（通信与信息系统专业论文）mimo+m2m移动衰落信道残缺双环模型及其统计特性.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着移动通信技术的不断发展 人们在享有蜂窝网络提供的基本通信服务 的同时 对服务质量提出了更高的要求 特别是有了对移动性支持增强的需求 未来4 g 蜂窝网络的工作频率将比3 g 蜂窝高2 g h z 左右 其数据传输速率是 3 g 的2 次方以上 因此 现有的蜂窝系统架构已不能满足4 g 蜂窝网络的发展 要求 基于中继的通信架构正成为移动通信网发展的突破口 典型的蜂窝网络是通过静态的基站 b s 使不同的移动站点 m s 互连 其服务提供端是静止的 只有m s 一端在移动 而在移动协同中继 m o b i l e c o o p e r a t i v er e l a y m c r 的通信网中 当有多个移动节点参与时 中继信道就 必然存在移动到移动 m o b i l e t o m o b i l e m 2 m 的情形 由于m i m o 系统能 扩大信道容量 其容量增益优于传统的s i s o 信道 因此 对窄带m i m om 2 m 信道 宽带s i s om 2 m 信道 宽带m i m om 2 m 信道 基于m c r 的窄 宽 带f 2 m m 2 m 信道特性等的深入研究和信道模型标准化工作对未来移动通信研 究和应用有着十分重要的意义 本文在现有理论成果的基础上主要研究了m i m om 2 m 移动衰落信道的残 缺双环模型及其一阶统计特性 本文的主要研究工作和创新点如下 1 提出了包含单反射分量 双反射分量和视距分量的残缺双环几何模型 2 在所提出的几何模型基础上建立了m i m om 2 m 移动衰落信道的参考 模型 推导出了该模型的一阶统计特性并对其进行了仿真和分析 3 推导出了基于残缺双环模型的m i m om 2 m 信道仿真模型 4 阐述了本文在研究过程中所采用的参数计算方法 对所建立的信道模 型参数进行了计算 并给出了仿真结果和分析 本文所做的研究工作对建立更准确的m i m om 2 m 信道模型和研究其统计 特性提供了基础和参考 对未来m i m om 2 m 通信系统的研究具有重要的理论和 指导意义 关键词 m i m om 2 m 移动衰落信道 信道建模 残缺双环模型 统计特性 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o b i l ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y p e o p l ee n j o ym o r e a n dm o r eb a s i cc o m m u n i c a t i o ns e r v i c e sp r o v i d e db yc e l l u l a rn e t w o r k s a tt h es a m e t i m e ah i g h e rq u a l i t yo fs e r v i c er e q u i r e m e n t s e s p e c i a l l yt h es u p p o r tf o rm o b i l i t y n e e d sb e c o m em o r ea n dm o r ep o p u l a r t h e4 mg e n e r a t i o nc e l l u l a rn e t w o r kh a sh i g h e r f r e q u e n c ya n dd a t at r a n s f e rr a t et h a nt h e3 mg e n e r a t i o nc e l l u l a rn e t w o r k t 1 1 e r e f o r e t h e e x i s t i n g c e l l u l a rc o m m u n i c a t i o n s y s t e ma r c h i t e c t u r e c a l ln o tm e e tt h e r e q u i r e m e n t so f4 gc e l l u l a rn e t w o r k r e l a y b a s e dc o m m u n i c a t i o na r c h i t e c t u r ei s b e c o m i n gab r e a k t h r o u g ho ff u t u r em o b i l ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r k s i nat y p i c a lc e l l u l a rn e t w o r kw ec o m m u n i c a t i o nw i t ho t h e rp e o p l et h r o u g ha s t a t i cb a s es t a t i o n a s t oad i f f e r e n tm o b i l es t a t i o n m s t h es e r v i c e p r o v i d e rs i d ei s s t a t i o n a r y a n do n l yt h em si nt h em o b i l e b u ti nt h em o b i l ec o o p e r a t i v er e l a y n e t w o r k s w h e nt h e r ea r e m u l t i p l e m o b i l e n o d e s t h ec h a n n e lh a st h e m o b i l e t o m o b i l ec o m m u n i c a t i o n s a st h em i m os y s t e mh a sal a g e rc a p a c i t yt h a n t h et r a d i t i o n a ls i s os y s t e m t h e r e f o r e t h ei n d e p t hs t u d ya n ds t a n d a r d i z a t i o no f n a r r o w b a n dm i m om 2 mc h a n n e l b r o a d b a n ds i s om 2 mc h a n n e l b r o a d b a n d m i m om 2 mc h a n n e la n dt h en a r r o w b a n d w i d e b a n d f 2 m m 2 mc h a n n e lb a s e do n t h em c rh a sg r e a ts i g n i f i c a n c e i nt h i sp a p e r b a s e do nt h er e s u l t so ft h ee x i s t i n gt h e o r y w er e s e a r c h e dt h em o d e l a n dt h ef i r s t o r d e rs t a t i s t i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fm i m om 2 m m o b i l ef a d i n gc h a t m e l t h em a i nc o n t a i n so ft h ep a p e ra n dr e s e a r c hc o n t r i b u t i o n sa r eb r i e f l ys u m m a r i z e da s b e l o w 1 t h et w o e r o s e r i n gg e o m e t r i cm o d e lw h i c hc o v e r st h es i n g l e b o u n c e c o m p o n e n t d o u b l e b o u n c ec o m p o n e n ta n dt h el i n eo fs i g h tc o m p o n e n td u r i n gt h e s i g n a lt r a n s m i s s i o np r o c e s si nt h ea c t u a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e mw a se s t a b l i s h e d 2 b a s e do nt h eg e o m e t r i cm o d e l t h er e f e r e n c em o d e lw a se s t a b l i s h e da n dt h e s t a t i s t i c a lp r o p e r t i e sw e r ed e r i v e d a n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t sw e r e g i v e n 3 i no r d e rt of a c i l i t a t et h ec o m p u t e rs i m u l a t i o n t h es i m u l a t i o nm o d e lw a s e s t a b l i s h e d i i 武汉理工大学硕士学位论文 4 t h ep a r a m e t e r s c a l c u l a t i o nm e t h o dw a sp r o v i d e da n dt h er e s u l t so f s i m u l a t i o nw e r eg i v e n t h i sp a p e rp r o v i d e dab a s i sa n dr e f e r e n c ef o rt h ee s t a b l i s h m e n to fam o r e a c c u r a t em i m om 2 mc h a n n e lm o d e l a n dh a st h ei m p o r t a n tt h e o r e t i c a ls i g n i f i c a n c e f o rt h er e s e a r c ho ft h ef u t u r em i m om 2 mc o m m u n i c a t i o ns y s t e m k e yw o r d s m i m om 2 m m o b i l ef a d i n gc h a n n e l c h a n n e lm o d e l i n g t w o e r o s e r i n g m o d e l s t a t i s t i c a lp r o p e r t i e s i i i 独创性声明 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 含为获得武汉理工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 签名 一垂鱼盘1 日期 翻空 6 坚一 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留 使用学位论文的规定 即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电子 版 允许论文被查阅和借阅 本人授权武汉理工大学可以将本学位 论文的全部内容编入有关数据库进行检索 可以采用影印 缩印或 其他复制手段保存或汇编本学位论文 同时授权经武汉理工大学认 可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文 并向社会 公众提供信息服务 研究生 签名 互萄铡 导师 签名 期触 o 5 8 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 研究背景及意义 第1 章绪论 无线信道是自然界中最为恶劣的通信介质 由于无线信道中电磁波受到反 射 衍射 散射 多径传播 移动台的运动 环境物体的移动以及信号的传输 带宽等因素的影响 使得它具有极大的随机性1 1 1 而无线通信系统的性能又在很 大程度上取决于无线信道的优劣 只有在充分研究和了解所设计系统的信道特 征后 才能采取与之相适应的各种物理层技术 如最佳的调制方式和编码方式 均衡器的设计等 从而充分挖掘该系统的容量 并进一步优化系统的性能 2 因 此如何合理而又有效地对移动无线信道进行建模和仿真是一个非常重要的问 题 随着移动通信技术的不断发展 通过无线方式为用户提供语音服务获得了 巨大的成功 在人们享有蜂窝网络提供的基本通信服务后 对服务质量 q o s 提出了更高的要求 特别是有了对移动性支持增强的需求 未来4 g 蜂窝网络的 工作频率将比3 g 蜂窝高2 g h z 左右 其数据传输速率是3 g 的2 次方以上 因 此 现有的蜂窝系统架构已不能满足4 g 蜂窝网络的发展要求 3 5 基于中继的 通信架构正成为移动通信网发展的突破口 典型的蜂窝网络是通过静态的基站 b s 使不同的移动站点 m s 互连 其服务提供端是静止的 只有m s 一端在移动 在基于中继的通信架构中 发 射源和移动目的终端之间的传输通过固定 移动中继 f i x e d m o b i l er e l a y 这一 中间收发单元完成 6 通常 由于传输媒质对信号的高衰减 发射源和目的终端 的长距离通信不能直接完成 在此情况下 通过在发射源和目的终端之间布置 中继来完成端到端的通信 该中继可以是静态的也可以是动态的 7 1 类似的固定 中继方式广泛应用于光纤网络 移动中继方式广泛应用于商业和军事用途的卫 星转发器 由于技术的复杂性和其它实际情况的限制 使得中继到现在都无法 在移动通信中大规模应用 随着电子产品和半导体技术的发展 具有灵活特色 的中继在不久的将来用于无线 移动通信是完全可行的 因此 在最近几年基 于中继的移动通信系统成为了移动通信网络研究领域的热点 它们被冠以不同 的名称 如 协同分集 虚拟天线阵列 或者 多跳网络 其潜在的应用领 武汉理工大学硕士学位论文 域是新一代蜂窝网络 移动a d h o e 网络和移动宽带接入网状网 w i r e l e s sm e s h n e t w o r k 等t 8 2 1 设计一个新的网络架构的无线通信系统 首先也是最重要的任务之一就是 要弄清楚无线终端间通信链路的信道本质 只有有了可靠的无线传播信道知识 才能有效 及时和实用地设计出具有理想或接近理想性能的通信系统 移动通 信信道属于衰落信道 在移动协同中继 m o b i l ec o o p e r a t i v er e l a y m c r 的通 信网中 当有多个移动节点参与时 中继信道就必然存在移动到移动 m o b i l e t o m o b i l e m 2 m 的情形 虽然a k k i 和h a i r 早在上世纪8 0 年代就针对窄带单输入单输出 s i n g l e i n s i n g l e o u t s i s o m 2 m 衰落信道进行了理论研究 1 3 1 4 1 但由于当时 没有找到适合的应用方向 于是没有引起他们足够的重视并深入研究下去 随 着m 2 m 通信在基于移动协同中继的通信系统中得到新的应用 针对该问题的 研究重新吸引了移动领域专家们的目光 同时 由于m i m o 系统能扩大信道容 量 其容量增益优于传统的s i s o 信道 因此 对窄带m i m om 2 m 信道 宽 带s i s om 2 m 信道 宽带m i m om 2 m 信道 基于m c r 的窄 宽 带f 2 m m 2 m 信道特性等的深入研究和信道模型标准化工作对未来移动通信研究和应用有着 十分重要的意义 1 2 国内外研究现状分析 近三到五年期间 国内外对m 2 m 移动衰落信道建模及其统计特性有越来越 多的研究 其中 w w r f 成立了w g 4 r e l a y i n gw o r k i n gg r o u p 并发表了中继 系统研究的白皮书 2 0 0 5 年成立了专门研究物理层 p h y 媒体接入层 m a c 协同机制的w g 3 c o o p e r a t i v ew o r k i n gg r o u p 2 0 0 4 年欧盟在第六个框架程序中 启动了w i n n e r w l e s sw o r di n i t i a t i v en e wr a d i o 项目 其目标是通过中继 技术来解决未来4 g 网络中高速和覆盖的问题 3 g p p 中己将固定转发器应用到 3 g p p 的蜂窝小区标准 可达到扩大蜂窝小区覆盖范围及阴影区较好覆盖的效果 2 0 0 5 年i e e e 标准委员会成立了8 0 2 1 6 s 移动多跳中继 m o b i l em u l t i h o p r e l a y m m r 研究组 研究基于m m r 的w i m a x 技术 2 0 0 7 年又发布了最 新的i e e e8 0 2 1 6 c o n f o r m a n c e0 4 2 0 0 6 一致性标准第4 部分 近期成立的 i e e e 8 0 2 1 6 m 任务组 建议采用m i m o 及协同分集技术解决高速传输与覆盖的 问题 以满足高移动模式下的l o o m b p s 传输速率 2 武汉理工大学硕士学位论文 在欧洲 挪威u n i v e r s i t yo f a g d e r 移动通信组的m a t t h i a sp i i t z o l d 教授主持了 由挪威国家研究与技术创新基金国际合作项目 v e i m i k t m o b i l e t o m o b i l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m s m 2 m 2 0 0 7 2 0 11 研究计划包括设计m i m om 2 m 信道模型 m 2 m 系统的协同通信策略以及信道估计算法等 在美洲 美国军 方资助的合作项目d a a d l 9 0 120 0 1 1 以亚特兰大g e o r g i a 理工学院电子与计 算机工程系g o r d o nl s t u b e r 教授为核心的研究小组开展了 m i m o m o b i l e t o m o b i l ec h a n n e l 的研究课题 在国内近年来也有越来越多的学者从事与移动衰落信道的研究相关的工 作 这些工作主要集中在多天线中继协同传输和协同通信环境下信号处理 信 道编码 信道估计以及对基于m i m o 信道的模型仿真等方面 另一方面 自1 9 9 5 年t e l a t a r 推导出多天线系统高斯信道容量 1 9 9 6 年 f o s c h i n i 提出b l a s t 算法 1 9 9 8 年t a r o k h 等人提出空时编码以来 m i m o 系 统的技术优势不断的吸引着国内外众多研究人员和研究机构的兴趣 近年来 已有很多通信标准采用了m i m o 技术 例如宽带无线城域网标准i e e e 8 0 2 1 6 e 已将m i m o 技术纳入其中 国际上很多标准都给予m i m o 技术高度 的关注 3 g p p l t e i m t a d v a n c e d 超移动宽带解决方案u m b i e e e 8 0 2 1 6 m 以及w i n n e r 组织和w w r f 论坛等都将m i m o 技术作为一项关键技术来进 行研究 m i m o 已经成为未来无线通信系统中非常重要的技术手段和发展方 向 目前国内外对于移动协同中继 m o b i l ec o o p e r a t i v er e l a y m c r 衰落信道 的研究还处于初始阶段 还没有详细深入的研究 也没有已知的模型可以用来 直接描述中继衰落信道的衰落特性和空 时 频域行为 为了满足设计基于协同中 继的未来蜂窝移动通信系统和信道模型标准化工作的需要 对m i m om 2 m 移动 衰落信道的研究就显得十分重要了 1 3 论文内容安排 本文在现有理论成果的基础上主要研究了m i m om 2 m 移动衰落信道的模 型和一阶统计特性 建立了具有单反射分量 双反射分量和视距分量情形下的 残缺双环模型 并对该模型相关的一阶统计特性进行了仿真和分析 本文所做 的研究工作对建立更准确的m i m om 2 m 信道模型和研究其统计特性提供了基 武汉理工大学硕士学位论文 础和参考 对未来m i m om 2 m 通信系统的研究具有重要的理论意义 本论文内 容安排如下 第一章是绪论部分 主要阐述了本文的研究背景 意义和目前国内外的研究 现状 第二章介绍了移动衰落信道建模的基本理论 先介绍了移动衰落信道的特 点 接着阐述了移动衰落信道的模型和研究移动衰落信道的方法 并对其统计 特性进行了介绍和说明 第三章建立了基于残缺双环模型的m i m om 2 m 信道的参考模型 考虑了具 有单反射分量 双反射分量和视距分量的情形 先给出了几何模型 然后在此 基础上建立了m i m om 2 m 信道的随机参考模型并分析了其统计特性 在本章的 最后对相关的统计特性进行了仿真和分析 第四章在上一章建立了参考模型的基础上进一步给出了m i m om 2 m 信道的 仿真模型 本章先建立了相应的随机参考模型 接着建立了相应的确定性仿真 模型 第五章对所建立的信道模型的参数进行了计算 先介绍了已有的确定性过 程的参数计算方法 接着阐述了本文在研究过程中所采用的具体参数计算方法 最后给出了所建立确定性模型的仿真结果和分析 第六章是对全文的总结 分析了本文所做的主要工作 并对后续的研究工作 进行了分析与展望 4 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章移动衰落信道建模基本理论 2 0 l 移动衰落信道的特点 无线传播环境是影响无线通信系统的基本因素 发射机与接收机之间的无 线传播路径非常复杂 从简单的视距传播 l 0 s 到遭遇各种复杂的地物 如 建筑物 山脉和树林等 所引起的反射 衍射和散射等非视距传播 无线信道 不像有线信道那样固定并可预见 而是具有极度的随机性 陆地移动信道的主 要特征是多径传播和多普勒效应 由于障碍物阻挡了视距路径 发出的电磁波通常不能直接到达接收天线 事实上 接收到的电磁波是由建筑物 树木及其他障碍物导致的反射 衍射和 散射而产生的来自不同方向的波叠加而成的 这种现象称之为多径传播l l 一 个典型的陆地移动信道场景如图2 1 所示 挚峨 穗墨 毫 熟r 图2 1陆地移动通信环境中多径传播的典型场景 多径传播造成的信号衰减会严重影响通信的质量 多径传播将引起信号的 多径衰落 多径衰落可以从空间和时间两个方面来描述 从空间角度看 沿移 动台的移动方向 接收信号的幅度随着距离增大而衰减 从时间上来看 各个 传输路径的长短不同 因而信号的到达时间不同 这样 如从基站发送一个脉 武汉理工大学硕士学位论文 冲信号 则接收信号中不仅含有该脉冲 而且还包含它的各个时延信号 1 6 除了多径传播 多普勒效应同样会对移动通信信道的传输特性产生负面的 影响 由于多普勒效应 信号的频谱在传输过程中会出现频率扩展 1 7 1 而造成信 号失真 而且这种信号的失真会随着信号传播时间的增加而增加 2 2 移动衰落信道的模型 随着移动通信技术的发展 人们对移动衰落信道的研究也越来越深入 目 前用于描述移动衰落信道的模型有很多 总的来说可以分为三类 即统计模型 物理模型和几何模型 统计模型是基于信道各种统计特性建立的信道模型 它假定信道冲激响应 是随机的 一般假设衰落信道为独立同分布的复高斯信道 基于信道的统计特 性获得一些重要的参数及其概率分布 利用这些统计信息建立空间信道模型 1 8 物理模型是基于实际环境测量建立的信道模型 它要求得到信道环境的详 细信息 实现方法主要有射线跟踪法和时域有限差分法 由于统计模型和物理模型在实际应用中存在各自的缺陷和不足 从而人们 就提出了一种基于几何结构而建立起来的描述移动衰落信道的模型 在几何模 型中没有直接假定统计参数 而是同时考虑信道传播环境结构特性 根据一定 的分布选择散射体的位置 建立基于几何结构的统计信道模型和确定性信道模 型 在信号实际的传输过程中存在非频率选择性衰落和频率选择性衰落 描述 非频率选择性衰落信道的模型主要有两个 1 a u l k e 模型和s u z u k i 模型 1 9 1 c l a r k e 模型用于描述r a y l e i g h 衰落信道 s u z u k i 模型则在r a y l e i g h 衰落的基础 上考虑了大尺度衰落 即此时的信道包络可用r a y l e i g h 过程与对数正态过程的 乘积表示 当再考虑传播环境中存在一个直接视距分量时 可以用s u z u k i 信道 模型的扩展模型来描述 此时 需要在信道包络上再加上一个直射分量 直射 分量由其幅度 多普勒频移和相位决定 此时的信道包络不再服从r a y l e i g h 分 布 而是服从r i c e a n 分布 2 0 1 典型的蜂窝网络是通过静态的基站 b s 使不同的移动站点 m s 互连 其服务提供端是静止的 只有m s 一端在移动 与传统的通信信道不同 在m 2 m m o b i l e t o m o b i l e 移动衰落信道中 发送端和接收端都是移动的 在这样的 6 武汉理工大学硕士学位论文 信道中信号传输更容易受到多径衰落和多普勒效应的影响 信号经过信道后产 生频率选择性衰落 时间选择性衰落和空间选择性衰落 2 1 1 为了描述m 2 m 移动 衰落信道 目前人们也提出了各种各样的模型 其中比较有代表性的模型有单 环模型 双环模型和双环椭圆模型等 单环模型描述了接收端存在多个反射物体情形下的信道特性 双环模型描 述了发射端和接收端周围都存在多个反射物体情况下宏蜂窝和微蜂窝信道的衰 落特性 然而并没有涉及微微蜂窝的情形 在双环模型基础上提出的双环椭圆 模型对微微蜂窝情况下的信道特性进行了描述和分析 2 3 研究移动衰落信道的方法 对信道进行分析和建模 首先要对各种信道模型进行收集整理 然后根据 实际的情况提出模型假设 最后实地测量进行验证 主要根据两个目标来建立 信道模型 第一个目标是寻找适合移动无线信道建模的随机过程 建立一个由 理想随机过程描述的信道模型来作为参考模型 第二个目标是推导出各种典型 移动通信场景中的灵活有效的仿真模型 参考模型和对应的仿真模型的有效性 和质量最终取决于它的单个统计特性可以在多大程度上符合测量信道或特定信 道的统计特性 m 2 m 衰落信道的建模方法主要有确定性建模方法和利用空时统计特性的建 模方法 目前 在m 2 m 衰落信道建模中较多采用的是基于空时统计特性的建模 方法 其中 基于散射体地理特征的建模方法和空时相关统计特性的建模方法 又是统计建模中较多采用的两种方法 这两种方法都有各自的优缺点 若基于 散射体几何分布对m 2 m 衰落信道建模 则必须对散射体的分布进行合理的假 设 并给出收发两端之间的距离 散射体的数目和尺寸以及散射体与收发两端 的距离等一些可描述m 2 m 衰落信道的二维几何参数 而过多的参数约束会增加 建模的复杂度 同时 不同的环境下这些参数的值也不尽相同 因此 这种建 模方法限制了具体的应用场合 基于统计特性对m 2 m 衰落信道进行建模 需要 给出描述离开角 到达角等一系列参数的数学统计模型 这种方法能够较为全 面的反映m 2 m 衰落信道的衰落特性 要对通信信道进行分析和建模 首先要对各种信道模型进行收集和整理 然后根据实际的情况提出模型假设 最后实地测量进行验证 对移动衰落信道 进行研究和分析 建立恰当的信道模型是关键 在信道建模的过程中通常按下 7 武汉理工大学硕士学位论文 列步骤进行 首先需要建立一个恰当的几何模型 该几何模型应能够合理的反 映通信过程中信号的传输路径和过程 其次 要寻找适合移动无线信道建模的 随机过程 用理想的随机过程来描述一个信道模型 以它作为所研究信道的参 考模型 第三 在已建立参考模型的基础上推导出各种典型移动无线环境的高 效灵活的随机仿真模型和确定性仿真模型 最后 为了进行仿真和分析的方便 还需对仿真模型的各个参数进行计算 对仿真模型参数进行计算的方法有很多 需根据实际情况选择恰当的计算方法 在经过上述信道建模的一般过程后就可 以通过计算机仿真来对信道的各种特性进行研究和分析了 2 4 移动衰落信道的统计特性 移动衰落信道统计特性的研究是移动通信系统研究领域中重要的部分 也 是近年来人们研究的热点之一 其中多径传播 阴影效应和多普勒效应是移动 衰落信道的主要特点 几乎任何统计特性都是建立在此基础之上的 移动衰落信道模型的一阶统计特性 包括振幅的概率密度函数和相位的概 率密度函数等 除了研究信号的振幅和相位的衰落特性以外 电平通过率 l e v e lc r o s s i n g r a t e l c r 和平均衰落持续时间 a v e r a g ef a d ed u r a t i o n a f d 也是两个很 重要的统计量 分别描述了信号的衰落速度和持续时间的统计规律 它们反映 了衰落在时间上的严重程度 对于估计系统的可用性 选择系统的调制解调技 术和差错控制方式很有价值 2 2 1 电平通过率 l c r 是关于时间的统计特性 是对衰落快慢的一种度量 它 反映了衰落信号的幅度以怎样的频率穿越某一门限值 对任意的广义平稳随机 过程 电平通过率定义为每秒内随机过程从高到低 或者从低到高 通过某一 给定电平 的次数 平均衰落持续时间 a f d 指信号在某一门限以下持续的时间 它反映了 信号包络低于给定电平 的时间间隔的统计平均值 其值大小由信道振幅的分布 函数与电平通过率的商决定 除此之外 空 时 频相关函数和功率谱密度也是在研究移动衰落信道过程中 需要分析的重要统计特性 2 3 2 4 1 8 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章基于残缺双环模型的m i m om 2 m 信道 参考模型 3 1 引言 通过前面的章节我们了解了移动衰落信道的特点和研究移动衰落信道的方 法 并对移动衰落信道的统计特性有了一定的认识 有了这些理论基础之后 我们就可以对移动衰落信道进行分析和研究了 与传统的通信信道不同 在m 2 m m o b i l e t o m o b i l e 移动衰落信道中 发 送端和接收端都是移动的 m i m o 信道提供了比s i s o 信道更大的信道容量 随 着m i m o 技术的不断成熟 将m i m o 技术应用于m 2 m 通信系统将成为未来无 线通信发展的趋势 本文对m i m om 2 m 移动衰落信道的研究是建立在残缺双环 模型基础之上的 3 2 几何模型 为了研究m i m om 2 m 通信系统的信道特性 本文提出了一种基于残缺双环 几何模型的信道模型 该模型考虑了宏蜂窝和微蜂窝环境中信号传输过程包含 视距 l o s 和非视距的情形 模型如图3 1 和图3 2 所示 为了便于描述和推导 本文的推导过程假设发射端和接收端都只配置了两 个全向天线 即m i m o 天线阵列为2 x 2 的情形 推导出2 x 2 天线阵列情形下的 信道模型后 同理可得到发射端和接收端配置任意个数的天线情形下的信道模 型 2 5 在图3 1 和图3 2 所示的几何模型中 假设包围在发射端附近的散射体 蹿 掰 l 2 3 分布在距离发射端中心点q 为鲜的位置 包围在接收端附近的 散射体磷 n 1 2 3 分布在距离接收端中心点o r 为群的位置 分别近似服 从圆形分布 哗和碟可以由半径辱和如分别表示 它们之间的关系如下 r 罗 r 7 c o s 缈罗 3 1 磷 c o s 蝶 3 2 9 武汉理工大学硕士学位论文 其中簖和蝶是分布在x e f 司 o 2 n 的随机变量 硌 麟奏二 站 峨 厂滚 垒 b p 薯6 l j 如i 少 i t j f o t 逸麓 图3 1 单反射和双反射情形下2 x 2m i m om 2 m 信道残缺双环模型 y l v 聍 女 州 二 i d l 幺 芦 7 纩p 厶 擘 1 7 置 厂慕如 3 奴 r x t i j t i 卜1 5 么1一 美 二 图3 2l o s 情形下2 x 2m i m om 2 m 信道残缺双环模型 在图3 1 和图3 2 中 发射端中心点q 和接收端中心点哝之间的距离为d 并且假设半径弓和咏远远小于d 天线间距磊和昧远远小于砰和磷 即 m a 辟 磁 d m a 磊 蟊 1 1 1 i n 群 群 和 分别表示发射端移动 速度和接收端移动速度 口r 和口r 分别为发射端运动方向与x 轴的夹角和接收端 运动方向与x 轴的夹角 屏和风分别为发射天线阵列与x 轴的夹角和接收天线 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 阵列与x 轴的夹角 簖和群分别表示发射波到达散射体掣和碟的发射角 a o d 簖和蝶分别表示从散射体蹄和磷反射的入射波的到达角 a o a y w s 表示视距分量的到达角 a o a 彳 和群分别表示发射端编号为1 和2 的 天线 彳 和彳 分别表示接收端编号为1 和2 的天线 d l 丸 吃 盔 丸 和磊 分别表一a r l 掣 掣 磷 酃 a m 彳 磷 掣 彳 和视距路径a t a r 的距离 2 6 2 7 该残缺双环模型描述的是发射天线和接收天线在同一水平高度且散射体 数量足够多的情形 3 3 随机参考模型 上一节给出了残缺双环模型 这一节我们将在几何模型的基础上推导出随 机参考模型 由图3 1 和图3 2 可以看出 接收到的从发射端群到接收端彳 的信号的冲 击响应是信号在发射端和接收端分别进行一次散射 信号从发射天线到达发射 端散射体经过一次散射直接到达接收天线 信号直接到达接收端散射体经过一 次散射到达接收天线和信号直接由发射端天线到达接收端天线的分量的叠加 2 8 2 9 即 j i z l f 纠甲0 捌乎r o 啊产o 啊p o 3 3 下面分别给出各个分量桦 f 群r r 铲 r 和舻 r 的推导过程 假设到达接收端的所有电磁波都具有相等的功率且本地散射体m 和 的数 量趋向于无穷大 即m o 因此 第一个接收天线以接收到的散射分 量是由无限多个均匀平面波分量组成 且每个平面波分量的功率相对于整个平 均散射功率来说可以忽略不计 因此 接收到的从发射天线4 到接收天线么 经 过发射端散射体祥和接收端散射体哪两次散射的信道冲击响应可以表示为 d l b l 不 m l i m k e j 而嘟再吨 3 4 辨2 1n l 其中 g m n 表示由散射体掣和磷引起的联合增益 表示由散射体蹄和 娣引起的联合相移 霹是第m 个发射平面波沿传播方向的波矢量 露是第力 武汉理工大学硕士学位论文 个接收平面波沿传播方向的波矢量 弓表示发射端的空间变化矢量 不表示发 射端的空间变化矢量 k 表示自由空间的波数且k 2 万 旯 名 c o l 岛为光 速 z 是载波频率 为平面波从发射端天线4 经散射体掣和碟到达接收 端天线名的路径长度 由条件m a x 碍 磁 d 可得 从任何两个散射体野和筇 历 所 到达碟 的散射所引起的增益e 册和相移以 是相等的 因此 我们可以进一步假设 由掣 和磷引起的增益和相移是相互独立的 由条件m a 磊 蟊 r a i n r 群 可知 从不同发射天线发射出的平面波 到达同一个散射体掣的出射角是相同的 从同一个散射体醚到达不同接收天线 的到达角也相同 因此 可以假设由散射体蹄产生的增益为e m m 相移为吒 由散射体酃 产生的增益为e 相移为眈 其中吒和幺是在区间 o 2 万 服从均匀分布的 随机变量 由此可得 式 3 4 中的联合增益 和联合相移 可以表示为 e 击 包 吃 3 5 3 6 巴 仍然服从区间 o 2 x 内的均匀分布 由发射端和接收端的移动产生的多普勒相移霹 弓和露 不可以表示为 矽 弓 2 砺一c o s 筇一a r t 3 7 碟 不 一2 矾一c o s 蝶一 y 3 8 其中 最大多普勒频移允 v r 名 允 力 由图3 1 可知 4 胂 d 肋 d 1 3 9 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 其中 由此可得 盔脚 砰一譬c s 秽一屏 d 柳 d r 罗e o s 矽7 r 足nc o s 以 r 一誓c o s 蝶一傣 3 1 0 3 1 1 3 1 2 办p f 面1 恕 蚤m 丢n p p 一归 e 2 舸 疗一c o s 疗嘶 厶一c o s 颤嘞 其中 面1 想蚤m 萎n l l m一丽蔚册 m 刍刍 一 心1 黑善m 萎n m l i m 一 心脚 m 毛缶 e p 一砖 而m d n l p 2 删 筇 a m b c 册p 舭石 眉 一 压冬c o s 秽一序 a m2 e 以 p 肛譬c o s 碟一岛 c 肭 e j k r 7 淞茚一 瞄蝶 l 哦c o s 7 一a 心 露 厶咄c o s 蝶一 o o k d r 罗 r 3 1 3 3 1 4 3 1 5 3 1 6 3 1 7 3 1 8 3 1 9 i 粼m a x r r r r d 可得簖 万 与芹o 的推导过程类似 由图3 1 可知平面波从发射端天线么 经散射体筇到达接收端天线以的路径长度d 胂 可 表示为 武汉理工大学硕士学位论文 其中 巩l d l m4 d i 3 2 0 d m l d 一鲜c s 群 t 蟊c s 厥 3 2 1 接收到的从发射天线么 到接收天线彳 经散射体蹄一次散射的信道冲击响 应可以表示为 其中 砰 r 2 面概 著 n l p 眠p 一蛾1 p 刀硝办一咧班即m 一咧赡嘞刀 f 1l i m p p 一烈钆 p 口训 喝一瞄 3 2 2 a 召坍 肼2 1 m 一1 l i m 口m b e 瓜2 弗 件 刚 6 p 脂譬淄风 3 2 3 2 矾麟c o s c z 月 3 2 4 q k d r r r 7c o s 秽 3 2 5 同理 由条件i i l a 辟 磁 d 可得好 0 由图3 1 可知平面波从发射端 天线彳 经散射体磷到达接收端天线碑的路径长度d l 可表示为 d l d l 砍l 3 2 6 其中 磊 d 一垒2c s 屏 群c s 蝶 3 2 7 接收到的从发射天线么 到接收天线彳 经散射体磷一次散射的信道冲击响 应可以表示为 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 其中 办跚 f l i m y e j a e 一鹏一e j 2 瓜 疗一c o s 鲜一卿 厶一c o s 蜈嘞 u 一 l nn o o 厶n l l i m p 以p m 咄 2 府 疗一嘲呀 露 3 2 8 吖 v 一 胆l 7 寿嬲善咖瓜附2 确件卧矧 j k 婆瞄艮 a p 2 斫一c o s r 岛 k d r i 碟c o s 蝶 3 2 9 3 3 0 3 3 1 对于视距分量舻 由条件1 1 1 a 碍 磁 dn f i l 得 y w s 万 同样地 由 图3 2 可知 a l lm 一3 磊 c s 屏 3 蟊c s 屏 3 3 2 接收到的从发射天线4 直接到达接收天线么 的信道冲击响应可以表示为 办 f e 嘲1e j 2 而 疗一咧石一凇嘶卜厶一州 一鲰 e 婀1 e 2 疵 疗一螂嘶一厶 啷鲰 3 3 3 旦p w 2 t 一明 b 其中 秒 k d 3 3 4 经过以上公式的推导 4 到4 链路的信道冲击响应可以表示为 1 5 武汉理工大学硕士学位论文 啊 o 群 o 群1o 群矗o 鲜r o 5 击鳃蚤m 争n m 烈 击熙缸扩朴踟 刚 专 骢善毋以 2 确h 刚 秒即蚴卜卅 3 3 5 有了式 3 3 5 我们就可以推广到m r n r 天线a f 1 m r 到群 1 虮 的m i m om 2 m 信道冲击响应办阳 f 可以表示为 k f 瓒 d 磋r f 蟒s b rl l o s f 其中 嚣 f 只 一岛l 旦 b 口二 p j 等p 珞c o s 黼 配 p 等懒c o s 懒 3 4 参考模型的统计特性 3 3 6 为了能更好的分析和研究m i m om 2 m 信道 在已经建立了参考模型的基础 之上本文还将给出所建立的残缺双环模型的统计特性 接下来 我们将给出参考模型的空 时互相关函数 空域互相关函数和时域 自相关函数的推导过程 空 时互相关函数定义为 r 岛 昧 f e h 朋 t h f q o i f 3 3 9 空域互相关函数定义为 1 6 m 心m 上面叼 瑚 州 u 阶 咆 嵋 伪 吲 硝 m 心碱 觋 落 h 椰 m 帕 击拇 7 o o j 3 j 3 l 武汉理工大学硕士学位论文 r 露 以 e h 朋 办 智 f 时域自相关函数定义为 r 研h p q f 办二o f 其中 p p q q7 幸表示复共轭运算 由式 3 3 5 可知 3 4 0 3 4 1 r 磊 蟊 f 尺珊 露 蟊 f r s b 7 s t 以 f 3 4 2 r 跚 磊 蟊 f 尺螂 磊 颤 f r 西 以 r 脚 露 文 尺船r 西 蟊 r 跚 磊 r 螂 西 氓 f r d 占 f b r f 釜职 f r l o s f 下面给出具体的推导过程 由前面的推导可得 3 4 3 3 4 4 r 肋 磊 靠 f e k 等 f 喵 o r 一1 1 1 里 m n 研口 2 2 2 2 p 川石 1 3 45 mn l i my y 研口 口 p j 2 石 硝 f 一 m 一鲁鲁 由于本地散射体数量趋于无穷 即肘o o o o 于是离散随机变量妒和蝶可 以用连续随机变量办 办和它们的概率函数p 办 尸 九 表示 式 3 4 5 可 以进一步表示为 r 肋 岛 蟊 f fp 2 磊 办涉2 以 欢弦一7 2 砺 一 r e j 2 砺 九 f p r p r d c t d c r 霭露 p 2 磊 办 卅砺 一 7 p 办 坼 p 2 靠 九弦一7 2 确 靠h p 办 旗 一石一万 r r 薛 f 如 靠 f 3 4 6 其中 碍 磊 r p 2 磊 办 p 印斫 卉弦p 办 d 办 3 4 7 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 如 蟊 f p 2 氓 九弦印矾 颤弦p q 毋r d q r 3 4 8 口 矗 r p 弘譬州卉刊 6 以 r p 肛譬c o s 靠 石 办 弄雠e o s t 一听 厶 办 石一c o s