MIMO和SCM信道模型解读课件

MIMO技术和SCM信道模型报告人：董溢华MIMO技术和SCM信道模型报告人：董溢华1报告提纲一.MIMO技术二.MIMO信道模型三.SCM信道模型四.SCM信道模型使用报告提纲一.MIMO技术2一.MIMO技术二.MIMO信道模型三.SCM信道模型四.SCM信道模型使用一.MIMO技术3MIMO技术两个问题：1.什么是MIMO技术？2.为什么要使用MIMO技术？MIMO技术两个问题：4MIMO技术1.什么是MIMO技术？MIMO（Multiple-InMultiple-Out，多入多出/多天线）通常，多径要引起衰落，因而被视为有害因素。然而研究结果表明，对于MIMO系统来说，多径可以作为一个有利因素加以利用。MIMO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，MIMO的多入多出是针对多径无线信道来说的。

MIMO技术1.什么是MIMO技术？5MIMO技术MIMO系统模型无线电发送的信号被反射时，会产生多份信号。每份信号都是一个空间流。使用单输入单输出（SISO）的当前或老系统一次只能发送或接收一个空间流。MIMO允许多个天线同时发送和接收多个空间流。它允许天线同时传送和接收。MIMO技术MIMO系统模型6MIMO技术总结一下：

MIMO技术与传统的SISO技术最大的不同在于：MIMO技术是利用多径效应而不是对抗多径效应，将原始信息流进行分割在不同的路径上进行传输。MIMO技术总结一下：7MIMO技术2.为什么要使用MIMO技术？N个数据子流同时发射时，只占用同一传输信道，并不会增加使用带宽。在自由空间里，MIMO系统占用比普通天线系统更多的传输空间，用来在各发射和接收天线间构筑多条相互独立的通道，产生多个并行空间信道，并通过这些并行的空间信道独立地传输信息，达到了空间复用的目的，以此方式来提高系统的传输容量。因此，MIMO技术本质上是利用多天线同时发送和接收而形成的多个并行的独立数据子流来提高系统的信道容量和抗衰落能力的。MIMO技术2.为什么要使用MIMO技术？8MIMO技术

MIMO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谱利用率。这是一种近于最优的空域时域联合的分集和干扰对消处理。 系统容量是表征通信系统的最重要标志之一，表示了通信系统最大传输率。对于发射天线数为N，接收天线数为M的多入多出(MIMO)系统，假定信道为独立的瑞利衰落信道，并设N、M很大，则信道容量C近似为：

C=[min(M,N)]Blog2(ρ/2)B为信道带宽，ρ为接收平均信噪比。MIMO技术MIMO将多径无线信道与发射、接收视为一个整体9MIMO技术MIMO技术优点如下：频谱利用率高：MIMO技术能够在不增加额外功率或者带宽的前提下增加系统容量，即提供空分复用增益；覆盖范围广：对于所有天线阵元上的接收信号进行相干合并，可以获得天线阵列或者波束成型增益；功耗低：采用发射波束成型等方法可以获得较低的功率消耗；链路的可靠性高：采用多天线可以增加空间分集以对抗多径衰落。

MIMO技术MIMO技术优点如下：10一.MIMO技术二.MIMO信道模型三.SCM信道模型四.SCM信道模型使用一.MIMO技术11MIMO信道模型 1.地面移动通信环境中的典型场景MIMO信道模型 1.地面移动通信环境中的典型场景12MIMO信道模型2.无线信道衰落模型大尺度衰落模型长距离范围接收信号强度缓慢变化的规律；中尺度衰落模型阴影衰落，它是重叠在大尺度传播特性中值电平上的平均功率变化；小尺度衰落模型短距离或短时间内接收信号强度的快速变化。MIMO信道模型2.无线信道衰落模型13MIMO信道模型4.无线衰落信道的主要特性时延扩展和相干带宽多普勒扩展和相干时间角度扩展和相干距离MIMO信道模型4.无线衰落信道的主要特性14MIMO信道模型5.MIMO无线信道模型MIMO信道模型5.MIMO无线信道模型15MIMO信道模型假设基站有根天线，移动台有根天线。在基站的天线阵列上的信号表示为：式中，符号为矢量或者矩阵转置，为基站的第根天线端口的信号。同理，在移动台天线阵列上的信号为：式中为基站的第根天线端口的信号。MIMO信道模型假设基站有根天线，移动台有根天线16MIMO信道模型5.信道建模方法MIMO信道模型主要分3类：统计性模型（经验模型）确定性模型半确定性模型MIMO信道模型5.信道建模方法17MIMO信道模型统计性模型统计性模型是基于信道各种统计特性建立的信道模型。在实际传播环境中，存在着大量具有相同或相似传播特性的小区，对这些小区进行实际测量，归纳出信道各种重要的统计特性（如时延扩展、角度扩展等）及信道参数的概率密度分布，利用这些统计信息建立适用范围较广的空间信道模型。典型方法如基于试验测量的冲激响应法，这是一种完全随机的方法。统计性模型的优点在于模型的复杂度较低，具有一定的通用性；缺点是和实际的信道有较大偏差，这是因为模型的各种参数是用各自统计特性随机生成，随机生成的参数和实际测量的参数可能会有比较大的差别。统计模型主要有李氏模型、离散均匀分布模型、高斯广义稳态非相关散射模型等。MIMO信道模型统计性模型18MIMO信道模型确定性模型确定性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，如建筑物和自然界物体（石头、树木等）精确的位置、大小以及分布等。确定性模型的基本思想就是如果传播环境的详细信息可以得到，那么无线传播就可以看成一个确定过程；它可以确定空间任一点的各种空时特性。这类信道模型主要用于小区规划。确定性模型实现方法主要有双向无线信道、射线跟踪技术、几何绕射和一致性绕射理论的方法，以及时域有限差分（FDTD）法。目前，运用最为广泛的是基于几何光学和一致性几何绕射理论的射线跟踪技术。射线跟踪的基本思想是：将发射点视为点源，其发射的电磁波作为向各个方向传输的射线，对每条射线进行跟踪，在遇到阻碍物时按反射、折射或绕射来进行场强计算，在接收点将到达该点的各条射线合并，从而实现传播预测。射线跟踪可以得到每条路径的幅度、时间延迟和到达角，以预测信号电平、时域色散和信道冲激响应，随之一系列参数如功率延迟谱、均方根延迟扩展和相关带宽等就可确定。射线追踪技术还能够结合天线的辐射图，分别考虑辐射图对每条射线的影响。MIMO信道模型确定性模型19MIMO信道模型半确定性模型由于统计性模型误差较大而确定性模型复杂性较高，实现较为困难等原因，出现了介于两种模型之间的半确定性模型，半确定性模型是综合上述两种模型优点发展起来的一种低复杂性、又能较好符合于实际环境的一种信道模型。半确定性模型的实现主要有两种方法，即基于几何统计的信道实现方法和相关矩阵法。主要有以下两种方法：基于几何统计法（SCM信道模型、SCME信道模型、WINNER信道模型）相关矩阵法（3GPPLTE信道模型和IEEE802.11n信道模型

）MIMO信道模型半确定性模型20一.MIMO技术二.MIMO信道模型三.SCM信道模型四.SCM信道模型使用一.MIMO技术21SCM信道模型1.SCM模型综述基于射线法的SCM信道模型更能反映MIMO信道的每次实现的变化特性，且可用于链路级和系统级仿真。SCM信道模型，是较为常用的MIMO信道建模方法，与相关矩阵法相比，计算量明显较小。SCME、WINNER模型都是SCM模型的延伸。

标准：3GPPTR25.996

三种情境：郊区宏小区（suburbanmacro）、市区宏小区(urbanmacro)和市区微小区(urbanmicro)；载频2GHz、带宽5MHz；多径数目为6，子径数目20；SCM信道模型1.SCM模型综述22SCM信道模型标准中径的概念：多径环境有N条径，每条径由M条子径组成；每条径内所有子径的时延特性完全相同，并且每条径是它的子径共同作用的结果，因此多径环境可以用各径的时延和相对径衰落来描述；但各径的这种时延和相对径衰落是描述多径环境的必要非充分条件；空间角度方面，子径是以径为中心散布开来的，为了支持这个现象，引入角度参数描述子径的分布特征；径的特征由场景决定，引入时延扩展描述径的特征并描述各种不同场景下径的区别。SCM信道模型标准中径的概念：23SCM信道模型2.SCM信道仿真过程SCM信道模型2.SCM信道仿真过程24SCM信道模型环境：Suburbanmacrocell(approximately3KmdistanceBStoBS)Urbanmacrocell(approximately3KmdistanceBStoBS)Urbanmicrocell(lessthan1KmdistanceBStoBS)SCM信道模型环境：25SCM信道模型参数定义：SCM信道模型参数定义：26MIMO和SCM信道模型解读课件27SCM信道模型信道系数产生非极化情况极化情况SCM信道模型信道系数产生28SCM信道模型SCM信道模型29一.MIMO技术二.MIMO信道模型三.SCM信道模型四.SCM信道模型使用一.MIMO技术30SCM信道模型使用1.建模流程SCM信道模型使用1.建模流程31SCM信道模型使用2.程序框架SCM信道模型使用2.程序框架32SCM信道模型使用3.输入、输出参数输入参数：输出参数：见文献：scm-05-07-2006\scm_05-07-2006.pdfSCMPAR

LINKPAR

ANTPAR[INITVALUES][CHAN,[DELAYS],[FULLOUTPUT]]SCM信道模型使用3.输入、输出参数SCMPAR33SCM信道模型使用4.关于信道冲击响应的增益系数SCM信道模型使用4.关于34SCM信道模型使用5.与上层接口问题（讨论）上层需要哪些信息？信道矩阵？信道容量？SCM信道仿真AMC信道系数编码和调制方式计算信道容量SCM信道模型使用5.与上层接口问题（讨论）SCM信道仿真35参考资料：3GPPTR25.996V6.1.0(2003-09)《MIMO多天线无线通信系统》肖扬著人民邮电出版社MATLABimplementationofthe3GPPSpatialChannelModel(3GPPTR25.996)ImplementationDocumentation《移动衰落信道》MathiasPatzold著电子工业出版社参考资料：36谢谢！谢谢！37MIMO技术和SCM信道模型报告人：董溢华MIMO技术和SCM信道模型报告人：董溢华38报告提纲一.MIMO技术二.MIMO信道模型三.SCM信道模型四.SCM信道模型使用报告提纲一.MIMO技术39一.MIMO技术二.MIMO信道模型三.SCM信道模型四.SCM信道模型使用一.MIMO技术40MIMO技术两个问题：1.什么是MIMO技术？2.为什么要使用MIMO技术？MIMO技术两个问题：41MIMO技术1.什么是MIMO技术？MIMO（Multiple-InMultiple-Out，多入多出/多天线）通常，多径要引起衰落，因而被视为有害因素。然而研究结果表明，对于MIMO系统来说，多径可以作为一个有利因素加以利用。MIMO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，MIMO的多入多出是针对多径无线信道来说的。

MIMO技术1.什么是MIMO技术？42MIMO技术MIMO系统模型无线电发送的信号被反射时，会产生多份信号。每份信号都是一个空间流。使用单输入单输出（SISO）的当前或老系统一次只能发送或接收一个空间流。MIMO允许多个天线同时发送和接收多个空间流。它允许天线同时传送和接收。MIMO技术MIMO系统模型43MIMO技术总结一下：

MIMO技术与传统的SISO技术最大的不同在于：MIMO技术是利用多径效应而不是对抗多径效应，将原始信息流进行分割在不同的路径上进行传输。MIMO技术总结一下：44MIMO技术2.为什么要使用MIMO技术？N个数据子流同时发射时，只占用同一传输信道，并不会增加使用带宽。在自由空间里，MIMO系统占用比普通天线系统更多的传输空间，用来在各发射和接收天线间构筑多条相互独立的通道，产生多个并行空间信道，并通过这些并行的空间信道独立地传输信息，达到了空间复用的目的，以此方式来提高系统的传输容量。因此，MIMO技术本质上是利用多天线同时发送和接收而形成的多个并行的独立数据子流来提高系统的信道容量和抗衰落能力的。MIMO技术2.为什么要使用MIMO技术？45MIMO技术

MIMO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谱利用率。这是一种近于最优的空域时域联合的分集和干扰对消处理。 系统容量是表征通信系统的最重要标志之一，表示了通信系统最大传输率。对于发射天线数为N，接收天线数为M的多入多出(MIMO)系统，假定信道为独立的瑞利衰落信道，并设N、M很大，则信道容量C近似为：

C=[min(M,N)]Blog2(ρ/2)B为信道带宽，ρ为接收平均信噪比。MIMO技术MIMO将多径无线信道与发射、接收视为一个整体46MIMO技术MIMO技术优点如下：频谱利用率高：MIMO技术能够在不增加额外功率或者带宽的前提下增加系统容量，即提供空分复用增益；覆盖范围广：对于所有天线阵元上的接收信号进行相干合并，可以获得天线阵列或者波束成型增益；功耗低：采用发射波束成型等方法可以获得较低的功率消耗；链路的可靠性高：采用多天线可以增加空间分集以对抗多径衰落。

MIMO技术MIMO技术优点如下：47一.MIMO技术二.MIMO信道模型三.SCM信道模型四.SCM信道模型使用一.MIMO技术48MIMO信道模型 1.地面移动通信环境中的典型场景MIMO信道模型 1.地面移动通信环境中的典型场景49MIMO信道模型2.无线信道衰落模型大尺度衰落模型长距离范围接收信号强度缓慢变化的规律；中尺度衰落模型阴影衰落，它是重叠在大尺度传播特性中值电平上的平均功率变化；小尺度衰落模型短距离或短时间内接收信号强度的快速变化。MIMO信道模型2.无线信道衰落模型50MIMO信道模型4.无线衰落信道的主要特性时延扩展和相干带宽多普勒扩展和相干时间角度扩展和相干距离MIMO信道模型4.无线衰落信道的主要特性51MIMO信道模型5.MIMO无线信道模型MIMO信道模型5.MIMO无线信道模型52MIMO信道模型假设基站有根天线，移动台有根天线。在基站的天线阵列上的信号表示为：式中，符号为矢量或者矩阵转置，为基站的第根天线端口的信号。同理，在移动台天线阵列上的信号为：式中为基站的第根天线端口的信号。MIMO信道模型假设基站有根天线，移动台有根天线53MIMO信道模型5.信道建模方法MIMO信道模型主要分3类：统计性模型（经验模型）确定性模型半确定性模型MIMO信道模型5.信道建模方法54MIMO信道模型统计性模型统计性模型是基于信道各种统计特性建立的信道模型。在实际传播环境中，存在着大量具有相同或相似传播特性的小区，对这些小区进行实际测量，归纳出信道各种重要的统计特性（如时延扩展、角度扩展等）及信道参数的概率密度分布，利用这些统计信息建立适用范围较广的空间信道模型。典型方法如基于试验测量的冲激响应法，这是一种完全随机的方法。统计性模型的优点在于模型的复杂度较低，具有一定的通用性；缺点是和实际的信道有较大偏差，这是因为模型的各种参数是用各自统计特性随机生成，随机生成的参数和实际测量的参数可能会有比较大的差别。统计模型主要有李氏模型、离散均匀分布模型、高斯广义稳态非相关散射模型等。MIMO信道模型统计性模型55MIMO信道模型确定性模型确定性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，如建筑物和自然界物体（石头、树木等）精确的位置、大小以及分布等。确定性模型的基本思想就是如果传播环境的详细信息可以得到，那么无线传播就可以看成一个确定过程；它可以确定空间任一点的各种空时特性。这类信道模型主要用于小区规划。确定性模型实现方法主要有双向无线信道、射线跟踪技术、几何绕射和一致性绕射理论的方法，以及时域有限差分（FDTD）法。目前，运用最为广泛的是基于几何光学和一致性几何绕射理论的射线跟踪技术。射线跟踪的基本思想是：将发射点视为点源，其发射的电磁波作为向各个方向传输的射线，对每条射线进行跟踪，在遇到阻碍物时按反射、折射或绕射来进行场强计算，在接收点将到达该点的各条射线合并，从而实现传播预测。射线跟踪可以得到每条路径的幅度、时间延迟和到达角，以预测信号电平、时域色散和信道冲激响应，随之一系列参数如功率延迟谱、均方根延迟扩展和相关带宽等就可确定。射线追踪技术还能够结合天线的辐射图，分别考虑辐射图对每条射线的影响。MIMO信道模型确定性模型56MIMO信道模型半确定性模型由于统计性模型误差较大而确定性模型复杂性较高，实现较为困难等原因，出现了介于两种模型之间的半确定性模型，半确定性模型是综合上述两种模型优点发展起来的一种低复杂性、又能较好符合于实际环境的一种信道模型。半确定性模型的实现主要有两种方法，即基于几何统计的信道实现方法和相关矩阵法。主要有以下两种方法：基于几何统计法（SCM信道模型、SCME信道模型、WINNER信道模型）相关矩阵法（3GPPLTE信道模型和IEEE802.11n信道模型

）MIMO信道模型半确定性模型57一.MIMO技术二.MIMO信道模型三.SCM信道模型四.SCM信道模型使用一.MIMO技术58SCM信道模型1.SCM模型综述基于射线法的SCM信道模型更能反映MIMO信道的每次实现的变化特性，且可用于链路级和系统级仿真。SCM信道模型，是较为常用的MIMO信道建模方法，与相关矩阵法相比，计算量明显较小。SCME、WINNER模型都是SCM模型的延伸。

标准：3GPPTR25.996

三种情境：郊区宏小区（suburbanmacro）、市区宏小区(urbanmacro)和市区微小区(urbanmicro)；载频2GHz、带宽5MHz；多径数目为6，子径数目20；SCM信道模型1.SCM模型综述59SCM信道模型标准中径的概念：多径环境有N条径，每条径由M条子径组成；每条径内所有子径的时延特性完全相同，并且每条径是它的子径共同作用的结果，因此多径环境可以用各径的时延和相对径衰落来描述；但各径的这种时延和相对径衰落是描述多径环境的必要非充分条件；空间角度方面，子径是以径为中心散布开来的，为了支持这个现象，引入角度参数描述子径的分布特征；径的特征由场景决定，引入时延扩展描述径的特征并描述各种不同场景下径的区别。SCM信道模型标准中径的概念：60SCM信道模型2.SCM信道仿真过程SCM信道模型2.SCM信道仿真过程61SCM信道模型环境：Suburbanmacrocell(approximately3KmdistanceBStoBS)Urbanmacrocell(