（通信与信息系统专业论文）mimo系统中基于信道状态信息的harq技术研究.pdf

重庆邮电大学硕士论文摘要 摘要 多输入多输出( m i m o ) 被公认为是下一代移动通信系统所采用的物理层关键 技术，其信道容量近似与收发天线数目的最小值成正比，能大幅度提高系统的频谱 效率。m i m o 系统通常采用信道编码以及自适应传输技术来提高系统的可靠性，但 是无线通信环境的恶劣，需要有力的差错控制机制来进一步提高端到端的可靠性， 混合自动请求重传机制( h a r q ) 为这一问题提供了解决方案。 通信中的有效性和可靠性是一对对立统一的矛盾。从信息论观点来看，将m i m o 技术和h a r q 机制结合的m i m o h a r q 系统可以实现有效性和可靠性的折中。本 文深入研究了h a r q 技术原理，以及h a r q 在m i m o 系统中的应用，通过对l t e 系统中h a r q 的原理分析阐述当前该技术的应用情况；并提出了结合h a r q 的自 适应传输方案，以及改进了结合载波聚合的h a r q 进程映射机制。 本文的主要贡献有以下几点： 分析了l t e 系统中的h a r q 技术原理，针对标准中给出的速率匹配模块， 设计了相应的解速率匹配模块。并通过仿真分析了l t e 系统的h a r q 性能，通过 误块率和吞吐量等指标验证了h a r q 的使用对系统性能带来的提升。从而说明了目 前m i m o 系统中h a r q 技术的应用情况。 ， 设计了结合h a r q 的m i m o o f d m 系统自适应传输方案，通过控制重传时 的传输参数来提高系统性能。方案利用重传信息和信道状态信息对子信道数据进行 空域和频域二维置换，再结合考虑重传等信息的功率调整，使得重传数据得到尽可 能的补偿，以提高译码的可靠性。 针对结合载波聚合的h a r q 进程映射机制进行了改进，对目前的静态映射 与可变映射机制进行分析，在保证系统性能提升的同时尽可能减少系统开销，设计 了减少反馈量的排序可变h a r q 进程映射方案。方案采用1 加n 比特的方式指示成 员载波的改变，用一种更灵活的方式获得性能增益。 关键词：混合自动请求重传，多输入多输出，信道状态信息，载波聚合 重庆邮电大学硕士论文 a b s t r a c t m u l t i p l e i n p u tm u l t 巾l e o u t p u t ( m i m o ) i sm g 鲫d e d 勰as i g n i f i c a n tp h y s i c a l t e c h n o l o g yi nt h en e x tg e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m i t sc a p a c i t y i s p r o p o r t i o n a lt ot h en u m b e ro f a n t e n n a sa n di tc a ni n h e r et h es p e c m n ne f f i c i e n c yg r e a t l y m i m es y s t e m sa d o p tc h a n n e lc o d i n g , a d a p t i v et r a n s m i s s i o na n do t h e rt e c h n i q u e st o i m p r o v et h er e l i a b i l i t y h o w e v s i n c et h ew i r e l e s sc i r c u m s t a n c ei st e r r i b l e ，au s e f u le r r o r c o n t r o lm e c h a n i s mi se s s e n t i a lt oe n s u r et h ep o i n t - t o - p o i n tr e l i a b i l i t y h y b r i da u t o m a t i c r e p e a tr e q u e s t 畔q ) i sap o w e r f u lt o o lt os o l v et h i sp r o b l e m v a l i d i t ya n dr e l i a b i l i t ya r ei nc o n t r a d i c t i o nw i t he a c ho t h e r i ni n f o r m a t i o nt h e o r y a s p e c t ，m i m o - h a r qs ) r s t e m s ，w h i c hc o m b i n et h em i m et e c h n o l o g ya n dn a r q p r o t o c o l ，c a nt r a d e o f fv a l i d i t ya n dr e l i a b i l i t y t h i st h e s i sm a i n l yr e s e a r c h e s i n t ot h e t e c h n o l o g yo fh a r qa n di t sa p p l i c a t i o ni l lm i m es y s t e m s b yi n t r o d u c i n gi t su s i n gi n l t es y s t e m ，c u r r e n ta p p l i c a t i o ns i t u a t i o ni sp l a c e d t h e n , a na d a p t i v et r a n s m i s s i o n s c h e m ec o m b i n e dm 6 瓜qi sp r o p o s e d a n da ni m p r o v e dh a r qm a p p i n gm e c h a n i s mi s p r o p o s e di nt h em i m os y s t e m w h i c hu s i n gt h et e c h n o l o g yo fc a r r i e ra g g r e g a t i o n t h em a i ni n n o v a t i 0 1 1 8a n dc o n t r i b u t i o u si i lt h i st h e s i sc a nb es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： f i r s t l y , t h i st h e s i sa n a l y s e st h ep r i n c i p l eo fh a r qi nl t es y s t e ma n dd e s i g n st h e m o d u l eo f r a t ed e - m a t c h i n gf o rt h em o d u l eo f r a t em a t c h i n gi i lt h es p e c i f i c a t i o n t h e n , b y s i m u l a t i o no fh a r qi nl t es y s t e m ，i t sb l o c ke r r o rr a t e ( b e r ) a n dt h r o u g h p u tp r o v et h a t t h eu s eo fh a r qi m p r o v e st h es y s t e mp e r f o r m a n c e t h u s ，t h ee m t e n ta p p l i c a t i o n s i t u a t i o no f h a r qi nm i m os y s t e mi so b v i o u s s e c o n d l y , a na d a p t i v e t r a n s m i s s i o ns c h e m ec o m b i n e dh a r qi sd e s i g n e di n m i m e o f d ms y s t e m ，w h i c hi m p r o v e st h ep e r f o r m a n c eb yc o n t r o l l i n gr e t r a n s m i s s i o n p a r a m e t e r s t h es c h e m ep e r m u t e ss u b - c h a n n e ld a t ai ns p a t i a ld o m a i na n df r e q u e n c y d o m a i na c c o r d i n gt ot h er e t r a n s m i s s i o ni n f o r m a t i o na n dt h ec h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n ( c s d a n dt h ep o w e r i sa l l o c a t e da c c o r d i n gt oa l lt h ei n f o r m a t i o na b o v et o o t h e nt h e r e t r a n s m i s s i o nd a t ai sc o m p e n s a t e da n dt h er e l i a b i l i t yo fd e c o d i n gi sr a i s e d t h i r d l y , t h er a r qm a p p m gm e c h a n i s m sc o m b i n e dc a r t i e ra g g r e g a t i o ni si m p r o v e d t h i st h e s i sa n a l y z e st h es t a t i ca n dd y n a m i cm a p p i n gm e c h a n i s m , d e s i g n sas o r t i n g d y n a m i cr a r qm a p p i n gm e c h a n i s mw h i c hc a nr e d u c et h ef e e d b a c ko v e r h e a dw h i l e e n s u r i n gt h es y s t e mp e r f o r m a n c e t h es c h e m ei n d i c a t e st h ec h a n g eo fc o m p o n e n tc a r t i e r b y1 + nb i t sw h i c hi sm o r ef l e x i b l et oa c h i e v ep e r f o r m a n c eg a i n k e yw o r d s ：h a r q ，m o ，c s lc a r r i e ra g g r e g a t i o n 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 1 1 研究背景与意义 第一章绪论 随着无线通信技术的不断发展以及人们生活水平的提高，对高速率和高可靠性 的通信业务需求也在不断提高，如何能够在高速传输中保证服务的可靠是非常重要 的，因此混合自动重传请求( h y b r i d a r q ) 【l 】作为一项差错控制中的关键技术，得 到了越来越多的关注。h a r q 主要有两部分组成，即前向纠错编码( f e c ) 和自动 重传请求( a r q ) 。f e c 通过冗余比特的传输，可以提供检错和纠错的能力。如果 发送的码字在纠错范围之内，就可以通过冗余信息纠错；如果超过纠错范围，将检 测出错误，并通过反馈信道通知发送端进行重传。这时a r q 机制会对接收到的反馈 进行处理，按照不同的策略进行重传控制【2 】。f e c 可以基本保证吞吐量和时延的恒 定，但冗余信息会导致码率的降低，且信道较差时冗余比特可能无法纠正错误；而 a r q 的时延会随着信道质量发生改变，不适合实时业务。将两者结合，能够利用它 们的优势互补，改善系统性能。一方面，f e c 能够尽可能纠正错误，减少a r q 的堆 积；另一方面，a r q 可以对f e c 不能纠错的码字进行重传，使部分错误码字能够正 确译码，a r q 还可以利用重传删余改变码率，提高码率。目前，h a r q 尸, 成为h s p a 、 l t e 、w i m a x 等系统重点研究的技术【3 - 7 1 。 多输入多输出( m o ) 是新一代无线通信系统中重要的物理层技术，它可以 利用多根收发天线，在不增加带宽的情况下成倍地提高系统容量和频谱利用率【8 d 0 1 。 目前m i m o 技术已被上述几种系统确定使用，相关研究仍在不断推进中。对于m i m o 系统，由于无线信道对信号会产生一定的衰落影响，要求可靠的差错控制机制，混 合自动重传请求( h a p , q ) 仍将扮演重要的角色。而在新技术不断引入的情况下， 如何将它们合理设计，充分发挥其功能，是至关重要的。对于单天线的情况，h a r q 主要是在时间上重传，只在时间上起到了分集的效果。由于m i m o 特有的在空间上 的特征，所以h 6 d 同m b 讧o 互相结合还可以利用m i m o 在空间上的特性进行重传 设计，体现了空间和时间上两维的分集效果。另外，考虑到m 卫m o 系统中逐渐应用 的新技术如o f d m 等，还可以获得更大的增益。因此，h a r q 如何进行相应的设计 和调整以达到最好的性能，是非常值得我们去进一步研究的。 k o d z o v ia c o l a t s e 等人基于空时分组码设计了改进的重传方案【1 l l ，将重传数据以 a l a m o u t i 的形式合并得到增益。林宏志等人设计了结合b l a s t 与s t b c 算法的h a r q 模型，基于不同的空时码发射矩阵获得分集增益和复用增益【1 2 1 。目前，许多学者关 注m i m o h a r q 系统在接收机已知而发射机不知信道条件下如何提高系统性能。而 对于接收机和发射机都已知信道状态信息( c s d 的条件下，研究如何自适应调整 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 传输参数的研究较少。目前最主要的成果就是h a i t o n gs l l n 研究了针对m 聊0 - h a r q 系统的最优预编码设计方案，推导出适合于m i m 0 平坦衰落信道的连续的最优线性 h a r q 预编码矩阵序列【1 3 】。而由t e l t a r 的m v i o 信道容量理论可知，当收发信机都 已知c s i 时，m i m o 系统具有更高的信道容量。本论文主要从收发信机都已知信道信 息的角度，探索重传参数的自适应方案，提高系统性能。 1 2h a r q 简介 近年来，人们对于差错重传控制技术，尤其是对于混合a r q 技术的研究，取得 了不少喜人的成果，这一方面的研究也正成为颇受瞩目的热点。目前，3 g p p 的无线 接入工作组( t s g - r a n ) 对混合a r q 方法进行大量的性能分析和机制讨论，形成多 份技术报告( t r ) 和技术规范( t s ) 1 4 - 7 1 。随着m i m o 、o f d m 、自适应编码、载 波聚合等等先进的物理层新技术在下一代移动通信系统中使用，h a r q 如何进行相 应的调整和设计，引起了研究人员的高度关注。本节将首先对h a r q t 拘基本原理进 行介绍，为后面的分析打下基础。这里将介绍传统a r q 技术，以及前向纠错编码 ( f e c ) 与a r q 相结合的几种h a r q 方案。 1 2 1 传统a r q 技术 自动重传请求系统，h p a r q 系统，由图1 1 所示的结构组成【l 习。其主要特点是 重传控制模块所起到的作用。发送数据从信源发出，经过编码器进行信道编码，然 后将编码后的数据存入缓存器，并发送到信道上。接收端在接收信号后，进行译码， 然后判决收到的信号是否正确。如果判决为正确，通过反馈信道返回确认信令 ( a c k n o w l e d g e ，a c k ) ，当发送端收到a c k 后，继续发送下一组数据，同时更新 发送端缓存器；如果判决为错误，则通过反馈信道给发送端返回否定确认信号 ( n e g a t i v ea c k n o w l e d g e n a c k ) ，当发送端收到n a c k 后，控制缓存器对上次缓 存的数据进行重发。 。f 编码器与l。 ，l 解码器i 叫熟卜 7 l 缓存器 i 7 双 k 信 信 下 向 上 。 宿源信 道 重传控制校验器 图i i 自动重传请求基本组成框图 这就是传统的a 朋技术，它采用了最简单的差错控制思想，只利用接收端对接 2 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 收到的数据帧进行正确校验来控制是否进行重传。在重传校验结果为错误时，如果 重传次数没有超过设定的最大次数，则继续进行重传，否则就放弃该数据帧，进行 下一帧的传输。 传统的舢王q 机制可以分为以下三种类型【1 5 】： 停止等待式a r q ( s t o pm a dw a i ta r q ，s w - a r q ) 发送端 接收端 00lf i8i l 心热：瓞s 蕊热热可 fli8010 图1 2 停止等待式自动重传不总图 图1 2 说明了停止等待式a _ r t q 的原理。在这种方式下，发送端发送一帧数据以后， 将等待接收端正确接收的确认a c k 反馈，这期间不发送新的兹据，如果收到n a c k 则进行重发，发送后仍然要进行等待。 停止等待式a r q 的原理简单易于实现，但是等待时间造成了信道的利用率很 低。另外，停止等待式a r q 还存在丢帧和重复帧的问题。丢帧即反馈无法到达发送 端而使得发送端一直等待的现象，可以采用设置最大等待时间的办法来解决。另外， 重复帧是指反馈信号没有到达发送端，导致正确接收判决的信号再次重传的现象。 这种问题可以通过给数据帧编号来解决。 退回n 步a r q ( g o - b a e k - na r q ，g b n - a r q ) 发送端 接收端 1234 5634 567 8 96 78 91 0 沁a c | | 7 a 、骚n 铀kn 铬k 、骚n 鳋kn 铋ka 五 12 3 4 5 634 5678967 图1 3 退回n 步自动重传请求示慈图 由于停止等待式a r q 存在信道利用率低，人们提出了退回n 步a r q ( g b n a r q ) ，这种a r q 方式的原理如图1 3 所示。n 作为一个延时周期指示，发送端按 照顺序连续向接收端发送数据帧，并将n 个帧存储起来以备重传。当接收端判决出 错时，返回n a c k ，则发送端要将当前出错帧以及前面n - 1 帧全部进行重传。这时， 不管前面接收的n - 1 帧是否正确都丢弃掉。 由于采用按顺序连续发送，提高了效率。但是，接收端判决出错就丢弃前面n - 1 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 帧的做法，导致系统的吞吐量受到影响，周期越大其影响越严重。因此，在速率比 较高和延时周期较大的系统，g b n - a r q 并不适用。 选择重传a r q ( s r - a r q ) 重发 重发 麟端裂必黟拶一 接收端 、a c 矿a 然a 八吵k 1234567389i l o i71 11 1 1 2 1 1 3 图1 4 选择性自动重传请求不惹图 选择重传a r q 使用了比g b n a r q 更加精确的重传控制。在接收端判决一帧出 错时，反馈n a c k ，但同时并不丢弃该帧前面的n - 1 帧。而发送端在收到n a c k 后， 只将该n a c k 对应的帧重传，而不是将n 帧全部重传。 这样，系统的吞吐量得到了有效保证，延时周期不会对系统产生严重影响。但 是，这种方式实现起来复杂度较高。接收端存储器必须足够大，且可以接收非顺序 数据帧，并重新排序。 以上，介绍了三种传统触方式。其中，停等a r q 最易于实现，但等待时间会 造成信道利用率低，系统容量被浪费。回退n 步a r q 和选择重传a r q 相比停等a r q 效率都要更高，而选择重传a r q 是效率最高的方式，但是实现起来也最为复杂。序 号的存储和编码都需要更多的开销。 目前，h s d p a 以及l t e 系统都采用了一种n 信道停等协议，这种机制同时并行 进行n 个停等a r q ，可以结合停等a r q 易于实现和选择重传a r q 信道利用率高的特 点。 1 2 2 混合a r q ( h y b r i d a r q ) 技术 混合j u 的( h a r q ) 由前向纠错编码( f e c ) 和自动重传请求( a r q ) 共同组 成【1 5 】，f e c 进行信道编码，并尽可能地纠正出现的错误，如果错误无法被纠正，a r q 系统会通知发送端进行重传。这种方式，可以在保证系统可靠性的同时，在一定程 度上提高传输速率。同时，f e c 和a r q 相结合，也存在着不同的实现方式。 h a r q 可以分为三种基本类型：混合i 型a r q 、混合i i 型a r q 和混合型 a r q 1 6 q s 。 混合i 型a r q 混合i 型a r q 是指简单地将f e c 和a r q 直接结合的方式。f e c 利用增加的冗余 4 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 比特，对信息比特具有一定的检错和纠错能力。如果错误量在纠错范围之内，将被 纠正，从而正确译码；如果错误量超 d f e c 的纠错能力，接收端将判决错误，反馈 n a c k ，要求发送端进行重传，并且重传过程仍然要利用f e c 的纠错能力。 i 型h a r q 在信道质量较差的情况下，可以利用f e c 的纠错能力大大减少重发 次数，而在信道质量较好的情况下，与传统6 姻的性能差不多，校验比特则增加了 传输的冗余。这类重传控制机制适合噪声比较恒定且干扰可以估计的信道，纠错能 力可以提高系统的性能，其实现也比较简单。 混合i i 型a r q 混合i i 型a r q 中，错误的数据帧不被丢弃而是在接收端保存下来，与重发的冗 余信息合并起来进行译码。重传的数据通常与第一次传输的数据不同，它携带新的 冗余信息来帮助解码。混合i i 型a r q 从设计原理出发也可包括下面几个方面： 1 ) 纠错位重传 最初的混合i i 型a r q 都采用了纠错位重传的设计方法。第一次传输时，码字只 包含检错位，如果信道质量比较好，传输基本不会发生错误，这就是传统的a r q ； 如果信道质量变得比较差，第一次传输不成功，再把剩下的纠错位发过去，这就变 成了混合i i 型a r q 。可见，这种方式可以看成是传统a r q 与混合i 型a r q 的结合， 可以更好地适应信道的情况，提高传输效率。 2 ) 合并( c o m b i n i n g ) 合并技术是指接收端在接收判决为错误的情况，并不丢弃错误数据，而是保存 起来与下次传输的数据合并起来，进行译码。这样可以提高译码的可靠性，改善系 统性能。 3 ) 递增冗余( ri n c r e m e n t a lr e d u n d a n c y ) 递增冗余主要是通过在重传时提高码字冗余度的方法，来提高译码的可靠性。 随着重传次数的增加，码率逐渐降低，冗余量逐渐增加。第一次传输时，码率较高， 冗余较少。如果判决错误，则降低码率，增加冗余，进行重传，接收端进行合并译 码。这种方式的好处是如果信道较好，可以以较高的速率进行传输，提高了吞吐量； 而如果信道较差，重传的码率降低，译码成功率提高，减少了重传次数。 混合i 型a r q 前面介绍的递增冗余h a r q 存在一个主要缺点，即重传码字不能自解码，必须 和第一次传输的码字合并译码。因此，如果第一次传输的码字丢失或被严重破坏， 则后面的冗余码字即使正确也无法译码。为了解决这个问题，人们提出了可以自解 码的混合i 型a r q 。 混合i 型a r q 采用c p c 码( 互补的打孔码) ，通过不同的删余方式，得到不同 的传输次数对应的码字。这些码字具有相同的码率，通过删余矩阵p i 对信道编码后 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 的码字进行删余处理。删余矩阵中元素为1 的比特要打掉，元素为0 的比特保留，从 而形成不同传输码字的版本。 这些码字可以进行自解码，错误的码字仍然在接收端存储起来，以进行合并译 码。这种h a r q 适合于深衰落的信道。 1 3 论文的主要工作和组织结构 本文把握了h a r q 技术发展的动态，对m i m o 系统中的h a r q 技术进行了深 入的分析讨论，对m i m o o f d m 系统中的自适应传输方案进行了结合h a r q 的分 析改进工作，并对结合载波聚合的h a r q 进程映射机制进行了改进。通过这些工作， 为将来的后续研究工作打下了坚实的基础。 本文共分6 章，各章的内容安排如下： 第一章为绪论部分，主要介绍了研究背景与意义和目前的研究现状，并介绍了 h a r q 技术的基本原理，给出了传统a r q 技术与i - i a r q 技术的具体分类与特征。 第二章介绍了m i m o 信道模型。首先介绍了m i m o 无线信道的主要特征，包 括大尺度衰落和小尺度衰落两类；然后分析了两类典型的信道模型，包括基于相关 矩阵法的信道建模方法和仿真实现过程，如r r u 信道模型和扩展的u 信道模型， 以及基于射线法的s c m 信道模型、s c m e 信道模型和w i n n e r 信道模型等。 第三章重点介绍了l t e 系统中的h a r q 技术原理。详细分析了构成h a r q 的 几个功能模块，如t u r b o 编码、速率匹配等，并根据速率匹配的实现原理设计了 相应的解速率匹配模块。最后通过仿真验证了h a r q 的性能和特性。 第四章是针对应用o f d m 技术的m i m o 系统，设计了一种结合h a r q 的自适 应传输方案，充分利用重传信息和信道信息，通过对空域和频域的二维子信道进行 置换与功率分配，降低误码率与误块率，减少重传次数，提高系统性能。 第五章是针对结合载波聚合的h a r q 进程映射机制进行改进，提出了系统开销 与性能提升得到良好折中的传输方案，充分利用了信道特性，在保证性能提升的前 提下尽可能减少反馈量，具有现实应用价值。 第六章总结了本文的工作，并对进一步的工作和研究方向提出了展望。 6 重庆邮电大学硕士论文第二章无线信道衰落特性及m i m o 信道模型 第二章无线信道衰落特性及m i m o 信道模型 在m i m o 系统中，信道的特性对于系统性能具有非常重要的影响作用，目前的 很多无线通信技术都是从信道的特性出发进行的研究。只有对m i m o 信道充分认识 和理解，才能设计出符合传输原理的方案。本章以此为出发点，首先介绍了无线信 道的一般规律，然后分析了目前的几种典型的信道模型。 2 1 无线信道的衰落特性 物理层是信息源端和目的端之间的通信管道，它由三个基本单元组成，即发射 机、信道和接收机。无线信道通过直射、反射、散射和衍射等几种方式进行信号的 传播，其结果是到达接收机的接收信号与发射信号相比产生了一些变化。无线信道 对信号传输的影响主要包括大尺度衰落和小尺度衰落两类【1 9 1 。路径损耗和阴影衰落 称为大尺度衰落，因为当接收机移动的距离比较大时，他们起主导作用。大尺度衰 落在小区覆盖，容量和切换等方面起到重要作用。另一方面，小尺度衰落由于多径 衰落造成。它的影响在决定链路级性能方面非常重要，如比特错误率、平均衰落区 间等等。这两种衰落并不是独立的，在同一个无线信道中会同时存在。图2 1 给出 了无线信道衰落的分类，本节将对这些衰落进行具体分析。 无线信道衰落分类 大尺度衰落小尺度衰落 路径损耗ll 阴影衰落ii 时延扩展ii 角度扩展ii 多普勒扩展 2 1 1 大尺度衰落 频鬻性 l 平善衰li 空尝性il 快衰落ii 慢衰落衰落l落i衰落f 仄履冶ii 矾冶 图2 1 无线信道衰落的分类 大尺度模型主要用来描述发射机与接收机之间距离较大的情况下信号强度发生 的变化，这个距离一般为几百米到几千米。大尺度衰落即表征在一定时间内接收信 号的均值随着传播距离和环境的变化所产生的缓慢变化。路径损耗与阴影衰落是大 7 重庆邮电大学硕士论文 第二章无线信道衰落特性及m i m o 信道模型 尺度衰落的两类，它们共同反映了信道在大尺度上对所传输信号所产生的影响。 路径损耗 基于理论和测试的传播模型指出，当发射机( t x ) 接收机( r x ) 距离在较大尺 度上( 数百米或数千米) 变化时，无论室内或室外信道，接收信号的平均功率值与 信号传播距离d 的1 1 次方成反比。对于任意收发距离，大尺度路径损耗表示为【2 0 】 p l ( d ) d b 】= p l ( d o ) + l o n l o g ( - ；- ) 式( 2 1 ) “o 其中，n 称为路径损耗指数，表明路径损耗随距离增长地速率，n 值的大小由 具体的传输环境决定。对于自由空间的电波传播，指数1 1 一般取2 。以d o 为近地参 考距离，d 为收发距离。式中的上划线表示给定d 值的所有可能的路径损耗的综合 平均。 无线通信系统中传输信号并非经历自由空间传播，因此学者们提出了许多模 型，如o k u m u r a - h a t a ，k e ，w a l f i s h - i k e g a m i 等，来建模不同传播环境下的路径损 耗，如城市、农村和室内区域【2 1 1 。 阴影衰落 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【删。 阴影衰落是以较大空间尺度来衡量的，其统计特性通常符合对数正态分布。路径损 耗计算没有考虑在相同收发距离情况下，不同位置的周围环境差异。测试表明，对 任意d 值，特定位置的路径损耗又服从随机正态分布。即 一 a p l ( a ) d b 】- 兕( 或) + 1 0 咒1 0 9 ( ) + 以( f ) 式( 2 2 ) 口0 式中，x o 为零均值的高斯分布随机变量，单位为d b ；o 为标准差，单位也是 l b 。对数正态分布描述了在传播路径上，具有相同的收发距离时不同的随机阴影效 应。 2 1 2 小尺度衰落 多径传播是指发射信号通过2 条或更多路径到达接收天线的传播机制。本地散 射物的出现常常阻挡了t x 和i 之间的直射波路径。那么，一个非直达径( l o s ) 传播路径将存在于t x 与r x 之间。因此，电磁波必须要通过反射、折射和衍射来传 播。多个波要在接收天线进行矢量合并来产生合成接收信号，这种现象即多径传播。 在非直达径( l o s ) 传播时，电磁波分量的扩散是由传播环境中散射体的存在。 在这些扩散分量存在时，常常用瑞利分布来描述衰落。但是，当一个如直达径或者 重庆邮电大学硕士论文 第二章无线信道衰落特性及m i m o 信道模型 强反射路径的镜面反射分量到达接收机时，常常用莱斯分布描述衰落。 这时，信道可以用一个具有复低通脉冲响应的线性时变滤波器来建模【2 0 】 h ( t ，f ) = 自( f ) 万( f 一刀) 式( 2 3 ) 1 = 1 这里，l 是可分解的多径分量总数，( f ) 是第，次可分解的多径分量具有的时 变复衰落包络，多径分量的平均时延为玎。每个时变复衰落包络蜀o ) 都是瑞利衰落 或者莱斯衰落。 频率选择性衰落 频率选择性是指信道的脉冲响应随频率改变的特性。多径分量以不同的时延到 达接收端导致了频率选择性衰落。基于频率选择特性的程度，信道可以分为平坦衰 落信道和频率选择性信道。如果所有发射频率的信号经历了相同的幅度和相位改变， 则这种信道称为平坦衰落信道；反之，如果所有发射频率的信号经历不同的幅度和 相位改变，信道称为频率选择性信道【2 n 。 无线通信系统中，多径时延扩展乃是一个非常重要的参数，它定义为具有一定 传输能量的最长路径与最短路径的传播时间差。因此， 乃= m a x l r l f ( t ) 一r j ( t ) l 式( 2 4 ) 信道的时延扩展指示了它的频率相关性，人们也常常用均方根时延扩展吒来进 行分析。相关带宽职近似指示了具有不同信道特性的频率范围，它与时延扩展相 关联，如果频率相关函数大于0 9 ，则相关带宽 1 形盍 式( 2 5 ) 如果频率相关带宽大于0 5 ，则 1 形 式( 2 6 ) j o f 当输入信号的带宽比相关带宽职小很多时，信道称为平坦衰落信道或者频率 非选择性信道。在这种情况下，时延扩展乃远小于符号持续时间，并且一个单抽头 信道滤波器就可以表示信道。当信号的带宽远大于相关带宽时，信道被认为是 频率选择性的，必须用多抽头模型来表示。一个“平坦的信道使具有近似相等的 增益和线性相位的所有频谱成分通过。提供一个相干带宽和时延扩展的确切关系是 非常困难的，因为它是一个信道脉冲响应和应用信号的函数。我们需要采用频谱分 析来确定时变多径对传输信号的确切影响。因此，精确的多径模型是至关重要的。 平坦衰落或者频率选择性衰落并不仅仅反映信道的属性，它还是输入带宽与相关带 宽之间关系的反映。 9 重庆邮电大学硕士论文第二章无线信道衰落特性及m i m o 信道模型 时间选择性衰落 信道的时间选择性衰落是指散射体的运动，发射机或接收机的运动，或者均存 在的运动所造成的多普勒扩展，它导致了发射信号频谱的展宽。这种影响也称为频 率色散【2 1 1 。以信道脉冲响应相对信号发射速率的改变为基础，信道可以分为快衰落 和慢衰落。快衰落是指在发射符号的间隔内信道发生改变，而慢衰落是指在一个符 号持续时间内信道近似不变。信道时间选择性的一个较好的测量方法是基于信道的 相关时间，或者等价于多普勒扩展。 信道滤波器抽头变化的时间尺度是一个重要的信道参数。令1 ，表示发射机和接 收机之间的相对速度，秒表示移动方向与电波入射方向之间的角度。当信号频率为z 时，多普勒频移为 ， 石= z z v e o s ( o ) 式( 2 7 ) c 这里c 是光速。显然，当相对角度为0 。时得到最大的多普勒频移怎。如果 对第，个抽头产生影响的不同路径具有不同的多普勒频移，那么第，个抽头的幅度 会显著改变。这些改变以一个时间尺度出现，它与多普勒频移的最大变化成反比。 一个无线信道的相关时间t c 定义为抽头幅度明显改变的间隔，它与多普勒扩展相 关，它的一种定义方法【2 1 1 是： 瓦_ 0 4 2 3式( 2 8 ) ，蛆 如果相关时间疋明显小于基带信号的符号周期，则基带信号的传输过程中信道 会发生改变，从而发生失真，这种信道称为快衰落信道；而如果瓦大于符号周期， 传输过程信道不变，称为慢衰落信道。 空间选择性衰落 信号在本地散射体影响下呈现角度上的扩展，导致天线元素之间存在一定的相 关性，这称为空间选择性衰落，常用相干距离来描述。接收机的角度扩展指的是多 径信号到达天线阵列的到达角度的展宽。同样，发射端的角度扩展指的是由多径的 反射和散射引起的发射角的展宽。角度扩展给出接收信号主要能量的角度范围，产 生空间选择性衰落，即信号幅值与天线的空间位置有关。相干距离定义为两根天线 上的信道响应保持强相关时的最大空间距离。相干距离越短，角度扩展越大：反之， 相干距离越长，则角度扩展越小。典型的角度扩展值为：室内环境3 6 0 0 ，城市环境 2 0 0 ，平坦的农村环境1 0 。 1 0 重庆邮电大学硕士论文 第二章无线信道衰落特性及m i m o 信道模型 2 2m i m o 信道建模 信道建模是m i m o 系统研究中的一项重要内容，目前学者们提出了很多信道模 型，对其分类也有很多，本节将从两方面介绍m i m o 信道。一类是基于相关矩阵法 的信道建模，它属于分析模型【2 l 】，使用数学分析的方法描述信道特性。这种模型是 一种生成信道矩阵较为简单的方法，便于在蒙特卡洛仿真中使用。对于天线较多的 链路，信道相关矩阵的生成需要大量信息来估计和反馈。为了解决这些问题，提出 了许多简化模型。另一类是基于射线法的信道建模，它属于物理模型【2 l 】。这种信道 建模中，信道矩阵信息基于一个特定环境中信号的传播特性，它需要信道环境的一 些信息来提供准确的结果。 2 2 1 基于相关矩阵法信道建模 基于相关矩阵法信道模型体现了空间信道之间的相关性，它利用实际测量的数 据或信道统计信息得到空间信道的各种参数，例如时延扩展、角度扩展等，然后由 这些参数推出信道空间相关矩阵。 相关矩阵法建模过程 基于在1 7 1 g h z 与2 0 5 g h z 载频下分别对室内窄带与宽带信道测试的结果， k e r m o a l 等提出了一种基于功率相关矩阵的随机m i m o 信道模型【2 2 】【2 3 1 ，其中n * m m i m o 系统的上行链路信道模型为 日( _ ) = q 艿p 一勺) 式( 2 9 ) 其中，h ( r ) 是m * n 信道冲激响应矩阵，l 是可分辨的多径数目，e 是延迟为 乃的复信道系数矩阵，并假定其元素服从零均值复高斯分布，且它们具有相同的 平均功率p f ，它由功率迟延谱确定。 发送端与接收端的相关特性分别通过相应的功率相关矩阵尺与尺脯描述，其 元素可分别表示为 噍= ( 蚶，i 1 2 ) ；兹= ( 蚶，叫2 ) 式( 2 o ) 式中，厩：与虎：分别是发送端与接收端的功率相关系数，定义为 p = ( 口，6 ) 2 面两e i ( a b 雨) - e 丽( a ) e 丽( b ) 式( 2 1 1 ) 其中，e ( ) 代表取期望值，空间相关系数可表示为发送端和接收端的相关系数 的乘积形式，即 重庆邮电大学硕士论文第二章无线信道衰落特性及m i m o 信道模型 或瓮= ( i n 他1 2 ) = 裱噍 式( 2 1 2 ) 从而m i m o 信道的相关矩阵可表示为两个相关矩阵的直积( k r o n e 圮k e r 积) 形 式 尺膨啪：r 0 r 。吖式( 2 1 3 ) 由尺脚进行相应的矩阵分解得到一个对称映射矩阵c ，c 即为m i m o 信道的 空间相关成形矩阵，即 尺4 舢= c c r式( 2 1 4 ) 如果使用的是复数相关矩阵，则应对r 脚作c h o l e s k y 分解；如果使用的是功 率相关矩阵，则应对r 一作矩阵的平方根分解。a 为零均值，方差为1 的i i d 复高 斯变量，a 反映了m i m o 信道的时频衰落特性。最后，按照下式计算m i m o 信道系 数矩阵： v e c ( h t ) = h = 曰c 岛 式( 2 1 5 ) 式中，v e c ( ) 是矩阵向量化操作，即将矩阵按列堆叠成一个列向量，g i 是m n 1 的列向量。 相关矩阵法仿真实现过程 图2 2 相关矩阵法m m o 信道模型的仿真流程 通过上节的描述，相关矩阵法m i m o 信道模型的仿真流程如图2 2 所示。在初 1 2 重庆邮电大学硕士论文第二章无线信道衰落特性及m i m o 信道模型 始阶段，首先需要选择仿真的m i m o 无线信道场景。仿真场景是指城区、郊区和乡 村等传播环境，以及通信的方向，即是上行链路还是下行链路。然后选择发射端和 接收端的天线阵列结构，即发射端和接收端的天线数目、天线间距以及阵列的拓扑 结构( 均匀线性阵列或其他结构) 等。再输入相应的信道参数，包括信道的功率时 延谱( p d p ) 、多普勒功率谱、功率角度谱( 队s ) 、到达角( a o a ) 、离开角( a o d ) 和角度扩展( a s ) 等，根据通信的方向( 上行或下行) 分别计算m i m o 信道收发 两端的空间相关矩阵尺掰和r 肽，并得到m i m o 信道的整体相关矩阵尺脚，再对 r 删进行相应的矩阵分解得到m i m o 信道空间相关矩阵c ；然后按照信道的p d p 进行各个支路的功率分配，再根据上节所述的方法产生相关衰落系数( 相关成形、 多普勒谱成形) ，最后可得到信道系数矩阵h 。 r r u 信道模型 u 信道模型用于发展无线接入系统的第三代“i m t 2 0 0 0 家族 2 4 1 。主要用户 场景包括室内办公室、室外到室内、行人和车辆的无线环境。描述每个传播模型的 关键参数包括时延扩展及其统计可变性、路径损耗和阴影衰落特性、多径衰落特性、 以及使用的载波频率。每个环境被定义为具有不同的发生可能性的两个方案：一个 较小的时延扩展情况和一个较大的时延扩展情况。 表2 1 删模型中多径衰落传播条件 扩展的i t u 信道模型【z 副 在3 g p p 中，l t e 的信道模型基于现有模型的合成，例如r r u 和3 g p p 模型。确切 的说，以涵盖了从3 5 n m 至u 4 0 0 0 n m 的附加( 最大) 时延扩展的r r u 模型为出发点，同 时考虑了最大附加时延1 0 0 0 n s 的g s m 典型城市( i u ) 模型。这样一来，低的、中等 的、大的时延扩展值的扩展带宽就可以被分辨出来。低时延扩展给出了一个e p a ( e x t e n d e dp e d e s t r i a na ) 模型，即在有相当小的单元尺寸的城市环境( 或者具有低 时延扩展的乡村环境) 中所采用，中等的和大的时延扩展分别给出了e v a ( e x t e n d e