性衰落效应。 角度扩展和相关距离就是描述空问选择性衰落的两个主要的参数。由于角度扩展与 相干距离砬成反比，而相干距离是信道随空间位置变化的度量。所以，角度扩展将引起的 衰落与空间位置有关，产生了空间选择性衰落。 因此根据天线阵列元素放置的空间距离大小，可以将信道分为空间选择性与非空间选 择性衰落( 空间平坦) 。信号为非空间选择性衰落的条件是 空间选择性衰落的条件是 a d ) ( 2 4 ) 鲋 眈( 或0 )( 2 5 ) 式中，甜是天线问隔，秒是到达角度。 通常，相关距离砬除了与角度扩展有关之外，还与来波到达角有关。也就是在天线的 到达角度相同的情况下，角度扩展越大，不同天线接收到的信号之间的相关性越小，信号 的空间选择性越严重：反之，角度扩展越小，天线之间的相关性越大，信号的空间选择性就 弱。同样，在角度扩展相同的情况下，信号的到达角度越大，天线之间的相关性就越大： 反之，信号的到达角度越小，天线之问的相关性就越弱。 2 3 小尺度衰落统计分布模型 在无线通信中，来自发射机的射频信号在传播过程中往往受到各种障碍物和其他移动 物体的影响，以致到达接收端的信号是来自不同传播路径的信号之和。而根据幅度分布的 不同，称信道服从不同的衰落分布，如瑞利( r a y l e i g h ) 衰落分布、赖斯( r i c e ) 衰落分布和 n a k a g a m i 衰落分布这三种基本衰落模型m 。 2 3 1 瑞利( r a y l e i g h ) 衰落 对恒幅单频信号的发射情况进行分析。在典型的陆地移动无线信道中，假设直射波被 阻断，并且移动单元只能接收到反射波。根据中心极限定理，当反射波的数量比较大时， 1 1 南京信息工程大学硕士学位论文 接收信号的两个正交分量是均值为零、方差为t 的互不相关的高斯随机过程。因此，任意 时刻的接收信号包络服从瑞利概率分布，相位服从一万z 的均匀分布。瑞利分布的概率密 度函数为 出，= 肾三： 瑞利分布随机变量的均值( 用表示) 和方差( 用一表示) 可以表示为 ( 2 6 ) ”远q = 1 2 5 3 3 吒 = ( 2 一号) = 0 4 2 9 2 ( 2 乃 对概率密度函数进行归一化，即使平均信号功辜( e 口2 ) 为单位值，则归一化瑞利 分布为 则均值和方差为 m ，= 阿三笔 ( 2 8 ) m a = 0 8 8 6 2 z = 0 2 4 1 6 ( 2 9 ) 在最大多普勒频移为以咖。的衰落信道中，接收信号会经历频率扩展，并且带宽会限 定在正厶一范围内。假设存在接收水平到达波的全向天线和大量反射波，