（电磁场与微波技术专业论文）基于射线追踪的mimo信道研究.pdf

i 、 r-h 南京邮电大学硕士学位论文摘要 摘要 m i m o 信道可以成倍地提高无线信道容量，在不增加带宽和天线发送功率的情况下， 频谱利用率可以成倍地提高。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。 本文主要研究m i m 0 室内信道模型，建立了基于射线跟踪方法的确定性模型。对模型 进行仿真，并把仿真结果和文献进行对比，证明了所建立模型的正确性。 本文研究的主要内容如下： ( 1 ) 在研究了传统射线跟踪技术的基础上，利用射线跟踪方法中的镜像法结合电磁理论， 仿真分析了室内m i m o 信道模型。在天线垂直放置情况下，在整个空间平面内估计 m i m o 信道的容量大小及容量分布图。 ( 2 ) 信号带宽为窄带的情况下，分析视距l o s 环境下的各种参量对容量的影响，改变环境 参数及带宽大小，分析不同的环境下( 非视距n l o s ) 的各种参量对容量的影响，包 括：接收功率，时延扩展，到达角a o a ，离开角d o a ，路径损耗等，并进行对比。 ( 3 ) 信号带宽为宽带的情况下( m i m o 超宽带) ，用高斯脉冲信号仿真分析室内信道模型。 根据输入端的输入波形，用频域射线追踪法仿真接收端的输出波形，并分析信号发生 畸变的原因。 关键词：m i m o 射线跟踪信道模型仿真超宽带 南京邮电大学硕士学位论文 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目j 素i i i 第一章绪论。1 1 1 课题背景l 1 2m i m o 技术概述2 1 3m i m o 技术的应用4 1 4m i m o 信道模型的国内外研究现状5 1 5 本论文研究内容7 第二章m i m o 室内信道建模的基本方法9 2 1m i m o 室内信道的统计模型9 2 2m i m o 室内信道的确定性模型1 1 2 3 统计模型和确定性模型的比较1 3 2 4 本章小结1 3 第三章射线跟踪的基本原理和方法1 4 3 1 射线跟踪的基本原理1 4 3 2 三维射线跟踪技术1 4 3 2 1 射线管法一1 5 3 2 2 入射反弹射线( s b r ) 法1 6 3 2 3s b r 镜像法1 6 3 2 4 镜像法1 7 3 - 3 本章小结1 9 第四章m i m o 室内信道模型的仿真和分析2 0 4 1 仿真环境和各参数设置2 0 4 2 用镜像法建立室内信道模型21 4 2 1 建立仿真流程图一2 l 4 2 2 发射射线与平面的相交判断2 2 4 2 3 求解反射射线2 4 4 2 4 反射过程中的极化分析2 6 4 2 5 计算到达接收点射线的场强及信道容量2 9 4 3 用m a t l a b 对建立的模型进行仿真和分析3 2 4 3 1l o s 仿真分析信道容量3 2 4 3 2l o s 仿真分析信噪比对容量的影响3 5 4 3 3l o s 仿真分析信道其他参数3 7 4 3 4l o s 与n l o s 仿真对比4 l 4 3 5m i m o o f d m 的展望4 5 4 4 本章小结4 6 第五章用u w b 信号仿真分析室内m i m o 信道4 7 5 1m i m o u w b 的仿真意义4 7 5 2u w b 信号选取4 7 5 3 用高斯信号仿真分析室内m i m o 信道4 9 5 4 本章小结5l l ! 占论5 2 i i i 南京邮电大学硕士学位论文 致谢 参考文献 i v 南京邮电大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题背景 第一章绪论 m i m o 表示多输入多输出。我们通常认为的m i m o 是多输入多输出无线通信系 统。m i m o 又可以被叫做空间多样，主要由空间多个子信道传送和接收信号。不过， 只有当网络设备能支持m i m o 时，才可以使用。 无线电发送的信号在遇到障碍物发射反射折射时，会产生多个信号。每个信号都是一 个空间流。使用单输入单输出( s i s o ) 无线通信系统，由于只有一对收发天线，一次只能 发送或接收一个信号。m i m o 由于有多对收发天线，允许在同一时刻多个天线同时发送和 接收多个信号。 m i m o 的优点是能够利用多径效应提高系统容量。连接到老的8 0 2 1 1 9 接入点的 8 0 2 1 l n 站点能够以更高的速度连接到更远的距离。例如，如果使用老站点，从2 5 英 尺的距离连接到接入点的速度是1 m b p s ；而使用8 0 2 1 i nm i m o 时站点的速度为 2 m b p s 。增加到2 m b p s 的范围，允许用户在更远的距离保持连接。 利用m i m o 技术不仅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。提高信道容量是利用m i m o 信道多个子信道，多径效应等，降低误码率是利 用m i m o 信道提供的空间分集增益。多接收天线位置上的独立，使空间分集成为可能。 实现空间复用增益的算法主要有贝尔实验室的b l a s t 算法 1 、z f 算法 2 、m m s e 算法 3 、m l 算法 4 。这几种算法各有利弊，m l 算法的译码性能较好，但是计算的 复杂度大，无线通信常常对实时性要求较高，这样使用m l 算法便不能满足要求。z f 算法实现起来简单，但是系统信道需要较高的信噪比。b l a s t 算法性能和复杂度最 优。该算法实际上是干扰删除技术在z f 算法上得出的。目前m i m o 技术领域另一个 研究热点就是空时编码。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。常见的空时码有空时块码、空时格码。 那么为什么说多径效应可以增加系统容量呢? 多径会引起衰落，因而被视为有害 因素。但是有研究可以表明，对于m i m o 系统来说，可以把多径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( 或阵列天线) 和多通道，m i m o 的多入多出是针对多径无线信道来说的。传输的信号经过空时编码形成n 个信息子 流，这n 个子流由n 个天线发射出去，经空间信道后由m 个接收天线接收。多天线 接收机利用先进的空时编码处理能够分开并解码这些数据子流，从而实现最佳的处 l 南京邮电大学硕士学位论文 第一章绪论 理。 当n 个子流同时发送信号，他们不增加带宽而使用同一个频带。同时所发送的总 功率保持不变，也不因发送天线数目的增加而增加。如果我们可以使各发射接收天线 间的信道响应独立，互不产生干扰，则m i m o 系统可以创造多个并行空间信道。通过 这些信道传输信息，互相之间不干扰且同时传输，可以提高传输速率。可以使m i m o 系统对整体进行优化，把无线信道与发射接收天线作为一个整体，这样既可以提高频 谱利用率又可以实现高的通信容量，同时也不增加系统总的发送功率。这可以看作一 种分集接收，利用了空域时域的联合，也可以达到消除干扰的目的。 系统容量c 是整个通信系统的很重要的指标，同时可以表示通信系统的最大传输 速率。我们以理想的m i m o 系统为例，若发射天线数为n ，接收天线数为m ，同时 假设信道为独立的瑞利衰落信道，在天线数目n 、m 都很大的情况下，信道容量c 的 计算可以通过数学公式推导表示为：c = m i n ( m ，n ) b l 0 9 2 ( 9 2 ) 。其中b 为信号带宽，p 为接收端平均信噪比，m i n ( m ，n ) 为m ，n 的较小者。由上式可以看出，若使信噪比p 和带宽b 不变，多输入多输出无线通信系统( m i m o ) 的最大容量随最小天线数的增 加而线性增加。若我们假设的条件不变，改变使用的天线，当收发端采用天线阵列的 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，多入多出对于 提高无线通信系统的容量具有极大的潜力。 1 2m i m o 技术概述 m i m o 系统所使用的技术有两类：发射端或者接收端的分集技术以及空间复用技术。 多天线系统可以通过使用分集消除干扰，克服衰落。不同的天线发送相同的信号，通过不 同的且互相独立的路径，在接收端可以获得同一个发送信号多个独立衰落的复制品，由于 经过的发送信道不同，这些复制品只是在时延上有所不同，通过接收端的进一步处理可以 获得更高的可靠性。而发射分集技术，也是利用多条不同且独立的路径的传送信号来提高 系统的可靠性，降低误码率。在一个n 根发射天线m 根接收天线的系统中，根据上节的 假设条件，各个信道为独立的瑞利衰落信道，则可以获得的最大分集增益为m n 。而最 近热门的智能天线技术也是通过不同的发射天线来发送相同的数据，波束成形，这样可以 有效的提高天线增益，降低系统的误码。广义上来说，智能天线技术也可以算一种天线分 集技术。 2 南京邮电大学硕士学位论文 第一章绪论 分集技术主要用米克服信道衰落。不过在m 1 m o 信道中的衰落特性可以加以利用，提 供额外的信息来增加通信中的自由度( d e g r e e so f f r e e d o m ) 。如果能做到每对发送接收天线之 间的衰落是独立的，即各信道之间相互独立，则可以产生多个并行的信道。而空间复用的 做法是在这些并行的子信道上传输不同的信息流，提供传输数据速率。不过当信噪比s n r 较高的情况，传输速率是自由度受限的，此时对于n 根发射天线m 根接收天线，天线对之 间的信道是独立均匀分布瑞利衰落的。 根据子信道与天线之间的对应关系，空间多路复用系统可以大致的分为以下三种模式： d b l a s t 5 、v b l a s t 1 以及t b l a s t 6 。 d b l a s t 最先由贝尔实验室的g e r a r dj f o s c h i n i 提出。把原始数据分为若干个子流， 对每个子流分别进行编码，同时各个子流独立，相互之间不共享信息比特，每一个子流对 应一根天线，不过这种对应关系不是一成不变的，而是呈周期性改变，它的每一层在时间 与空间上均呈对角线形状，称为d b l a s t ( d i a g o n a l l y b l a s t ) 。d - b l a s t 的优点是，可 以提高了链路的可靠性，使用原理是所有层的数据通过不同的路径发送到接收机端。其不 可避免的缺点是，增加了传输数据的冗余。这是由于符号在空间与时间上呈对角线形状， 使得一部分空时单元被浪费了。在数据发送开始时，就有部分的空时单元未被填入符号， 同时为了保证d b l a s t 的空时对称结构，在发送结束有对应的部分空时单元被浪费。若 采用b u r s t 模式的数字通信，且一个b u r s t 的长度大于n ( 发送天线数目) 个发送时间间隔， 那么当b u r s t 的长度变小，浪费的空时单元越多。此外它的数据检测是一层一层的进行。 贝尔实验室提出另外一种简化了的b l a s t 结构。它的天线与层的对应关系较为直接， 即在编码之后的第k 个子流直接送到第k 根天线，而不周期改变数据流与天线之间对应关 系。这时它的数据流在空时域上为连续的垂直列向量，称为v b l a s t ( v e r t i c a l b l a s t ) 。 此外由于v b l a s t 中数据子流与天线之间对应关系的简单化，检测过程简单，只要知道 数据是哪根天线的即可以判断其是哪一层的数据。 综合d b l a s t 以及v b a l s t 模式的各种优缺点，t b l a s t 作为一种不同于 d d b l a s t 与v b l a s t 的空时编码结构被提出。很多文献提及这种结构，它的层在空间 与时间上呈螺纹( t h r e a d e d ) 状分布。原始的信号被多路分解为若干子流，各个天线发送对应 的每个子流的信号，并且这种对应关系周期性改变，与d b l a s t 系统不同的是，在发送 的初始阶段所有天线均进行发送，而不是只有一根天线进行发送，这样在一个发送时间间 隔来看，它的空时分布像v b a l s t ，但考虑到在不同的时间间隔中，子数据流与天线的对 应关系周期性改变。而普通的t b l a s t 结构这种对应关系是随机改变的，而不是周期性 改变的，这样t b l a s t 不仅可以使得所有子流共享空间信道，同时没有浪费空时单元， 3 南京邮电大学硕士学位论文第一章绪论 并且可以使用v 。b l a s t 的简单的检测算法进行检测。 1 3m i m o 技术的应用 m i m o 多天线技术可以直接应用于传统的蜂窝移动通信系统，在基站端，将原来的单 天线换为天线阵列，即为多天线发射。基站通过这种多天线的天线阵列与其覆盖区内的具 有多个天线的移动台进行通信。如果从系统结构的角度看，这与传统的单入单a ( s s o ) 蜂 窝通信系统相比较而言并没有本质的区别。 m i m o 技术应用于下一代的无线宽带移动通信系统，目的是为了提高系统容量，具体 做法是在基站端放置多个天线，在移动台也设置多个天线，基站和移动台之间即收发端形 成m i m o 通信信道。而这种无线宽带移动通信系统若从基站端考虑，在多天线的放置方法 上可以分为两大类：一类是集中式m i m o ，即基站的多个天线集中排列形成一定的天线阵 列，放置于覆盖小区；相对的，另一类是分布式m i m o ，即基站的多个天线分散放置在覆 盖小区。 传统的分布式天线系统有很多的优点，例如可以克服路径损耗，路径损耗是由大尺度 衰落和阴影衰落造成，能够对小区进行良好的系统覆盖，避免小区内出现通信死角，避免 孤岛效应，从而提高通信服务质量。而在最近的m i m o 技术的研究中发现，把m i m o 技 术与传统的分布式天线系统相结合可以提高系统容量，这种新的分布式m i m o 系统结构 分布式无线通信系统( d w c s 7 ) 成为m i m o 技术的重要研究热点。在采用分布式 m i m o 的d w c s 系统中，用光纤和基站处理器连接小区内的多个天线，使分散在附近的基 站天线和具有多天线的移动台进行通信，与基站建立了m i m o 通信信道。 上述的系统结构不仅能够通过m i m o 技术显著提高了信道容量，而且还兼具传统的分 布式天线系统的有点，能够有效的减少路径损耗，克服阴影效应。这种系统结构与集中式 m i m o 相比，基站端的多天线之间的距离比较远，超过了天线不相关的定义值，这时天线 与移动台之间形成的信道衰落可以认为是独立不相关的，这样可以增加信道的容量。总而 言之，这种系统的功率损耗较小，系统的覆盖强，信道的容量更，具有很好的灵活性和扩 展性。 虽然分布式m i m o 的d w c s 系统有很多的优点，但同时也带来了一些缺陷。移动台 和基站端的天线建立的独立的m i m o 链路，由于不同天线的位置不同，它们各自距离移动 台的距离不同，这样由于不同的距离，基站端的多个天线的信号到达移动台的时延也不同， 因此带来的问题是如何进行延时信号的处理。不过，目前主要还是进行容量分析。除此之 4 南京邮电大学硕- 上学位论文第一章绪论 外的一些研究内容还包括：编码技术、发射方案、信号检测技术、同步技术、信道估计、 天线选择等。 各种围绕m i m o 的新技术层出不穷，使其成为无线通信领域的关键技术之一，通过近 几年的研究，以m i m o 技术为基础的很多新技术越来越多地应用于各种无线通信系统。在 无线宽带接入系统中，正在制订中的8 0 2 1 6 e 、8 0 2 1 1 n 和8 0 2 2 0 等标准也采用了m i m o 技术。在无线宽带移动通信系统方面，m i m o 技术相关的内容已经加入到第3 代移动通信 合作计划( 3 g p p ) 中，同时可以运用于b 3 g 和4 g 的系统中。在其他无线通信系统研究中， 如感知无线电系统( c r ) 9 ，超宽带( u w b ) 系统都可以应用m i m o 技术。 而目前m i m o 中的巨大挑战是：如何在保证一定的系统性能的基础上降低m i m o 技 术的算法复杂度和实现复杂度。随着m i m o 天线数目的增加，技术实现的复杂度大幅度增 加，所以只能限制天线的使用数目，这样并不能充分发挥m i m o 技术的优势 1 4m i m o 信道模型的国内外研究现状 在国外已经有相当一批文献研究m i m o 系统理论及性能，且这些文献涉及的内容相当 的广泛。但是各文献大多假定信道为时不变平稳衰落信道，但是在实际中，无线移动通信 m i m o 信道是一个时变、非平稳的系统，所以这样的假设对于室外快速移动系统及宽带信 号的4 g 系统来说是不够的，所以我们尚有大量问题需要研究，也就是说必须采用复杂的 模型进行研究。现在也已有不少文献在进行这方面的工作，即针对特定的情况，假设信道 为频率选择性衰落，或者移动台高速移动情况进行研究。在大多数文献中，都是假设接收 机明确已知多径信道参数，这样的话，需要发送训练序列对接收机进行训练。此时存在一 个问题，若移动台移动速度过快，这样训练的时间太短造成信道可靠性的下降，这样使得 盲处理和快速信道估计成为重要的研究内容。 b l a s t 系统是b e l l 实验室最早研制的m i m o 实验系统。该系统发射天线数目谓8 ， 接收天线数目为1 2 ，工作在1 9 g h z 频点，采用了d b l a s t 算法。使得频谱的利用率达 到了2 5 9 b i t s ( h z s ) 。但该系统有一定的局限性，只是假设了窄带信号及室内环境进行了研 究，对于在实际应用尚有很大的差距。这种系统安排一定的多天线提供多个互相独立的空 间信道，这些信道上的相同信号不会全部同时受到衰落，这样的话可以提供空间分集效应， 算是空间分集，同时可以克服电波衰落。在上述具体实验系统中，如果改变天线的数目， 使得基台的发射天线数目为2 ，接收天线数目为3 ，而移动终端的发送天线数目为l ，接收 天线的数目为3 ，即上行链路天线为1 x 3 ，下行链路天线为2 x 3 。这样与s i s o 相比，可以 雨京邮电大学硕士学位论文第章绪论 在传输上取得了1 0 2 0 d b 的增益，相当于增加了系统容量。而且，这样的多天线配置， 有时可以用来传输不同的数据信号，可以加倍用户传送的数据速率。 这样的实验系统可以使m i m o 技术的研究进一步发展。学者们正大力对移动端的多天 线进行研究，只是实际系统研究的一个重要问题。由于移动终端设备即手机有一定的要求， 例如体积小、重量轻、耗电小，所以对于移动端的多天线设计还有大量工作要做。目前各 大公司均在研制实验系统。 下面介绍一种新的领先的m i m o 技术，是朗讯科技的贝尔实验室的分层的空时 ( b l a s t ) 技术，这种技术是其智能天线的进一步发展。b l a s t 技术的原理，是识别出 空间的各个配对信号，在接收端对信号进行恢复。使用b l a s t 技术，就是保持同一频段， 在空间建立多个互不干扰、并行的子信道，在接收端利用先进的多用户检测技术，这样可 以准确高效地传送用户数据，其最终的目的是极大提高系统的容量。通过这种b l a s t 技 术，如果在发送端和接收端同时采用多天线阵列，使其获得额外的增益，就能够充分利用 多径传播，把缺陷变成优势，最终提高系统容量。通过模拟方针，在采用b l a s t 技术后， 系统频谱效率随着天线个数的增加成线性增长，也就是说，在不限制天线个数的情况下， 系统容量就能够得到不断提高。就理论而言，b l a s t 技术有着非常大的潜力。也正由于其 对于无线通信理论的突出贡献，b l a s t 技术获得了2 0 0 2 年度美国t h o m a se d i s o n ( 爱迪生) 发明奖。 同年，世界上第一颗b l a s t 芯片在朗讯公司贝尔实验室问世，这一芯片支持最高4 x 4 的天线阵列，也是业内第一款结合了贝尔实验室l a y e r e ds p a c et i m e ( b l a s t ) m i m o 技术 的芯片，这样的芯片可处理的最高数据速率达到1 9 2 m b p s 。将该技术用于3 g 移动网络， b l a s t 芯片使终端能够在3 g 的系统中接收每秒1 9 2 兆比特的数据，现在，朗讯科技其 f l e x e n to n e b t s 家族的系列基站也将开始使用b l a s t 芯片，同时还开放授权终端制造商， 以此使无线3 g 数据终端支持高速数据接入的能力得到提高。 在第二年的8 月，a i r g on e t w o r k s 推出了世界上第一款集成了多入多, h u , ( m i m o ) 技术的 批量上市产品，即为a g n l 0 0 w i f i 芯片组。该产品集成两片芯片，包括一片r f 芯片 ( a g n l 0 0 r f ) 和一片b a s e b a n d m a c 芯片( a g n l 0 0 b b ) ，这种芯片组使用了多天线传输技术 及各种分集接收技术，在保持与所有常用w i f i 标准的兼容性的基础上，将现在w i f i 速 率提高到每信道1 0 8 m b p s 。这种芯片还采用了一种可伸缩结构，使制造商可以只使用一片 r f 芯片来实现单天线系统，也可以增加其他的r f 芯片来提升性能。该芯片支持所有的 8 0 2 1l a 、8 0 2 1 1 b 和8 0 2 1 1 9 模式，同时包含了i e e e8 0 2 “工作组推出最新标准( 包括t g i 安全和t g e 质量的服务功能) 。 6 塑塞塑垒奎堂堕主兰篁丝奎至= 童堑垒 由于a i r g o 的芯片组和目前的w i f i 标准兼容，支持三种摸式，即使用了三个5 - g h z 和三个2 4 g h z 天线，这样使得a i r g o 芯片组的无线设备可以和以前的8 0 2 1 1 设备通讯， 甚至可以以不同的速度进行通讯，比如在以1 0 8 m b p s 的速度和a i r g o 的设备通讯的同时还 可以以5 4 m b p s 的速度和8 0 2 1 l a 设备通讯。 综上所述，国内外的m i m o 信道模型的研究主要还是集中在实验研究上。但我们知道 实验信道模型是与实验测量的特定传播环境有关，这样的模型并不具代表性。近几年，只 有少量文章是利用理论方法研究m i m o 信道传播模型，但并没有完整给出m i m o 信道， 信号带宽与周围传播环境关系。因此，利用射线跟踪方法研究m i m o 信道的特性是很有必 要的。 1 5 本论文研究内容 射线跟踪是一种运用子移动通信及个人通信环境( 室外宏蜂窝、街道微蜂窝和室内微 微蜂窝) 中的预测无线电波传播特性的技术，可以用来详细的描述多径信道收发天线之间 所有可能的射线路径。一旦所有可能的射线被确定下来后，就可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得到到达接收 点所有射线的相干合成结果。 本文的研究是国家9 7 3 项目“m i m o 无线通信系统”的一部分工作，在频域中研究室 内m i m o 信道模型。研究的重点是基于射线跟踪法在频域内研究室内m i m o 信道的容量 特性，主要采用镜像原理( i m a g e ) 方法及电磁理论的结合。这种方法简单高效，是一种适用 于室内无线传播预测的分析方法，通过它我们能够预测室内视距及非视距环境中接收端的 反射射线，建立3 d 多径传播模型，预测无线信道的接收功率、容量分布情况、功率时延 角度等一系列相关参数，分析传播特性，脉冲波形失真等。 本文分五个章节介绍超宽带室内信道模型的仿真和分析 第一章介绍了m i m o 技术概述，以及m i m o 技术的优点和主要作用，并且分析了 m i m o 信道模型的国内外研究现状。 第二章介绍了m i m o 室内信道建模的基本方法。分别介绍了建模的统计方法和确定性 方法。并对统计模型和确定性模型进行比较。 第三章介绍了射线跟踪的基本原理和方法，介绍了镜像法、射线管法、入射反弹射线 法以及s b r 镜像法这几种典型的三维射线跟踪技术。 第四章详细的介绍了用镜像法建立室内信道模型的过程。介绍了仿真流程，定义了发 7 南京邮电大学硕士学位论文 第一章绪论 射天线，介绍如何判断射线是否到达接收点，如何处理反射处的极化，计算接收点的场强， 用m a t l a b 对建立的模型进行仿真和分析。建立了室内多径信道模型。 第五章研究了宽带信号下建立的室内信道模型。发送高斯脉冲波形，通过m i m o 信 道，估计接收端的接收波形，并进行波形失真情况分析。 南京邮电大学硕士学位论文第二章m i m o 室内信道建模的基本方法 第二章m i m o 室内信道建模的基本方法 m i m o 信道模型主要包括两类：物理模型与非物理模型。由于传播环境的复杂性和多 样性，只用一些重要的物理参数来准确描述m i m o 信道的特征与散射分布是较为困难的， 而物理模型就是运用部分物理参数来描述信道，由此，可看出物理模型对于描述复杂环境 是具有难度的。而非物理模型主要是依靠测量得出大量的数据，再进行曲线拟和等得出的 统计模型，这种模型较物理模型易于识别出信道特征，但是其缺陷是测试条件限制较大( 如 信道带宽，天线配置与架设以及测试环境等) 。如果把这两种方法结合起来得到另一类建 模方法，称为混合模型，这种模型同时具有上述两类模型的特点，在得到物理建模的实质 时同时可以简化散射传播分析 8 。下面我们对m i m o 信道模型进行概述。 2 1m i m o 室内信道的统计模型 多输入多输出( m i m o ) 技术是现代通信技术中的新技术，但是其也有固有的缺陷。比 如要获得大的容量和提高其他性能都要依赖于m i m o 无线信道的特性；同时，要以m i m o 技术为基础研究新的技术也需要首先建立m i m o 信道模型，进行模拟仿真，这样才能比较 出系统性能的好坏及各种算法的复杂度。因此，对m i m o 信道建模是研究的基础。这些成 果包括独立同分布( 1 i d ) 复高斯信道模型，i s t m e t r a 随机信道模型，i s t s a t u r n 信道模 型，单环与双环及其改进的信道模型，分布散射信道模型等。 下面简单介绍一下几种非物理的统计模型： 一、独立同分布( 1 i d ) 复高斯信道模型【9 】 根据理论，如果在一定的环境中散射体足够多，各天线间的间距足够大，满足不相关 的定义，那么m i m o 信道的各个子信道可以看作是独立的，并且为平坦瑞利衰落。以此为 基础，f o s c h i n i 等提出一种理想化的窄带m i m o 信道模型：假设信道的传输矩阵各个元素 ( t ，r ) 相互独立并且都服从均值为零与方差为1 的复高斯分布( 信道矩阵常写为r w ) 。这样 的信道矩阵具有许多重要特征，矩阵满秩、各个子信道相互独立等，这样可以对复杂的信 道进行简化分析。但是在实际过程中，天线单元间距不可能大到完全不相关，散射体也并 不总是无限多，所以平坦衰落的子信道不总是独立的，因此现在很多的m i m o 信道模型都 会考虑互相关性的影响。 二、i s t m e t r a 随机信道模型 i s t m e t r a 随机信道模型 1 0 的主要优势在于：只需要少量参数就可以完全反映信道 o 南京邮电大学硕士学位论文 第二章m i m o 室内信道建模的基本方法 路径的多普勒谱，信道的功率增益，信道的基本特征，以及描述传输链路两端的相关特性 的相关矩阵。但其也存在不足之处，主要缺点在于，它没有考虑传输系数之间的相位关系， 对“针孔”信道现象不能进行预测与解释。 三、i s t s a t u r n 信道模型 k y u 等提出了一种基于测试数据的一阶与二阶矩的窄带非视距传播m i m o 信道模型 1 1 】，而这种模型是工作在5 2 g h z 载频下，并且假设环境是室内的窄带信道。由于考虑的 是非视距传播环境，信道系数是均值为零的复高斯随机变量，这时使用收发端的信道协方 差矩阵的直积逼近m i m o 信道的协方差矩阵，在文献 1 2 】中也考虑了同样的结构，其中采 用了射线追踪方法仿真验证了其包络的相关性。该模型已纳入3 g p p 与3 g p p z 的空间信道 模型。 下面简单介绍一下几种基于物理传播的m i m o 信道模型： 一、单环与双环及改进的信道模型 单环模型是m i m o 信道建模的最基本的模型，在此不作详细叙述，而其改进模型是 单环模型的扩展 1 3 】，具体的做法是在移动端也采用多天线，实际工程中正设计移动台的 多天线排列。跟单环模型一样将散射体均匀分布在圆环上，这个圆环以移动端为中心，假 定只存在一次反射，并且所有到达接收阵列的信号功率相等。如果基站放置于室内，则天 线高度较低，那么其附近就存在散射体，这时我们建立的m i m o 信道模型可以为双环散射 模型 1 4 】。然而，这种改进型的模型也有其不足之处，不能认为接收端附近的散射体散射 的信号独立，即信道系数也不再满足零均值复高斯分布，这时的信道协方差矩阵并不能完 全描述m i m o 信道的特征。因此，可以采用射线追踪方法模拟信道，并用m o n t ec a r l 算 法方法研究信道特性。 二、分布散射信道模型 不同于上述模型用于室内，d g e s b e r t 等提出一种窄带的室外m i m o 传播信道模型 1 5 】。这种模型假设散射体虽然分布在收发端附近( 收发两端的散射体数目足够大) ，但是 其距离天线足够远，以至于发射信号经过两次散射后能够以平面波的形式到达接收天线， 这样就可以解释产生“针孔”信道的原n 1 6 1 7 】，这样的模型物理意义比较明确，故被广 泛采纳。 三、其他一些模型 扩展s a l e h - - v a l e n z u e l a 信道模型，一种室内多径信道模型：是由大量的测试结果而提 出的。其中的测量结果表明多径分量以簇的形式到达接收端。 c o s 长5 9 双向信道模型，联合考虑a o a 与a o d 。 1 0 南京邮电大学硕士学位论文第二章m i m o 室内信道建模的基本方法 电磁散射信道模型，该模型同时反映了信道与天线的特征还考虑了极化，不过由于受 到无线环境的限制，其数学求解较为困难。 2 2m i m o 室内信道的确定性模型 上一节介绍的是m i m o 的不确定性模型，依靠建模实现。而本节介绍的确定性模型不 包含任何随机成份。对于这种确定性模型，与测量的次数无关，而是只要己知输入及相互 之间的关系，就能把输出确定下来。确定性模型就是把随机性模型进行简化，变随机为确 定，也可以称为定点传播模型，其主要是根据电磁波传播理论来描述室内无线传播的，这 种模型需要确知室内环境的各种参数，如地理环境等，其对建筑物内部信号传播的预测比 较精确 1 8 。主要有f d t d 方法，射线跟踪方法。 分别介绍一下这两种方法。 一、f d t d 方法 k s y e e 于19 6 6 年提出时域有限差分法( f i n i t ed i f f e r e n c et i m ed o m a i n ，f d t d ) ，其 主要是根据电磁波传播理论，从m a x w e l l 方程出发，在时域求解麦克斯韦方程，这种方法 可以用来描述反射，绕射等。由于这些参量之间的关系与麦克斯韦方程的解一致，所以这 种方法很适合在媒质里研究波的相互作用。不过f d t d 方法也有其缺陷，对存储空间的需 求较大，需要大量的计算来求解。 但是尽管其需要大量存储空间，但是由于f d t d 技术的可操作性及成熟性，计算的精 确性，f d t d 可以用作验证其他建模技术。现在随着大容量计算机出现，存储空间大大提 高，f d t d 方法将成为一种非常可行的室内信道建模方法。 二、确定性射线法建模 射线跟踪法r t m ( r a yt r a c i n gm e t h o d ) 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，由于其计 算每根射线的参数，所以可以用来分析信道中所有可能的射线路径。当这些射线被完全确 定下来之后，就可通过数学运算得出射线走过的路径长度，角度，再根据电波传播理论计 算处每条射线的幅度、时延和极化，再根据所使用的天线的方向图和所使用的频点就可得 到到达接收点的所有射线的矢量合成 1 9 】。 一 射线跟踪方法基于几何光学( g o ) 原理，在2 0 世纪8 0 年代初被提出，几何光学是通过 入射光的传播路径来确定反射、折射等，可以把射线看成是入射光。射线跟踪算法主要运 用于高频电磁场，由于在高频情况下，电磁波的波长趋于零，因此电磁波的能量可以近似 塑塞堂皇奎兰堡主兰堡垒苎 星三雯竺! 坚旦至塑! 童望堡堡塑兰查塑鲨 的认为能够通过直径为无限小的细管，所以可以看成为射线在向外辐射。在几何光学中， 只考虑入射射线到分界面的直射、反射和折射效果。而对于障碍物的绕射，可通过g t d 和u t d 补充g 0 理论。 路径损耗和延迟扩展是信道研究中最常用的两个参量。对其的精确描述在移动通信系 统的设计中非常重要。由于复杂的移动传播环境，无线信号在传播过程中会受到强烈的多 径衰落，这大大降低了移动通信的服务质量。传统上，许多经验模式被使用，这些模型假 设发射天线位置较高( 如高塔上，小山上) ，阻挡物较少，而接收机即移动台附近存在大量 的障碍物( 如建筑物、数目等) ，在这样的假设下，这些模式根据统计意义上的环境数据( 例 如，建筑物平均高度、平均街道宽度等) ，可给出令人满意的预测结果。 但是，随着通信技术的发展，人们对通信质量要求的提高，开始出现新的微蜂窝或微 微蜂窝移动通信系统，这时要求发射天线的放置位置有了要求，通常位置较低，这时上述 的经验模式就不再适用了。这时，只能通过现成测试来获得小区规划所需的传播参量( 路径 损耗和延迟扩展等) ，另一个方法是通过确定性算法来得到。如果确定性模型预测工具效率 高和可靠的话，可进行广泛运用，可以避免大量的数据测量，所以比测量方法更可取。 此外，由于高速数字通信系统的出现，又对信道预测有了新的要求。以统计方式可以 预测发射机到接收机之间的路径损耗中值。若信号为窄带信号，传播过程中的多径效应可 以看作接收信号包络的衰落，这样的话，只需要得到传播过程中的平均功率电平和衰落统 计等参数。但是若信号为宽带信号，信号相干带宽大于信道的相关带宽，就会导致频率选 择性衰落，在接收机处产生离散的信号脉冲。易于引起码间干扰( i s i ) ，为了避免出现i s i ， 使用基于g o 的射线跟踪技术，精确预测出实际传播环境中各个多径信号的幅度，相位和 时延，在接收端进行合并处理。这种技术除了可以获得信号接收功率外，还能获得每条射 线传播路径，相位等信息。现在关于射线跟踪技术的文献很多，通过得到每条射线的幅度、 时间迟延和相位，来预测无线信道传播过程中的冲激响应，以及其他的数据，发射脉冲接 收脉冲的形状，时延功率分布，均方根延迟扩展，相关带宽等等。 下一代无线系统的要求更高，未来的室内通信系统将是宽带的，例如支持超过 1 0 0 m b i t s 的w l a n ( 无线局域网) 的设计。下一代通信系统工作在高频，甚至可能高达 6 0 g h z 。而射线跟踪法正适用于高频室内环境，可以预测室内无线环境的静态甚至于动态 的窄带或宽带的两个重要参数：路径损耗和功率延迟分布，并得出其他参数。但更适用于 简单环境，其预测得精度可通过基尔霍夫积分的精确积分来验证。 射线跟踪算法的另一个优点是可以加入天线的方向图，根据天线原理及电磁传播理论 分别计算辐射方向图对每条有效射线的影响，这可以得到较为精确的预测结果。同时射线 1 2 堕塞坚叟奎兰堡主兰堡垒圣蔓三里坚! 坚旦皇塑堕堕塑堡箜鳌查查鎏 跟踪算法工作在3 d 空间，可通过定义及数学运算得到到达天线的方位角和仰角。总之该 算法基于电磁传播理论，结合了天线的方向图，可以同时考虑3 一d 空间的全部反射、透射 和绕射等的矢量数学计算，可广泛运用于不同的天线研究，同时可以考虑极化和去极化的 影响。 2 - 3 统计模型和确定性模型的比较 统计性模型是基于多次测量得出信道各种统计特性而建立的信道模型。在实际的使用 过程中，对一些小区进行实际测量，得出信号传播过程中的各种重要的参数，例如路径损 耗和延迟扩展等，利用这些参数建立通用的信道模型，运用于传播特性相似的其他小区。 统计性模型的优点在于模型具有一定的通用性，环境相似即可使用；同样的，缺点是由于 近似使用，预测的精确度不高，这是因为模型的各种参数是用各自统计特性随机生成，运 用于其他环境时，与实际传播参数可能会有比较大的差别 2 0 。 确定性模型是基于实际环境测量建立的信道模型。实现方法主要有时域有限差分 ( f d t d ) 法以及射线跟踪技术。它要求得到详细的地理环境信息包括障碍物的具体位置以 及分布等。如果能把各种地理信息预知，那么整个无线传播过程就是确定的：它可以确定 出任何一条射线的传播情况，得出精确的结果，本文就是用射线追踪法研究室内信道模型。 2 4 本章小结 本章主要介绍了m i m o 室内信道建模的基本方法，包括m i m o 室内信道的统计模型 和m i m o 室内信道的确定性模型。简单介绍了各种统计模型及确定性模型，并把两者进行 了比较。并且根据本文所要建立的是室内小环境中的信道模型，选择了确定性方法中的射 线追踪法作为建模的方法。 南京邮电大学硕士学位论文第三章射线跟踪的基本原理和方法 第三章射线跟踪的基本原理和方法 射线跟踪算法主要运用于高频电磁场，即认为在频率较高的情况下，电磁波可在其传 播方向上被简化为各条射线，从而使用几何光学( g o ) 原理，包括其中的反射定律、折射定 律等研究电磁传播 射线跟踪技术在窄带情况下利用已知信息计算每根射线的参数，得到信道中所有有效 射线。再通过计算算得出射线的路径，角度，幅度、时延和极化，同时结合了天线的方向 图可以得到精确的到达接收点的所有射线的矢量合成。射线跟踪技术有两部分内容，第一 部分是有效地找出传播过程中的有效传播路径。第二部分是计算所接收的场强。 3 1 射线跟踪的基本原理 射线跟踪技术 1 9 考虑了象反射、折射、绕射等传播现象，发射源在整个4n 立体角 射线空间中射出无限条射线，找出其中对接收点有贡献的射线后，对无线电波传播建模。 而射线技术是基于几何光学的，可运用于实际的室内三维复杂环境中，便于在计算机上进 行仿真。但是射线追踪并非完美，发射点和接收点都被假设为几何学中的点( 即半径为零 的点) ，而射线被假设为几何学中的线( 即线径为零的线) ，在实际过程中，这些都是近似 的，假设之后的计算会产生误差。为了减少误差有两种方法，一种是接收球算法，在接收 点处解决问题。把接收端的一个点看成一个具有规定半径的球，如果传播过程中的射线落 在接收球以内，那么该射线对接收信号有贡献，认为射线有效。另一种方法是发