（通信与信息系统专业论文）mimo无线信道建模与仿真.pdf

中文摘要 中文摘要 多入多出( m i m o ) 技术被认为是现代通信技术中的重大突破之一，越来越成为 无线通信领域的研究热点。m i m o 技术是未来无线通信系统中实现高数据速率传 输、改善传输质量、提高系统容量的重要途径。目前，m l m o 技术已经在宽带无 线接入、3 g 、b 3 g 等无线通信系统中得到了广泛的应用。然而，m i m o 无线系统 大容量的实现和其它性能的提高极大地依赖于m i m o 无线信道的特性；同时，研 究基于m i m o 的各种关键技术和处理算法也需要建立m i m o 信道的模型，进行 相应的仿真，以便评估各种处理算法的优劣和系统性能的好坏。基于上述原因， 本文研究了现有应用环境下m i m o 无线通信系统的信道建模理论与方法，综合了 一个宽带统计m i m o 无线信道模型，可以作为研究m i m o 无线通信系统的一个通 用空时信道模型。分别建立了3 g p p , i e e e 8 0 2 1 6 、i e e e 8 0 2 1 1 n 和分布式m i m o 系统的m i m o 信道基于s y n o p s y s c o s s a p 的仿真平台，进行了大量的计算机仿 真，得出了一批有用的仿真结果，对仿真结果进行了分析比较。本文的主要内容 概括如下： 在绪论中，简述了本文的研究背景和意义，总结了m i m o 无线信道建模的研 究现状，指出了还存在的问题，指明了本文的研究动机和出发点。 在本文的前半部分( 第二章) ，进一步总结了现有的m i m o 无线衰落信道模型 和建模方法。并在此基础上，根据发射端和接收端天线的阵列结构、发射信号的 离开角与角度扩展、接收信号的到达角与角度扩展、角度功率谱、多普勒功率谱 和信道的功率时延分布等参数，综合了一个统计m i m o 无线信道模型。讨论了对 相关性建模的等效形式和对视距路径传播的建模方法。还详细描述了基于三种常 见的角度功率谱计算信道相关系数的问题。最后，基于该统计m i m o 信道模型， 提出了一种分布式m i m o 系统的信道模型，该信道模型综合考虑了小尺度衰落、 大尺度路径损耗和阴影效应，同时也考虑了天线元之间的空间相关性，能够比较 全面的反映分布式m i m o 系统的信道特性，符合实际的应用环境。 本文的后半部分( 第三章和第四章) 详细阐述了对所提出的统计m i m o 信道模 型进行计算机仿真的问题。首先详细讨论了仿真设计的思路、方法、仿真处理流 程和相关衰落系数的产生，并针对3 g p p 、i e e e 8 0 2 1 6 、i e e e s 0 2 1 i n 以及分布式 中文摘要 m i m o 等系统的m i m o 无线信道的特点，分别给出了这些系统基于s y n o p s y s c o s s a p 的m i m o 信道仿真模型。然后分别对这些m i m o 系统的m i m o 信道进 行了仿真，验证了所提出的m i m o 无线信道模型的正确性，得出了包括信道的衰 落特性、空间相关性和信道容量在内的大量仿真结果，并对仿真结果进行了详细 的分析和比较。 最后，第五章对全文进行了概括性的总结，明确了下一步有待进行的工作和 未来的一些研究方向。 关键词：多入多出，m i m o ，无线衰落信道，信道建模，信道仿真 i i 一一垒塑型 t h em u l t i p l e - i n p u tm u k i p l e o u t p u t ( m i m o ) t e c h n o l o g yi sc o n s i d e r e da so n eo f t h em o s tp r o m i s i n gb r e a k t h r o u g ht e c h n o l o g yt oi m p r o v es y s t e mp e r f o r m a n c e ，e n h a n c e t h ec 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 m ot e c h n o l o g yh a sb e e na l r e a d yu s e di n s u c h s y s t e m sa s3 q ：b 3 ga n db r o a d b a n dw i r e l e s s a c c e s s a l t h o u g h ，t h eh i g h p e r f o r m a n c ep r o m i s e db ym i m ot e c h n o l o g yi sh i g ! 1 1 yd e p e n d e n to nt h ep r o p a g a t i o n c h a n n e l s ，m e a n w h i l e w en e e dt oe s t a b l i s hm i m 0r a d i oc h a n n e lm o d e l sa n d c o r r e s p o n d i n gs i m u l a t i o n st or e s e a r c hk e yt e c h n o l o g i e sa n da l g o r i t h m si nm i m o s y s t e m sa n dt oe v a l u a t et h es y s t e mp e r f o r m a n c e b a s e do ns u c hr e a s o n s ，i nt h i s d i s s e r t a t i o n ，s o m er e s e a r c ho n ：m i m or a d i oc h a n n e lm o d e l i n gw a sd o n e ，a n dw e p r o p o s e das t o c h a s t i cm i m oc h a n n e lm o d e lw h i c hc o u l ds e r v ea sag e n e r a l i z e dm i m or a d i o c h a n n e lm o d e li nm i m ot e c h n o l o g y r e s e a r c h t h ec o m p u t e r - a i d e ds i m u l a t i o nm o d e l so f m i m or a d i oc h a n n e l si u3 g p p ，m e e 8 0 2 1 6 i e e e s 0 2 1 i na n dd i s t r i b u t e dm 1 m 0 s y s t e m sw e r ee s t a b l i s h e d al o to fs i m u l a t i o nr e s u l t sw e r eo b t a i n e db a s e do nt h e s e s i m u l a t i o nm o d e l s ，a n ds o m ea n a l y s e sa n dc o m p a r i s o no ft h er e s u k sw e r em a d e 。t h e m a i nc o n t e n t so f t h i sd i s s e r t a t i o na t ee x p r e s s e da sf o l l o w s ： i nt h ef i r s tc h a p t e r , w ei n t r o d u c e dt h eb a c k g r o u n da n dt h es i g n i f i c a n c eo ft h e r e s e a r c hi n t h i sd i s s e r t a t i o na sw e l la st h es t a t e o f - t h e a r ti nm i m 0r a d i oc h a n n e l m o d e l i n g s o m ec o n c e n t r a t e dp r o b l e m sa n df i m d a m e n t a lq u e s t i o n sw e r ea l s op o i n t e d o u t i nt h ef o r m e rp a r t ( c h a p t e rt w o ) o ft h ed i s s e r t a t i o n ，f u r t h e rc o n c l u s i o n so nm i m o r a d i oc h a t m e lm o d e l i n gw e r em a d e t h e n ，b a s e do nt h ee x i s t i n gm e t h o d so fm i m o w i r e l e s sc h a n n e lm o d e l i n ga n dav a r i e t yo fp r e s e n tm i m ow i r e l e s sc h a n n e lm o d e l s ，w e i n t e g r a t e daw i d e b a n dm i m oc h a n n e lm o d e l i t so fs t o c h a s t i ct y p ea n du s e st h ea n g l e o fa r r i v a l ，a n g l eo fd e p a r t u r e ，a z i m u n ls v e a d ，t h et o p o l o g yo fb o t ht r a n s m i t t e ra n d r e c e i v e r , t h ed o p p l e rs p e c t r u m t h ep o w e rd e l a yp r o f i l e , e t c a si t sp a r a m e t e r s a n dw e d i s c u s s e da ne q u i v a l e n tm e t h o dt om o d e lt h es p a t i a lc o r r e l a t i o no fm i m oc h a n n e l w e a l s od e s c r i b e dt h ed e f i n i t i o na n dt h ec a l c d a t i o no fs p a t i a lc o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n to f m i m 0c h a n n e lb a s e do nt h r e ec o m m o np o w e ra z i m u t hs p e c t r u m si nd e t a i l a t 血ee n d a b s t r a c l o ft h i sp a r t ，w ep r o p o s e dac h a n n e lm o d e lf o rt h ed i s t r i b u t e dm i m o s y s t e m s ，w h i c h c o m p r e h e n s i v e l ym o d e l e dt h ep r o p a g a t i o ne n v i r o n m e n tb yt a k i n gi m oa c c o u n tt h es m a l l s c a l ef a d i n g , t h ep a t hl o s s ，t h es h a d o w i n ge f f e c ta n dt h es p a t i a lc o r r e l a t i o no ft h e c h a r m e l i nt h el a t t e rp a r t ( c h a p t e rt h r e ea n dc h a p t e rf o u r ) o ft h ed i s s e r t a t i o n ，w ed e s c r i b e d v a r i o u sa s p e c t sc o n c e r n i n gt h es i m u l a t i o no ft h em i m 0c h a n n e lt h a tw ep r o p o s e d f i r s t l y , t h ed e s i g nm e t h o d ，t h ep r o c e s sp r o c e d u r e s a sw e l la st h eg e n e r a t i o no ft h e c o r r e l a t e df a d i n gc o e f f i c i e n t so ft h es i m u l a t i o nw e r ed i s c u s s e d t h es i m u l m i o nm o d d s a n dd e s i g nb l o c kd i a g r a m sw h e nu s i n gs y n o p s y s c o s s a a , 。s o f t w a r et os i m u l a t et h e m i m oc h a n n e lm o d e la c c o r d i n gt ot h es p e c i f i c a t i o n so f3 g p p , i e e e s 0 2 1 6 ， i e e e 8 0 2 1i na n dd i s t r i b u t e dm i m os y s t e m sw e r ep r e s e n t e d s e c o n d l bb a s e do nt h e s i m u l a t i o nm e t h o d sa n ds i m u l a t i o np l a f f o r m sw eh a de s t a b l i s h e da n ds i m u l a t e dt h e m i m ow i r e l e s sc h a n n e l so ft h em i m os y s t e m st h a tm e n t i o n e da b o v er e s p e c t i v e l yt o v a l i d a t et h em o d e lw ep r o p o s e d al o to fs i m u l a t i o nr e s u l t sw e r ep r e s e n t e d ，i n c l u d i n g t h ef a d i n gc h a r a c t e r i s t i c s ，t h es p a t i a lc o r r e l a t i o na n dt h ec h a n n e lc a p a c i t y , e t c w e c o m p a r e d 也er e s u l t st ot h et h e o r e t i c a lv a l u e sa n dt f l em e a s u r e m e n td a t af r o mr e f e r e n c e m a t e r i a l s ，w ea l s oa n a l y z e dt h er e s u l t s f i n a l l y ，i nc h a p t e rf i v e ，w es u m m a r i z e dm a dc o n c l u d e dt h ew h o l ed i s s e r t a t i o n f u r t h e rr e s e a r c hi s s u e sa n dp o s s i b l er e s e a r c hd i r e c t i o n sw e r ep o i n t e do u t k e y w o r d s ：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 ，m 1 m o ，w i r e l e s sf a d i n gc h a n n e l ，c h a n n e l m o d e l ，c h a r m e ls i m u l a t i o n 图形列表 图形列表 图1 - 1m i m o 无线通信系统框图2 图1 2m i m o 信道建模方法的分类4 图2 - 1m i m o 信道模型示意1 9 图2 - 2m i m o 信道的数据模型2 0 图2 3 两个波簇的均匀、高斯和拉普拉斯分布的角度功率谱2 9 图2 - 4 功率相关系数与天线归一化间距之间的关系3 0 图2 5c m 工) 分布式m i m o 系统的信号模型3l 图3 1m i m o 信道的抽头延迟线模型3 8 图3 - 2m i m o 信道相关衰落的产生3 8 图3 3m d “o 信道模型的仿真流程3 9 图3 43 g p p m i m o 信道的c o s s a p 仿真框图4 1 图3 5i e e e 8 0 2 1 6 信道的多普勒功率谱4 3 图3 - 6i e e e 8 0 2 1 6m i m 0 信道的c o s s a p 仿真框图4 4 图3 7 “b e l l ”形多普勒谱示意图4 5 图3 8 b e l ls p i k e ”形多普勒谱示意图4 6 图3 - 9i e e e 8 0 2 1 1 n 信道衰落系数的产生过程4 9 图3 1 0i e e e 8 0 2 1 l nm i m o 信道的c o s s a p 仿真框图一4 9 图4 - 13 g p p 信道时域衰落特性曲线5 2 图4 - 23 g p p 信道包络的累积分布函数曲线5 3 图4 - 33 g p p 信道的功率时延分布5 3 图4 43 g p p 信道的多普勒功率谱5 4 图4 53 g p p 信道的空间相关性曲线5 4 图4 6i e e e 8 0 2 1 6 信道包络的累积分布函数曲线5 6 图4 7i e e e s 0 2 1 6 信道的时域电平交叉率曲线一5 6 图4 8i e e e s 0 2 1 6 信道的平均衰落时长曲线5 7 图4 9i e e e 8 0 2 1 6 信道的多普勒功率谱曲线5 7 图4 1 0i e e e s 0 2 1 l n 信道时域衰落特性曲线6 0 图4 一1 1i e e e 8 0 2 1 i n 信道的多普勒功率谱曲线6 0 v i i 图形列表 图4 1 2i e e e 8 0 2 1 1 n 信道的空间相关性曲线6 1 图4 1 3i e e e 8 0 2 1 1 n 信道容量( l o s ，2 x 2 ，0 5 柚6 l 图4 ，1 4i e e e 8 0 2 1 1 n 信道容量( l o s ，4 x 4 ，0 5 柚6 2 图4 1 5i e e e 8 0 2 1 l n 信道容量( n l o s ，2 x 2 ，0 5 柚6 2 图4 1 6i e e e 8 0 2 t l n 信道容量( n l o s ，2 x 2 ，2 柚6 3 图4 ，1 7i e e e 8 0 2 1 1 n 信道容量n l o s ，4 x 4 ，0 5 柚6 3 图4 1 8 相关性和大尺度衰落对信道容量的影响6 5 图4 ，19 分布式m i m o 系统上行链路信道容量( g = 3 d b ，o - = 6d b ) 6 6 图4 ，2 0 分布式m i m o 系统下行链路信道容量( 3 d b ，g _ 6d b ) 6 6 v 表格列表 表格列表 表2 1 衰落信道的特性1 4 表2 - 2 衰落信道的分类1 4 表3 13 g p pm i m o 信道模型参数4 0 表3 2i e e e 8 0 2 1 6m i m o 信道模型参数4 2 表3 - 3i e e e 8 0 2 1 l n 的六种信道模型4 4 表3 4 模型d 、e 中荧光灯效应所调制的径数4 7 表4 - 1i e e e 8 0 2 i l i a 信道仿真参数5 8 堕堕至墅竖壅 3 g 3 g p p a d f a o a a o d a s b 3 0 b l a s t b s c d f c d m a c o s t d d c m d o a g b s m g s m e e i i d i s i i t u l c r l o s 缩略语对照表 1 1 l i r dg e n e r a t i o n t h i r dg e n e r a t i o np a r t n e r s h i pp r o j e c t a v e r a g ed u r a t i o no f f a d e s a n g l eo f a r r i v a l a n g l eo f d e p a r t u r e a z i m u t hs p r e a d b e y o n dt h i r dg e n e r a t i o n b e l ll a y e r e ds p a c e t i m ea r c h i t e c t u r e b a s es t a t i o n c u m u l a t i v ed i s m b u t i o nf u n c t i o n c o d ed i v i s i o nm u l t i o l ea c c e s s e u r o p e a nc o o p e r a t i o ni nt h ef i e l do fs c i e n t i f i c a n d r e c h n i c a lr e s e a r c h d o u b l ed i r e c t i o n a lc h a n n e lm o d e l d i r e c t i o no f a r t i v a l g e o m e t r i c a l l y - b a s e ds t o c h a s t i cm o d e l g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n i n s t i t u t eo f e l e c w i c a la n de l e c t r o n i c se n g i n e e r s i n d e p e n d e n ti d e n t i c a l l yd i s t r i b u t e d i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e i n t e r n a t i o n a lt e l e c o m m t m i c a t i o n su n i o n l e v e lc r o s s i n gr a t e l i n eo fs i g h t x 第三代( 移动通信系统) 3 g 合作项目 平均衰落时长 到达角 离开角 角度扩展 后3 g b e l l 实验室分层空时结 构 基站 累积分布函数 码分多址 ( 欧洲) 科学技术联合研 究会 双方向性信道模型 波达方向 基于( 散射体) 几何关系 的统计模型 全球移动通信系统 电气与电子工程师协会 独立同分布 符号间干扰 国际电信联盟 电平交叉率 视距路径 缩略语对照表 皿d 匪d s m 匣t r a m i m o s o m o e a m s n l o s o f d m p l s p d f p d p p s d r m s s i m o s i s 0 s o s s t c t d l u c a u l a u w b v r m w l a n q i n w p a n w s s u s m e t h o do f e q u a ld i s t a n c e m e t h o do f e x a c td o p p l e rs p r e a d m u l t i - e l e m e n tt r a n s m i ta n dr e c e i v ea r r a y m u l t i p l e i n p u tm u r i p l e - o u t p u t m u l 卸l e - i n p u ts i n g l e - o u t p u t m e t h o do f e q u a la r e a m o b i l es t a t i o n n o n - l i n eo f s i g h t o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g p o w e r a z i m u t hs p e c m a m p r o b a b i l i t yd e n s i t yf u n c t i o n p o w e rd e l a yp r o n e p o w e rs p e c t r u md e n s i t y r o o tm e a ns q u a r e s i n g l e - i n p u tm u l t i p l e o u t p u t s i n g l e - i n p u ts i n g l e - o u t p u t s u m 0 f - s i n u s o i d s s p a c e - t i m ec o d e s t a p p e dd e l a yl i n e u r g f o r mc i r c u l a ra r r a y u n i f o r ml i n e a ra r r a y u l t r aw i d e - b a n d v t u a tr a ym o d e l w i r e l e s sl o c a la t e an e t w o r k w i r e l e s sm e t r o p o l i t a na r e a n e t w o r k w i r e l e s sp e m o n a l a r e an e t w o r k w i d e s e n s es t a t i o n a r yu n c o r r e l a t e ds c a t t e r i n g x i 等距离法 精确多普勒扩展法 多元收发阵列 多入多出 多入单出 等面积法 移动台 非视距路径 正交频分复用 ( 方位) 角度功率谱 概率密度函数 功率延迟分布 功率谱密度 均方根 单入多出 单入单出 正弦波叠加法 空时编码 抽头延迟线 均匀圆形阵列 均匀线性阵列 超宽带 虚射线模型 无线局域网 无线城域网 无线个人区域网 广义平稳非相关散射 独创性声明 本人声明所呈交的学位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。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，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 为获得电子科技大学或其它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 确的说明并表示谢意。 签名： 绦日莞军 日期：z 6 年；月j ；日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，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，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名： i 惫醌霉 导师签名 日期：z u0 6 年；月i ；日 第一章绪论 1 1 本文的研究背景和意义 第一章绪论 在过去的三十多年里，伴随着半导体技术、微电子技术和计算机技术的发展， 无线通信技术得到了迅猛的发展和广泛的应用，极大的推动了社会的发展进步。 无线通信产业如今已成为世界各国信息基础建设中不可缺少的一部分。在我国， 近几年的个人移动用户数目激增，无线通信行业的大发展带动了整个通信产业的 繁荣，信息与通信产业在我国国民生产总值中所占的比重也不断提高，逐渐成为 绎济发展的支柱型产业【2 】。 当前对无线通信的研究主要集中在宽带移动通信和宽带无线接入两个方向。 宽带移动通信系统主要提供广域覆盖，支持用户终端的大范围漫游与高速移动。 对宽带移动通信系统的研究主要集中于对3 g 演进技术以及对b 3 g ( b e y o n d3 g ) 系 统的研究p 1 4 c s 。目前对b 3 g 的说法莫衷一是，但人们普遍认为b 3 g 系统将是基 于i p v 6 核心网互连互通，适合于突发分组业务和各种多媒体业务，峰值传输速率 达到2 0 1 0 0 m b s ，广泛应用于各种电信环境的无线系统的总和胪j 。宽带无线接入 系统主要提供从几米到几十千米范围的本地覆盖。目前的宽带无线接入系统主要 有无线个域网( w p a n ，w i r e l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r k ) ，包括i e e e ( i n s t r u t ef o r e l e c t r i c a la n de l e c t r o n i ce n g i n e e r s ，电气与电子工程师协会) 8 0 2 1 5 系列；无线局域 网( w l a n ，w i r e l e s s l o c a l a r e a n e t w o r k ) ，包括欧洲的h i p e r l a n 系列和i e e e 8 0 2 1 1 系列，如8 0 2 1 l a 、8 0 2 1 l b ( w i f i ) 、8 0 2 1 l g 以及正在制定中的下一代无线局域网 标准8 0 2 1 i n ；无线区域网( w r a n ，w i r e l e s sr e g i o n a la r e an e t w o r k ) ，包括正在制定 中的i e e e 8 0 2 2 2 标准；固定宽带无线接入系统，包括i e e e 的无线城域网( w m a n ， w i r e l e s sm e t r o p o l i t a na r e an e t w o r k ) 8 0 2 1 6 ( w i m a x ) 系列等【6 】。此外，i e e e 8 0 2 工 作组正在制定支持移动的宽带无线接入标准i e e e 8 0 2 2 0 ( m o b i l e - f i ) 。 随着无线通信技术的不断发展，用户对数据传输速率和多种无线业务的需求 也在不断增加，除了传统的语音业务外，人们期望能以较低的价格和更高的数据 速率获取i n t e m e t 接入和多媒体服务。此外，以g s m ( g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l e c o m m u n i c a t i o n ) 为代表的第二代蜂窝移动通信系统频谱利用率较低，可利用的无线 电子科技大学硕士学位论文 频谱资源又日趋紧张，无线通信系统在系统容量、网络覆盖、运营成本等方面出 现了一些新的问题和矛盾。上述两个方面的需求不断地推动着新型无线通信技术 的诞生、发展和应用。尤其近几年来，无线数据和移动i n t e r n e 业务需求的持续 增长，使得如何实现高频谱利用率并支持分组业务的高速数据传输成为迫切需要 解决的根本问题，这对未来一代无线通信网络和无线传输技术提出了巨大挑战。 从技术角度看，解决这一问题需要研究全新的无线网络结构和新型的无线传输技 术【1 1 1 2 1 1 7 1 。 在过去十年里，无线通信中受到较多关注的新兴技术主要有：码分多址 ( c d m a ，c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) i 、正交频分复用( o f d m ，o r t h o g o n a l f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 删、智能天线( s m a r ta n t e n n a ) i o l 、u w b ( u l t r aw i d e b a n d ，超宽带) 技术1 、多入多出m 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 ) 技术 1 2 1 1 3 1 、 软件无线电技术1 卅以及认知无线电( c o g n i t i v er a d i o ) 1 5 1 等。在上述的这几种技术 中，以m i m o 为代表的多天线技术在无线通信中的应用显得更为广泛，正扮演着 越来越重要的角色。目前m m o 技术已经在前述的无线通信的两个主要领域 宽带移动通信系统和宽带无线接入系统中得到了广泛的应用，如3 g 、b 3 g 、 i e e e s 0 2 1 6 和i e e e s 0 2 1 i n 等系统。 图1 1m i m o 无线通信系统框图 在无线通信系统中，m i m o 定义为无线链路的发送端和接收端同时配置多个 天线阵元时构成的一种空时通信结构【1 6 1 。m 1 m o 系统结构如图1 - 1 所示。m i m o 技术的核心是空时信号处理，利用在空间中分布的多个天线将时间域和空间域结 合起来进行信号处理。m i m o 技术有效地利用了信道的随机衰落和多径传播来成 倍的提高传输速率，改善传输质量和提高系统容量，能在不额外增加信号带宽的 前提下带来无线通信性能上几个数量级的提高。目前对m i m o 技术的应用主要集 中在以空时编码( s t c ，s p a c e t i m ec o d e s ) “7 l 为典型的空间分集( d i v e r s i t y ) 和以 b l a s t ( b e l ll a y e r e ds p a c e t i m ea r c h i t e c t u r e ) 1 8 1 为典型的空i n g n ( m u l t i p l e x i n g ) i n 2 第一章绪论 个方面，文献【1 9 】讨论了分集和复用之间的关系，并提出了如何取得分集与复用最 优折中的一些观点。m i m o 作为未来一代宽带无线通信系统的框架技术，是实现 充分利用空间资源以提高频谱利用率的一个必然途径，基于m i m o 的无线通信理 论和传输技术显示了巨大的潜力和发展前景。 然而，m i m o 系统大容量的实现和系统其它性能的提高以及m i m o 系统中使 用的各种信号处理算法的性能优劣都极大地依赖于m i m o 信道的特性，特别是各 个天线之间的相关性【1 2 1 1 1 6 i 。最初对m i m o 系统性能的研究与仿真通常都是在独立 信道的假设下进行的，这与实际的m i m o 信道大多数情况下具有一定的空间相关 性是不太符合的。m i m o 系统的性能在很大程度上会受到信道相关性的影响。因 此，建立有效的能反映m i m o 信道空间相关特性并且适用于系统级和链路级仿真 的m i m o 信道模型以选择合适的处理算法并评估系统性能就变得相当重要了。 1 2m i m o 信道建模的研究现状 对于m i m o 信道模型的研究，存在两个基本问题 2 0 1 ： 1 什么样的理论模型能更准确地描述m i m o 信道的空、时、频三维的统计 衰落特征? 2 如何扩展已有的信道建模方法以有效且准确地构建m i m o 信道模型? 并且，在建立m i m o 信道的仿真模型时，如何保证较低的实现复杂度? 为解决第一个问题，首先需要在不同电波传播环境中，通过测量获知m i m o 信道衰落的经验数据，然后进行统计分析和建模。为此，国外的一些研究组织和 大学进行了大量的m i m o 信道衰落特性测量【2 1 】- 2 7 1 。测量的频率主要集中于2 g h z 和5 g h z ；测量环境包含了室内、室外、城区和郊区等：测量的内容较多的涉及 m i m o 信道的多径时延、多径衰落幅度和相位及多径的方向性特征的时间统计特 性：也关注了不同环境下，多径到达接收端的a o a ( a n g l eo f a r r i v a l ，到达角) 和多 径离开发送端的a o d ( a n g l eo f d e p a r t u r e ，离开角) ；还关注了天线阵列结构导致的 发送衰落相关特性和接收衰落相关特性等。 针对第二个问题，如图1 2 所示，目前用于m i m o 信道建模的方法主要有两 大类1 2 8 ：一类是确定性衰落信道建模方法，这类方法基于对特定传播环境的准确 描述，具体又可分为基于冲激响应功率时延特征测量数据的方法和基于射线跟踪 一皇量型垫盔堂堡主堂垡堡墨 的建模方法p 1 。另一类建模方法是基于统计特征的建模方法，与确定性建模方法 相比，这类建模方法试图利用统计平均的方法重新产生观察到的m i m o 信道的衰 落现象，具体可分为基于几何分布的统计建模( g b s m ，g e o m e t r i c a l l y b a s e d s t o c h a s t i cm o d e l ) 、参数化建模和基于空时相关特征建模等三种方法【2 9 1 1 3 0 1 。 图1 - 2m i m o 信道建模方法的分类 基于信道冲激响应的确定性m i m o 信道建模方法源于对单天线多径衰落信 道的仿真方法。该建模方法通过对m i m o 信道衰落的测量，获得特定电波传播环 境的信道冲激响应测量数据，利用正弦波迭2 口( s o s ，s u m o f - s i n u s o i d s ) 方法 3 1 【3 2 即可模拟m o 信道的衰落过程。在整个信道衰落的模拟过程中，信道衰落只视 为时间的函数，因此称为确定性建模方法。相对于其它建模方法，确定性m i m o 信 道建模方法具有运算量小，建模过程简单的特点，但是其缺点是需要信道冲激响 应的测量数据，因此只能用于特定的传播环境。基于射线跟踪( r a y t r a c i n g ) 的建模 方法【3 3 1 是另一种确定性建模方法。它利用事先得到的地理信息数据，在指定的传 播环境通过跟踪多径传播的空时特征，从而得到信道摸型。但是，利用射线跟踪 的建模方法局限于室内应用，不具有广泛的适用性。 统计特征建模方法中，基于( 散射体) 几何分布的建模( g b s m ) 方法是被广泛研 究的一种建模方法【2 9 3 4 】。它通过描述传播环境中存在的散射体的统计分布，利用 电磁波经历反射、绕射和散射时的基本规律构建m i m o 衰落信道模型。在不同的 传播环境中，通常假设在用户端和基站端具有不同的散射体几何分布，常用的几 何分布模型包括单环( s i n g l er i n g ) 、x 2 环( t w or i n g ) 、椭圆和扇形等，多数g b s m 只 4 第一章绪论 假设电波传播经过散射体时发生了单反射过程，也有文献考虑了多次反射的过程。 比如在文献 3 5 考察的“锁孔”( k e y h o l e ) 或“针孑l ”( p i n h o l e ) 效应，就是由于用户 和移动台之间的传播距离远大于散射体的有效半径时，导致衰