畢業(yè)論文---mimo信道建模和信道估計(jì)技術(shù)研究

1、<p>　　MIMO信道建模和信道估計(jì)技術(shù)研究</p><p>　　作 者 姓 名 SFJ </p><p>　　專 業(yè) 電子信息工程 </p><p>　　指導(dǎo)教師姓名 </p><p>　　專業(yè)技術(shù)職務(wù)

2、 </p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘 要1</b></p><p><b>　　第一章 緒論3</b></p><p><b>　　1.1 引言3</b>

3、</p><p>　　1.2 無(wú)線信道概述3</p><p>　　1.3 MIMO研究現(xiàn)狀4</p><p>　　1.4 本文的章節(jié)安排5</p><p>　　第二章 無(wú)線信道分析及建模6</p><p>　　2.1無(wú)線信道的特點(diǎn)6</p><p>　　2.2 無(wú)線信道分析6<

4、;/p><p>　　2.3 移動(dòng)信道的模型10</p><p>　　2. 3.1 多徑衰落信道模型12</p><p>　　2.3.2 常見(jiàn)信道模型13</p><p>　　2.3.3 衰落統(tǒng)計(jì)模型14</p><p>　　第三章 MIMO信道建模15</p><p>　　3. 1 MI

5、MO信道建模的意義15</p><p>　　3. 2 M IMO信道建模方法綜述15</p><p>　　3. 3 MIMO信道典型模型16</p><p>　　3.3.1獨(dú)立同分布(IID)復(fù)高斯信道模型16</p><p>　　3.3.2基于功率相關(guān)矩陣的寬帶隨機(jī)MIMO信道模型16</p><p>　　

6、3.3.3 COST 207模型18</p><p>　　3.3.4 IST METRA隨機(jī)信道模型20</p><p>　　3.4簡(jiǎn)單介紹其他信道典型MIMO信道模型22</p><p>　　第四章 多天線發(fā)射系統(tǒng)的信道估計(jì)24</p><p>　　4.1基于訓(xùn)練序列的多天線發(fā)射系統(tǒng)的信道估計(jì)24</p><

7、p>　　4.1.1具有AWGN的符號(hào)間干擾信道的等效離散時(shí)間模型24</p><p>　　4.1.2循環(huán)前綴輔助下的信道估計(jì)25</p><p>　　4.1.3最小二乘(LS)估計(jì)27</p><p>　　4.1.4最小均方誤差法(MMSE)28</p><p>　　4.2基于獨(dú)立同分布(IID)復(fù)高斯信道模型的信道估計(jì)28&

8、lt;/p><p>　　4.2.1用兩種方法實(shí)現(xiàn)信道估計(jì)（軟件仿真）28</p><p>　　4.3在不同的噪聲條件下的信道估計(jì)的應(yīng)用29</p><p>　　第五章 結(jié)論與展望31</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)32</b></p><p><b>　　附 錄33<

9、;/b></p><p><b>　　致 謝40</b></p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　MIMO（多輸入多輸出）技術(shù)由于能夠在不增加傳輸帶寬的條件下成倍的提高無(wú)線信道的信道容量，因而被認(rèn)為是下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)(4G)的關(guān)鍵技術(shù)之一。MIMO信道模型無(wú)論是在MIMO技術(shù)的理論研究

10、階段還是在MIMO系統(tǒng)的應(yīng)用階段都是必需的。因此，MIMO信道的建模是MIMO理論研究中的重要內(nèi)容?，F(xiàn)有的MIMO信道模型主要分為確定性模型和隨機(jī)模型兩大類。其中隨機(jī)模型又分為：參數(shù)模型，相關(guān)模型，幾何模型這三類。幾何模型具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，物理概念明確，適應(yīng)性強(qiáng)，易于在計(jì)算機(jī)上仿真的優(yōu)點(diǎn)，因此成為模型研究中的熱點(diǎn)。</p><p>　　本文圍繞無(wú)線通信系統(tǒng)中的MIMO信道建模這一主題，在MIMO信道建模、MIMO信道

11、估計(jì)特性兩個(gè)方面進(jìn)行了系統(tǒng)深入地研究。因?yàn)殚_(kāi)發(fā)合理、符合實(shí)際環(huán)境條件的MIMO信道模型，是評(píng)估各種空時(shí)處理算法性能、仿真與設(shè)計(jì)高性能通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)，本文首先較為全面的概述了MIMO無(wú)線信道，詳盡地描述了現(xiàn)有MIMO無(wú)線信道的典型模型，包括物理模型與非物理模型，分析了各種現(xiàn)有MIMO模型的優(yōu)缺點(diǎn)。論文中對(duì)基本的信道采用了LS,MMSE 方法進(jìn)行了估計(jì)，并且通過(guò)仿真結(jié)果進(jìn)行分析。</p><p>　　關(guān)鍵詞：信道建模

12、 信道估計(jì) 多輸入多輸出</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　The multiple-in-multiple-out (MIMO) technology has been regarded as one of the key technologies of the next generation mobile communi

13、cation system (4G), because it can extend the channel capacity of wireless communication system without increasing the channel bandwidth. MIMO channel model is necessary both at the phase of research of MIMO technology a

14、nd the commercial application of the MIMO wireless communication system. Therefore, the model of MIMO channel play a very important role in relevan</p><p>　　This dissertation focuses on the MIMO channel mode

15、ling and estimating of MIMO channel model. According with the real environment, the channel model would be the foundation of evaluating the performance of spatial-time algorithm and designing the high-powered communicati

16、on systems. The major contents in this dissertation are: firstly, the dissertation describes the conception and analyses the typical MIMO channel models including Physical models and non-Physical models. In the paper to

17、basic chan</p><p>　　Key words：channel model; channel estimate; MIMO</p><p><b>　　第一章 緒論</b></p><p><b>　　1.1 引言</b></p><p>　　隨著社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)通信的需求口益迫切

18、，對(duì)通信的要求也越來(lái)越高。理想的目標(biāo)是能在任何時(shí)間、任何地方、與任何人都能及時(shí)溝通、交流信息，而無(wú)線通信技術(shù)正是為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)理想的目標(biāo)在不斷發(fā)展更新，以其無(wú)所不在、高質(zhì)量、高速率的移動(dòng)多媒體傳輸技術(shù)讓人耳目一新。眾所周知，無(wú)線信道是無(wú)線通信系統(tǒng)的必不可少的組成部分，因而無(wú)線信道的研究是無(wú)線通信系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)。</p><p>　　在規(guī)劃和建設(shè)無(wú)線通信網(wǎng)時(shí)，從選擇頻段、分配頻率、考慮無(wú)線電覆蓋范圍、計(jì)算通信可用度以

19、及系統(tǒng)內(nèi)和系統(tǒng)間的電磁干擾，到最終確定無(wú)線設(shè)備的參數(shù)，都有賴于對(duì)無(wú)線信道及電波特性的了解，對(duì)信道的研究具有使用價(jià)值和理論價(jià)值。</p><p>　　無(wú)線信道的建模歷來(lái)是移動(dòng)無(wú)線系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)。這是因?yàn)闊o(wú)線信道中的電波傳播受到頻率、距離、極化方式、天線高度、地形、地物以及各種散射與反射體的電特性參數(shù)等多種因素的影響。無(wú)線信道不像有線信道那樣固定并可預(yù)見(jiàn)，而是具有極大的隨機(jī)性，對(duì)信號(hào)的影響也是隨機(jī)的，分析難度很高。

20、正是由于無(wú)線信道對(duì)信號(hào)影響的隨機(jī)性與復(fù)雜性，使得研究無(wú)線信道極其重要，同時(shí)對(duì)信道的空時(shí)相關(guān)特性進(jìn)行深入的研究和分析，以揭示無(wú)線信號(hào)傳播的更為細(xì)致的規(guī)律，對(duì)于理論研究和工程應(yīng)用都有十分重要的意義。</p><p>　　1.2 無(wú)線信道概述</p><p>　　無(wú)線信道通常是一個(gè)富有多徑的復(fù)雜散射信道，其多徑傳播導(dǎo)致信號(hào)在不同維度上擴(kuò)展，環(huán)境的多樣性與易變性使得無(wú)線信道具有很大的隨機(jī)性與時(shí)變性

21、，這都給無(wú)線信道分析與建模帶來(lái)一定的難度，尤其是對(duì)于多天線MIMO無(wú)線信道建模。MIMO系統(tǒng)利用無(wú)線信道的多徑傳播，開(kāi)發(fā)空間資源，建立空間并行矩陣傳輸通道，利用空時(shí)聯(lián)合處理提高無(wú)線通信系統(tǒng)的容量與可靠性。利用空間技術(shù)就要熟悉MIMO信道的空間特性，而傳統(tǒng)的信道都是描述單輸入單輸出信道或相互獨(dú)立的MIMO信道。實(shí)際空間傳輸環(huán)境下的信道之間是相關(guān)的，并且這種相關(guān)性對(duì)MIMO系統(tǒng)的性能至關(guān)重要，因此空間矢量信道的研究、建模和仿真越來(lái)越成為研究

22、通信系統(tǒng)性能必不可少的工具。研究表明，只有在無(wú)線信道散射傳播的多徑分量足夠豐富，各對(duì)收一發(fā)天線單元間的多徑衰落才趨于獨(dú)立，從而信道矩陣才趨于滿秩。如果散射不夠豐富或天線單元間距較小的條件下，多徑衰落將不完全獨(dú)立，信道矩陣也非滿秩，MIMO信道的空間優(yōu)勢(shì)得不到充分發(fā)揮，MIMO系統(tǒng)傳輸方案的性能將下降，即信道傳播條件決定了MIMO系統(tǒng)的信道容量。一方面，需開(kāi)發(fā)更加穩(wěn)健的空時(shí)處理算法，比如空時(shí)編解碼、空時(shí)均衡與MIMO收發(fā)信機(jī)</p&

23、gt;<p>　　先前的研究工作主要在于開(kāi)發(fā)SISO無(wú)線信道模型。然而，并不能直接將這些模型擴(kuò)展到MIMO應(yīng)用中，因?yàn)镸IMO信道模型必須將空間信息直接或間接刻畫出來(lái)，比如角度擴(kuò)展AS（Angie STread)、到達(dá)角AOA(Angle of Arrival)、離開(kāi)角AOD(Angle of Departure)等。自從1998年Ertel等發(fā)表對(duì)空間信道模型的綜述文章以來(lái)，MIMO無(wú)線信道建模一直就是研究的熱點(diǎn)，已有大

24、量文獻(xiàn)對(duì)該領(lǐng)域進(jìn)行了深入研究，目前Lucent, Nokia, LSI Logic, Motorola, ZTE等國(guó)際通信公司以及國(guó)內(nèi)外的大學(xué)和科研機(jī)構(gòu)都在研究MIMO信道模型。目前受到廣泛關(guān)注的MIMO信道模型有：3GPP制定的SCM空間信道模型，IST-WINNER研究的W INNER信道模型等。這些研究為評(píng)估與開(kāi)發(fā)空時(shí)處理算法、仿真[1]與設(shè)計(jì)高性能的通信系統(tǒng)提供了極大的幫助，促進(jìn)了MIMO通信技術(shù)的發(fā)展。</p>

25、;<p>　　1.3 MIMO研究現(xiàn)狀</p><p>　　目前，各國(guó)學(xué)者對(duì)于MIMO的理論、性能、算法和實(shí)現(xiàn)的各方面正廣泛進(jìn)行研究在MIMO系統(tǒng)理論及性能研究方面己有一批文獻(xiàn)，這些文獻(xiàn)涉及相當(dāng)廣泛的內(nèi)容。但是由于無(wú)線移動(dòng)通信MIMO信道是一個(gè)時(shí)變、非平穩(wěn)多輸入多輸出系統(tǒng)，尚有大量問(wèn)題需要研究。比如說(shuō)，各文獻(xiàn)大多假定信道為準(zhǔn)靜態(tài)衰落信道。這對(duì)于寬帶信號(hào)的4G系統(tǒng)及室外快速移動(dòng)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是不夠的，因此必

26、須采用更復(fù)雜的模型進(jìn)行研究。己有不少文獻(xiàn)在進(jìn)行這方面的工作，即對(duì)信道為頻率選擇性衰落和移動(dòng)臺(tái)快速移動(dòng)情況進(jìn)行研究。再有，在基本文獻(xiàn)中，均假定接收機(jī)精確己知多徑信道參數(shù)，為此必須發(fā)送訓(xùn)練序列對(duì)接收機(jī)進(jìn)行訓(xùn)練。但是若移動(dòng)臺(tái)移動(dòng)速度過(guò)快，就使得訓(xùn)練時(shí)間太短，這時(shí)快速信道估計(jì)或盲處理就成為重要的研究?jī)?nèi)容。</p><p>　　另外，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是MIMO技術(shù)研究的重要一步。實(shí)際系統(tǒng)研究的一個(gè)重要問(wèn)題是在移動(dòng)終端實(shí)現(xiàn)多天線和多

27、路接收，學(xué)者們正大力進(jìn)行這方面的研究。由于移動(dòng)終端設(shè)備要求體積小、重量輕、耗電小，因而還有大量工作要做。目前各大公司均在研制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。</p><p>　　Bell實(shí)驗(yàn)室的BLAST系統(tǒng)是最早研制的MIMO實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)工作頻率為1.9GHz，發(fā)射天線數(shù)為8，接收天線數(shù)為12，采用D-BLAST算法。但該系統(tǒng)僅對(duì)窄帶信號(hào)和室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行了研究，對(duì)于在3G,4G中應(yīng)用尚有相當(dāng)大距離。在發(fā)送端和接收端各設(shè)置多重天線，

28、可以提供空間分集效應(yīng)，克服電波衰落的不良影響。這是因?yàn)榘才徘‘?dāng)?shù)亩喔碧炀€提供多個(gè)空間信道，不會(huì)全部同時(shí)受到衰落。在上述具體實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，每一基臺(tái)各設(shè)置2副發(fā)送天線和3副接收天線，而每一用戶終端各設(shè)置1副發(fā)送天線和3副接收天線，即下行通路設(shè)置23天線、上行通路設(shè)置13天線。這樣與“單輸入單輸出天線”SISO相比，傳輸上取得了10～20dB的好處，相應(yīng)地加大了系統(tǒng)容量。而目，基臺(tái)的兩副發(fā)送天線必要時(shí)可以用來(lái)傳輸不同的數(shù)據(jù)信號(hào)，用戶傳送的數(shù)據(jù)速

29、率可以加倍。</p><p>　　朗訊科技的貝爾實(shí)驗(yàn)室分層空時(shí)(BLAST)技術(shù)是移動(dòng)通信方面領(lǐng)先的MIMO應(yīng)用技術(shù)，智能天線的進(jìn)一步發(fā)展。BLAST技術(shù)就其原理而言，是利用每對(duì)發(fā)送和接收天線上信號(hào)特有的是其“空間標(biāo)識(shí)”，在接收端對(duì)其進(jìn)行“恢復(fù)”。利用BLAST技術(shù)，如同在原有頻段上建立了多個(gè)互不干擾、并行的了信道，并利用先進(jìn)的多用戶檢測(cè)技術(shù)，同時(shí)準(zhǔn)確高效地傳送用戶數(shù)據(jù)，其結(jié)果是極大提高前向和反向鏈路容量。BLA

30、ST技術(shù)證明，在天線發(fā)送和接收端同時(shí)采用多天線陣，更能夠充分利用多徑傳播，達(dá)到“變廢為寶”的效果，提高系統(tǒng)容量。理論研究也己證明，采用BLAST技術(shù)系統(tǒng)頻率效率可以隨天線個(gè)數(shù)成線性增長(zhǎng)，也就是說(shuō)，只要允許增加天線個(gè)數(shù)，系統(tǒng)容量就能夠得到不斷提升。這也充分證明BLAST技術(shù)有著非常大的潛力。鑒于對(duì)于無(wú)線通信理論的突出貢獻(xiàn)，BLAST技術(shù)獲得了2002年度美國(guó)Thomas Edison(愛(ài)迪生)發(fā)明獎(jiǎng)。2002年10月，世界上第一個(gè)BLAS

31、T芯片在朗訊公司貝爾實(shí)驗(yàn)室問(wèn)世，貝爾實(shí)驗(yàn)室研究小組設(shè)計(jì)小組宣布推出了業(yè)內(nèi)第一款結(jié)合了貝爾實(shí)驗(yàn)室 (Layered Space Time C BLAST ) MIMO技術(shù)的芯片，這</p><p>　　2003年8月，Airgo Networks推出了AGN100 Wi-Fi芯片組，并稱其是世界上第一款集成了多入多出(MIMO)技術(shù)的批量上市產(chǎn)品。AGN 100使用該公司的多天線傳輸和接收技術(shù)，將現(xiàn)在Wi-Fi速率

32、提高到每信道108Mbps，同時(shí)保持與所有常用Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)的兼容性。該產(chǎn)品集成兩片芯片，包括一片Baseband/MAC芯片(AGN100BB)和一片RF芯片(AGN100RF)，采用一種可伸縮結(jié)構(gòu)，使制造商可以只使用一片RF芯片實(shí)現(xiàn)單天線系統(tǒng)，或增加其他RF芯片提升性能。該芯片支持所有的802.11a, b和g模式，包含IEEE 802.11工作組推出的最新標(biāo)準(zhǔn)(包括TGi安全和TGe質(zhì)量的服務(wù)功能)。Airgo的芯片組和日前的Wi

33、-Fi標(biāo)準(zhǔn)兼容，支持802.11a, b和g模式，使用三個(gè)5GHz和三個(gè)2.4GHz天線，使用Airg。芯片組的無(wú)線設(shè)備可以和以前的802.11設(shè)備通訊，甚至可以在以54Mbps的速度和802.lla設(shè)備通訊的同時(shí)還可以以108Mbps的速度和Airgo的設(shè)備通訊。憑借在提高系統(tǒng)頻譜利用率方面卓越的性能表現(xiàn)，多輸入多輸出(MIMO)技術(shù)己經(jīng)成</p><p>　　1.4 本文的章節(jié)安排</p>&l

34、t;p>　　本文的目標(biāo)是解MIMO信道建模和信道估計(jì)；第一章引出無(wú)線信道并了解MIMO的研究現(xiàn)狀，第二章分析無(wú)線信道，第三章了解MIMO信道建模的意義，提出信道建模的方法并進(jìn)行建模；第四章根據(jù)基本的信道模型提出簡(jiǎn)單的信道估計(jì)技術(shù)，了解信道估計(jì)的方法最小二乘法（LS），最小均方差法（MMSE），以及信道估計(jì)的應(yīng)用。</p><p>　　第二章 無(wú)線信道分析及建模</p><p>　　

35、2.1無(wú)線信道的特點(diǎn)</p><p>　　信道決定通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),確定一個(gè)通信系統(tǒng)，首先，必須分析該通信系統(tǒng)的信道特征之所以需要對(duì)信道特征進(jìn)行分析和建模，一方面因?yàn)樾诺捞卣鳑Q定了信道的容量，也即單位功率所能達(dá)到的最大傳輸率，另一方面，通信系統(tǒng)中的編解碼、調(diào)制解調(diào)和各種接收技術(shù)等通信模塊都是針對(duì)特定的信道特征來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)的。所以，無(wú)線信道的特征分析和相應(yīng)數(shù)學(xué)模型的建立對(duì)進(jìn)一步的研究，非常重要，是研究和開(kāi)發(fā)通信系統(tǒng)的首

36、要問(wèn)題。</p><p>　　在理論研究方面，數(shù)學(xué)模型是對(duì)客觀通信系統(tǒng)中各種因素之間關(guān)系的一般反映，也是人們以數(shù)學(xué)方式認(rèn)識(shí)和描述通信系統(tǒng)的最基本的形式。現(xiàn)代移動(dòng)通信系統(tǒng)是一個(gè)十分復(fù)雜的工程系統(tǒng)，是很多技術(shù)模塊的組合。由于技術(shù)的復(fù)雜性，在現(xiàn)代移動(dòng)通信技術(shù)中，普遍采用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)。只有建立了工程問(wèn)題的數(shù)學(xué)模型，才能通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行描述和仿真，達(dá)到對(duì)系統(tǒng)分析和檢驗(yàn)的目的。</p>&l

37、t;p>　　當(dāng)然，由于移動(dòng)通信系統(tǒng)的復(fù)雜性，直接建立一個(gè)完全意義上的數(shù)學(xué)模型是相當(dāng)復(fù)雜的。因此，通常建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)分析模型，都是在一系列假設(shè)條件之下，針對(duì)主要考察因素來(lái)給出通信系統(tǒng)中變量關(guān)系的數(shù)學(xué)描述然后通過(guò)仿真，進(jìn)一步論證每個(gè)方案的可行性，還可以在多個(gè)方案之間進(jìn)行性能比較。</p><p>　　無(wú)線信道是對(duì)無(wú)線通信中發(fā)送端和接收端之間的電波傳送通路的一種描述，對(duì)于無(wú)線電波而言，它從發(fā)送端傳送到接收端之間，

38、并沒(méi)有一個(gè)有形的連接媒體，而且由于電波傳播反射等特性，它的傳播路徑也有可能不只一條，通常為了形象地描述發(fā)送端與接收端之間的鏈路，可以想象兩者之間有一個(gè)看不見(jiàn)的通路鏈接，稱之為無(wú)線信道。</p><p><b>　　2.2無(wú)線信道分析</b></p><p>　　移動(dòng)通信使用一定頻率的無(wú)線電波進(jìn)行通信，而且隨著無(wú)線通信的發(fā)展，頻率的使用也越來(lái)越優(yōu)化，現(xiàn)在移動(dòng)通信的頻率范

39、圍在甚高頻、超高頻的范圍，這些頻段的傳播方式受地形地物影響很大。</p><p>　　由于電磁波傳播時(shí)的反射、散射和繞射等原因，空間傳播環(huán)境(如地形地貌、樹木房屋、空間懸浮物和其它阻擋物等)的復(fù)雜性將對(duì)電磁波的傳播將產(chǎn)生復(fù)雜的影響。從大尺度(收發(fā)信機(jī)之間的一般距離)意義上，電磁波主要經(jīng)歷自由空間路徑損耗、陰影衰落等變化比較緩慢的衰落因素的影響。由于大尺度傳播模型與本文研究問(wèn)題無(wú)關(guān)，在此就不作介紹。</p&g

40、t;<p>　　所謂小尺度衰落，是指無(wú)線信號(hào)在很短的傳播時(shí)間或距離內(nèi)有很大的幅度衰落，而且這種衰落的程度和影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于由于傳播損耗和陰影衰落等原因引起的大尺度衰落。小尺度衰落主要由以下幾個(gè)方面引起：Doppler效應(yīng)造成的頻率調(diào)制、多徑傳播引起的時(shí)延擴(kuò)展、環(huán)境因素的急速變化導(dǎo)致的信號(hào)強(qiáng)度突然改變、信號(hào)帶寬大于無(wú)線信道的相干帶寬時(shí)出現(xiàn)的頻率選擇性衰落。</p><p>　　1. Doppler效應(yīng)&l

41、t;/p><p>　　由于移動(dòng)臺(tái)的不斷運(yùn)動(dòng)，當(dāng)達(dá)到一定速度時(shí)，固定點(diǎn)接收到的載波頻率將隨運(yùn)動(dòng)速度的不同，產(chǎn)生不同的頻移，也就是說(shuō)頻率發(fā)生了變化和偏移，通常把這種現(xiàn)象稱為Doppler效應(yīng)，在移動(dòng)通信中，當(dāng)移動(dòng)臺(tái)移向基站時(shí)，頻率變高，遠(yuǎn)離基站時(shí)，頻率變低，這就好像對(duì)信號(hào)又進(jìn)行了一次頻譜的搬移，因此，Doppler頻移實(shí)質(zhì)上是一種非人為的頻率調(diào)制。</p><p>　　而且處于無(wú)線信道中物體的運(yùn)動(dòng)

42、也會(huì)引起時(shí)變的Doppler頻移，如信號(hào)反射面發(fā)生移動(dòng)時(shí)，也相當(dāng)于收發(fā)端之間有相對(duì)移動(dòng)。當(dāng)環(huán)境物體的速度足夠大時(shí)，該運(yùn)動(dòng)物體將對(duì)小尺度衰落起重要作用。移動(dòng)臺(tái)與接收機(jī)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起的Doppler頻移可由公式(2-1)來(lái)表示</p><p>　　f=cos 公式(2-1)</p><p>　　其中，表示移動(dòng)臺(tái)的移動(dòng)速度

43、，表示載波波長(zhǎng)，為速度方向與收發(fā)端徑向之間的夾角。由公式(2-1)，可以容易地得到最大Doppler頻移</p><p>　　f=max｛f｝= 公式(2-2)</p><p>　　容易看出，當(dāng)移動(dòng)臺(tái)向接收端移動(dòng)時(shí)，Doppler頻移為正，反之為負(fù)。若假設(shè)各個(gè)方向到接收端的入射角（）上是均勻分布的，則接收信號(hào)的功率譜密度為<

44、;/p><p>　　S（f）= ，f-fff+f 公式(2-3)</p><p>　　其中，f是載波頻率，p是各向同性天線接收到的平均功率，此式即是Classic譜?？梢?jiàn)信號(hào)的功率譜被擴(kuò)展到(f'-f,f'+f)中去了。</p><p>　　由于移動(dòng)臺(tái)與基站之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)及多信道環(huán)境物體的運(yùn)動(dòng)造成信道的時(shí)變特性，導(dǎo)致在無(wú)線數(shù)字

45、通信中，接收端每過(guò)一段時(shí)間即要對(duì)信道進(jìn)行估計(jì)，以捕獲信道的時(shí)變信息、，從而即時(shí)調(diào)整接收端的信道模型參數(shù)，提高相關(guān)接收的性能。一般采用相關(guān)時(shí)間的概念來(lái)表征信道參數(shù)基本維持不變的時(shí)間間隔的，相關(guān)時(shí)間定義為</p><p>　　T1/ f 公式(2-4)</p><p>　　在相關(guān)時(shí)間間隔內(nèi)，信道具有很強(qiáng)的相關(guān)性，若基

46、帶信號(hào)的帶寬遠(yuǎn)大于最大Doppler頻移，則信號(hào)的時(shí)域?qū)挾冗h(yuǎn)小于相干時(shí)間，由時(shí)域卷積知識(shí)易知，信號(hào)脈沖近似卷上一個(gè)常數(shù)信號(hào)，因此接收機(jī)接收到的信號(hào)在一個(gè)符號(hào)周期內(nèi)變化不大，可以認(rèn)為一個(gè)符號(hào)內(nèi)的傳輸不受Doppler頻移的影響。</p><p><b>　　2.多徑效應(yīng)</b></p><p>　　一般情況下，移動(dòng)通信系統(tǒng)多建于大中城市的市區(qū)，在這種移動(dòng)信道環(huán)境中，由于

47、城市中的高樓林立、高低不平、疏密不同、形狀各異，使得移動(dòng)通信傳播路徑較直視的無(wú)線通信更復(fù)雜，信道中電波的傳播不是單一路徑，而是許多路徑而來(lái)的眾多反射波的合成，由于電波通過(guò)各個(gè)路徑的距離不同，因而各個(gè)路徑來(lái)的反射波到達(dá)時(shí)間不同，相位也就不同，不同相位的多個(gè)信號(hào)在接收端迭加，有時(shí)迭加而互相加強(qiáng)(方向相同)，有時(shí)迭加而相互減弱(方向相反)。因此，接收端信號(hào)的幅度將會(huì)隨機(jī)地急劇變化，多徑特性是移動(dòng)信道的最主要特點(diǎn)。</p><

48、;p>　　當(dāng)發(fā)送端發(fā)送一個(gè)極窄的脈沖信號(hào)時(shí)，移動(dòng)臺(tái)接收的信號(hào)由許多不同時(shí)延的脈沖組成，稱之為時(shí)延擴(kuò)展。信道的多徑時(shí)延擴(kuò)展的倒數(shù)可近似地定義為信道的相干帶寬。</p><p>　　T=1/F 公式(2-5)</p><p>　　圖2-1所示為頻率選擇性衰落示意圖,可以看出，當(dāng)信號(hào)的帶寬比相干帶寬F小時(shí)，信道

49、對(duì)信號(hào)的所有頻譜分量有大體相同的衰落影響，即信號(hào)的所有頻率分量在信道內(nèi)的衰落是一致的，信號(hào)波形不會(huì)產(chǎn)生失真，信道表現(xiàn)為頻率非選擇性(平坦)衰落（信號(hào)的時(shí)域?qū)挾冗h(yuǎn)大于多徑時(shí)延擴(kuò)展，時(shí)延擴(kuò)展區(qū)間內(nèi)散落著若干個(gè)無(wú)法分辨的多徑，多徑信號(hào)之間的相位差很小，只要信號(hào)的自相關(guān)特性比較理想，信號(hào)的形狀不會(huì)有明顯的變化。從而基本保持其原始的譜特性）；反之，當(dāng)信號(hào)的帶寬比相干帶寬F大時(shí)，信道對(duì)頻率間隔大于F的信號(hào)頻譜處的衰落是不相干的，有的頻率分量衰減大，

50、有的頻率分量衰減小，信號(hào)波形將產(chǎn)生嚴(yán)重失真，信道表現(xiàn)為頻率選擇性的(信號(hào)的時(shí)域?qū)挾刃∮诙鄰綍r(shí)延擴(kuò)展。時(shí)延擴(kuò)展區(qū)間內(nèi)散落著若干個(gè)多徑，而且其中必定有一部分多徑表現(xiàn)為可以分離的情形，多徑信號(hào)到達(dá)的相位差可以取到的任意值，相位差為的多徑信號(hào)對(duì)的對(duì)消將引起嚴(yán)重的衰落，從而信道使信號(hào)嚴(yán)重失真)。在實(shí)用中，頻域均衡和多載波技術(shù)可以補(bǔ)償或克服頻率選擇性衰落。</p><p>　　圖2-1 頻率選擇性衰落示意圖</p>

51、;<p><b>　　3.信道衰落的分類</b></p><p>　　在信號(hào)通過(guò)無(wú)線信道時(shí)，信號(hào)參數(shù)與信道參數(shù)共同決定了衰落的類型。多徑和Doppler效應(yīng)導(dǎo)致的小范圍衰落可能對(duì)通信的破壞力最強(qiáng)。頻率選擇性衰落會(huì)導(dǎo)致碼間干擾(ISI)，使得精確地理會(huì)使SNR惡化，因?yàn)榉瓷鋾?huì)導(dǎo)致矢量成分互相抵消口快衰落會(huì)使發(fā)送的基帶數(shù)據(jù)脈沖失真，可能會(huì)導(dǎo)致鎖相環(huán)同步問(wèn)題慢衰落也會(huì)降低SNR。&l

52、t;/p><p>　　小尺度衰落通過(guò)被總結(jié)為由多普勒擴(kuò)展和多徑時(shí)延擴(kuò)展兩個(gè)信道因素和信號(hào)帶寬因素的不同關(guān)系決定的，主要有以下幾種分類：</p><p>　　快衰落在城市環(huán)境中，一輛快速行駛車輛上的移動(dòng)臺(tái)的接收信號(hào)在一秒鐘之內(nèi)的顯著衰落可能達(dá)到數(shù)十次，而且衰落深度可能達(dá)到30dB以上。這種衰落現(xiàn)象嚴(yán)重惡化接收信號(hào)的質(zhì)量，影響通信的可靠性，稱為快衰落，圖2-2所示為快衰落示意圖：</p>

53、;<p>　　圖2-2 快衰落示意圖</p><p>　　慢衰落接收信號(hào)除瞬時(shí)值出現(xiàn)快衰落之外，場(chǎng)強(qiáng)中值(平均值)也會(huì)出現(xiàn)緩慢變化。主要是由地區(qū)位置的改變以及氣象條件變化造成的，以致電波的折射傳播隨時(shí)間變化而變化，多徑傳播到達(dá)固定接收點(diǎn)的信號(hào)的時(shí)延隨之變化。這種由陰影效應(yīng)和氣象原因引起的信號(hào)變化，稱為慢衰落，圖2-3所示為慢衰落示意圖：</p><p>　　圖2-3慢衰落示意

54、圖</p><p>　　頻率選擇性衰落當(dāng)信號(hào)的帶寬大于信道帶寬時(shí)，則必定有部分信號(hào)頻譜信道的恒定衰落段之外，其經(jīng)歷的衰落與其它部分不一樣，信號(hào)頻譜中的某些頻率成分比其它的成分得了不同的增益，信道就會(huì)使信號(hào)經(jīng)歷頻率選擇性衰落。</p><p>　　總而言之，無(wú)線信道包括了電波的多徑傳播，時(shí)延擴(kuò)展，衰落特性以及Doppler效應(yīng)，在移動(dòng)通信中，必需要充分考慮這些特性以及解決的方案。而且，正是由

55、于無(wú)線信道的諸多特殊性才使得無(wú)線信道研究變得非常復(fù)雜。通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員只有理解了無(wú)線信道的特點(diǎn)，才能深入地研究各種移動(dòng)通信技術(shù)。</p><p>　　2.3 移動(dòng)信道的模型</p><p>　　研究和開(kāi)發(fā)移動(dòng)信道中數(shù)字傳輸技術(shù)的第一步工作就是認(rèn)識(shí)移動(dòng)信道本身的特性并建立相應(yīng)的模型。實(shí)際上，移動(dòng)信道已成為許多理論分析和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的課題，并已得出許多有關(guān)其特性的結(jié)果。其中有些可給出精確的數(shù)學(xué)描

56、述，另一些則給出統(tǒng)計(jì)模型。然而，由于移動(dòng)信道的復(fù)雜性，仍有許多待研究課題。例如，不可能用單一的數(shù)學(xué)模型來(lái)描述所有的移動(dòng)環(huán)境，不同地區(qū)、不同城市中的移動(dòng)信道特性究竟如何，只有在這些環(huán)境中用場(chǎng)強(qiáng)實(shí)測(cè)獲取的數(shù)據(jù)中來(lái)確定。</p><p>　　目前，對(duì)移動(dòng)信道進(jìn)行研究的基本方法有三種：</p><p>　　1. 理論分析即用電磁場(chǎng)理論和統(tǒng)計(jì)理論分析電波在移動(dòng)環(huán)境中的傳播特性，并用各種數(shù)學(xué)模型來(lái)描述

57、移動(dòng)信道。往往要提出一些假設(shè)條件使信道數(shù)學(xué)模型簡(jiǎn)化，所以數(shù)學(xué)模型對(duì)信道的描述都是近似的。即使這樣，信道的理論模型對(duì)人們認(rèn)識(shí)和研究移動(dòng)信道起著很大的指導(dǎo)作用。</p><p>　　2. 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)電波傳播實(shí)測(cè)，即在不同的傳播環(huán)境中，做電波傳播進(jìn)行實(shí)測(cè)試驗(yàn)。測(cè)試參數(shù)包括接收信號(hào)幅度、延時(shí)以及其它反映信道特征的參數(shù)。對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，可以得出一些有用的結(jié)果。由于移動(dòng)環(huán)境的多樣性，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)一直被作為研究移動(dòng)信道的

58、重要方法。在特定地區(qū)應(yīng)用無(wú)線系統(tǒng)也通常都需要進(jìn)行實(shí)測(cè)試驗(yàn)，以調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)備的參數(shù)，使之更好地適應(yīng)周圍的無(wú)線環(huán)境。</p><p>　　3. 計(jì)算機(jī)仿真移動(dòng)信道的計(jì)算機(jī)模擬，是近年來(lái)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展新出現(xiàn)的研究方法，也是目前在通信技術(shù)研究中被廣泛采用的方法。如前所述，任何理論分析，都要假設(shè)一些簡(jiǎn)化條件，而實(shí)際移動(dòng)傳播環(huán)境是千變?nèi)f化的，這就限制了理論結(jié)果的應(yīng)用范圍?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，較為費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，并且也是針對(duì)某個(gè)特定環(huán)境

59、進(jìn)行的。計(jì)算機(jī)在硬件支持下，具有很強(qiáng)的計(jì)算能力，能靈活快速地模擬各種移動(dòng)環(huán)境。因而，計(jì)算機(jī)模擬越來(lái)越成為研究移動(dòng)信道的重要方法。</p><p>　　以上三種研究方法是互為補(bǔ)充、相輔相成的。在許多實(shí)際研究工作中，這些方法用于研究進(jìn)程的不同階段。目前，移動(dòng)環(huán)境中電波傳播特性研究的結(jié)果往往用下述兩種方式給出：</p><p>　　1.對(duì)移動(dòng)環(huán)境中電波傳播特性給出某種統(tǒng)計(jì)描述。例如，理論分析和實(shí)

60、測(cè)試驗(yàn)結(jié)果表明，在移動(dòng)環(huán)境中接收信號(hào)的幅度在大多數(shù)情況下符合瑞利(Rayleigh)分布。在有些情況，則更符合萊斯(Rice)分布。電波衰落特性的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，為研究移動(dòng)信道抗衰落技術(shù)提供了基本依據(jù)。</p><p>　　2.建立電波傳播模型。模型可包括圖表、近似計(jì)算公式等。近年來(lái)，在計(jì)算機(jī)上建模也越來(lái)越流行。應(yīng)用電波傳播模型可對(duì)無(wú)線電波在傳播過(guò)程中的各種干擾和損耗進(jìn)行預(yù)測(cè)，直接為系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)服務(wù)。</p>

61、;<p>　　由于移動(dòng)環(huán)境的復(fù)雜性，不可能建立單一的模型。不同的模型是從不同傳播環(huán)境的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中歸納而得出的，都有一定的適用范圍.進(jìn)行系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)時(shí)，模型的選擇是很重要的，有時(shí)不同的模型會(huì)給出不同的結(jié)果。因此，傳播環(huán)境對(duì)移動(dòng)信道特性起著關(guān)鍵作用。</p><p>　　另外，移動(dòng)信道特性還受到系統(tǒng)工作頻率和移動(dòng)臺(tái)運(yùn)動(dòng)狀況的影響。在相同地區(qū)，工作頻率不同，接收信號(hào)衰落狀況也有差異。而靜止與低速運(yùn)動(dòng)的車輛

62、所面臨的移動(dòng)環(huán)境問(wèn)題與高速運(yùn)動(dòng)的車輛又有很大的不同。一般來(lái)說(shuō)，為解決通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)問(wèn)題，必須搞清三個(gè)問(wèn)題：無(wú)線電信號(hào)在移動(dòng)信道中可能發(fā)生的變化以及發(fā)生這些變化的原因;對(duì)于特定的無(wú)線傳輸技術(shù)，這些變化對(duì)傳輸質(zhì)量和系統(tǒng)性能有什么影響;有哪些方法或技術(shù)可供用來(lái)克服這些不利影響。</p><p>　　通常分析無(wú)線信道的方法是根據(jù)無(wú)線電傳播的特點(diǎn)，考察無(wú)線電信號(hào)的大尺度的傳播損耗和小尺度的慢、快、平坦和選擇性等各種衰落。大

63、尺度傳播損耗指無(wú)線電信號(hào)傳播過(guò)程中的所經(jīng)歷的自由空間傳播損耗、由樹葉、建筑物等造成的陰影效應(yīng)等，這與本文關(guān)注的主題關(guān)系不大，在本文中并不作分析研究。而由無(wú)線電信號(hào)傳播時(shí)所遭受的反射、散射等多徑效應(yīng)和通信雙方的相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起的Doppler頻移(或稱Doppler調(diào)頻)以及信號(hào)的帶寬超過(guò)信道的相干帶寬而引起的嚴(yán)重的ISI等小尺度的衰落是本文建立信道模型的主體。</p><p>　　2. 3. 1 多徑衰落信道模型&l

64、t;/p><p>　　多徑傳播模型是移動(dòng)無(wú)線信道模型最重要的部分，是移動(dòng)通信領(lǐng)域中的一個(gè)不可回避的話題，也是移動(dòng)信道估計(jì)的主要研究對(duì)象，移動(dòng)系統(tǒng)一般都是針對(duì)特定的多徑環(huán)境進(jìn)行設(shè)計(jì)的。本文主要針對(duì)基帶信道模型進(jìn)行研究。</p><p>　　假定待發(fā)送的基帶信號(hào)為s(t),發(fā)射載波為f，則發(fā)送到信道的信號(hào)s(t)可表示為</p><p>　　s(t)=Re[s(t)e]

65、 公式(2-6)</p><p>　　則經(jīng)過(guò)可分辨多徑信道后的接收信號(hào)y（t）可表示為</p><p>　　y(t)= 公式(2-7)</p><p>　　將式(2-6)代入到式(2-7)，可得</p><

66、;p>　　y(t)=Re{[s(t-)]} 公式(2-8)</p><p>　　則由式(2-8)可知，等效低通接收信號(hào)為</p><p>　　(t)= s(t-) 公式(2-9)</p><p>　　因此，等效低通信道的沖激響應(yīng)可描述為</p><p&g

67、t;　　h()= 公式(2-10)</p><p>　　當(dāng)多徑不可分辨時(shí)，式(2-7)的接收信號(hào)應(yīng)建立為連續(xù)多徑分量的積分形式</p><p>　　y(t)= 公式(2-11)</p><p>　　代入式(2-6)到式(2-11)，可得</p>

68、;<p>　　y(t)Re{[]e} 公式(2-12)</p><p>　　此時(shí)信道的等效低通時(shí)變沖激響應(yīng)為</p><p>　　h()=e 公式(2-13)</p><p>　　由式(2-13)可見(jiàn)，信道沖激響應(yīng)[2]的幅度是

69、隨機(jī)的(因?yàn)榉纫蜃?))隨時(shí)間的變化而隨機(jī)變化，而相位變化只與各徑的延時(shí)有關(guān)。從而h(; t)是一個(gè)復(fù)隨機(jī)過(guò)程。一般地，當(dāng)媒質(zhì)具有隨機(jī)散射特性時(shí)，h(;t)可以建模成0均值的復(fù)隨機(jī)過(guò)程;當(dāng)還存在固定散射或固定的直射、反射信號(hào)時(shí)，則可建模成均值不為0復(fù)隨機(jī)過(guò)程。</p><p>　　2.3.2 常見(jiàn)信道模型</p><p>　　1. Jakes移動(dòng)信道模型</p><p

70、>　　Jake模型假設(shè)從發(fā)射機(jī)到接收機(jī)之間存在無(wú)數(shù)條傳播路徑，這些路徑到達(dá)接收機(jī)的分布是離散均勻的[3]。假設(shè)輸入信號(hào)為x(t)，則通過(guò)該信道模型的輸出信號(hào)y(t)可以表示為</p><p>　　y(t)=r(t)x(t)-r(t) x(t) 公式(2-14)</p><p>　　這里x( t)是的希爾伯特變換。

71、I,，Q兩路的基帶等價(jià)(復(fù)數(shù)形式)描述為</p><p>　　r=cos()cos(2ft+)+cos()cos(2) 公式(2-15)</p><p>　　r=sin()cos(2ft+)+sin()cos(2) 公式(2-16)</p><p>　　其中，r和r為信道傳輸函數(shù)的等效

72、基帶部分，f= f cos(2k/L),L=2(2N+I), =/4, =k/N,N為模型中的多徑數(shù)目，是一個(gè)在內(nèi)均勻分布的隨機(jī)變量，f為最大Doppler頻移，取決于載波頻率和最大移動(dòng)速度。</p><p>　　f= 公式(2-17)</p><p>　　其中，c為無(wú)線電波的傳播速率，f為載波頻率。<

73、;/p><p>　　假設(shè)發(fā)射機(jī)發(fā)送一個(gè)單音信號(hào)，在接收端除了受到Doppler頻移影響外，還會(huì)產(chǎn)生多徑衰落，這就導(dǎo)致接收機(jī)收到的是一個(gè)頻譜而非頻移后的單音?？梢哉J(rèn)為一個(gè)正弦信號(hào)頻率被擴(kuò)展成為一個(gè)窄帶頻譜。在Jake信道中該頻譜可表示為</p><p>　　P(f)= 公式(2-18)</p><p>　

74、　Jakes信道通常用于比較簡(jiǎn)單的移動(dòng)信道仿真。如果需要對(duì)信道中多徑衰落問(wèn)題進(jìn)行更加細(xì)致的仿真，還是需要用Rayleigh , Rice等模型或用戶自定義的多徑信道模型來(lái)仿真。</p><p>　　2. Rummler衰落模型</p><p>　　Rummler信道模型是一個(gè)三徑傳輸信道模型，接收端的信號(hào)由直射信號(hào)和反射信號(hào)疊加而成，反射信號(hào)改變（或增強(qiáng)或抵消）直射信號(hào)的幅度和相位。<

75、;/p><p>　　y(t)=x(t)++ 公式(2-19)</p><p>　　其中，x(t)表示發(fā)射信號(hào)，,氣表示兩路反射信號(hào)的衰減系數(shù)，，表示兩路反射信號(hào)相對(duì)于直視徑的到達(dá)延時(shí)。這種三路徑的衰落信道廣泛應(yīng)用于視距(LOS)范圍的數(shù)字微波中繼通信鏈路中。它是一個(gè)基于信道傳輸函數(shù)的統(tǒng)計(jì)模型。</p><p>　　圖2-4所示

76、為Rmmler三徑示意圖，三條路徑的組成包括一條直射路徑、兩條相對(duì)于直射路徑延時(shí),的延時(shí)路徑。這種模型通常用于模擬數(shù)字微波數(shù)據(jù)鏈路，在移動(dòng)通信中，由于很少出現(xiàn)穩(wěn)定的直視徑，很少使用這個(gè)模型。</p><p>　　圖2-4 Rummler三徑示意圖</p><p>　　2.3. 3 衰落統(tǒng)計(jì)模型</p><p>　　1. Rayleigh衰落模型</p>

77、<p>　　Rayleigh模型常用于描述平坦衰落信號(hào)或獨(dú)立多徑接收信號(hào)的包絡(luò)分Rayleigh分布的概率密度函數(shù)為:</p><p>　　P(r)= 公式（2-20）</p><p>　　其中，=E(R2)表示包絡(luò)檢波之前接收信號(hào)的平均功率，R為包絡(luò)檢波之前接收信號(hào)的均方根電壓值。</p><p>　　2

78、. Rice衰落模型</p><p>　　當(dāng)傳播環(huán)境中存在一個(gè)固定直射或反射徑時(shí)，則用Rice模型來(lái)描述多徑接收信號(hào)的包絡(luò)分布。這種情況下，該固定分析上會(huì)疊加許多弱多徑分量，當(dāng)固定分量減弱后，傳播環(huán)境就轉(zhuǎn)變?yōu)镽ayleigh分布的情形，則Rice分布就退化成Rayleigh分布。因此Rayleigh模型是Rice模型的一個(gè)特例。</p><p>　　第三章 MIMO信道建模</p&

79、gt;<p>　　3. 1 MIMO信道建模的意義</p><p>　　研究MIMO系統(tǒng)的目的是為了獲得更大的頻帶利用率，即提高系統(tǒng)的容量。MIMO系統(tǒng)的容量跟MIMO信道的相關(guān)性有很大關(guān)系。信道相關(guān)性越小，MIMO系統(tǒng)的理論容量越大；信道相關(guān)性越大，MIMO系統(tǒng)的理論容量越小。影響MIMO信道相關(guān)性的因素有很多，比如天線間隔，天線極化方向，視粗或非視距環(huán)境，散射體分布情況等等。因此，建立MIMO信

80、道模型可以有助于分析MIMO信道的特性，進(jìn)一步調(diào)整天線參數(shù)來(lái)降低MIMO信道的相關(guān)性,從提高系統(tǒng)容量和系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性。</p><p>　　3. 2 MIMO信道建模方法綜述</p><p>　　建立MIMO信道數(shù)學(xué)模型的分析方法主要有：</p><p>　　1) 脈沖響應(yīng)法：依靠測(cè)量，用于特殊的環(huán)境，很難得到通用的結(jié)論;</p><p>

81、　　2) 射線跟蹤法：使用Fresnel的光學(xué)射線模型，考慮了路徑損耗、陰影衰落、多徑效應(yīng)等因素，需要估計(jì)出信號(hào)強(qiáng)度等參數(shù)。</p><p>　　這兩種分析方法常用于可建立簡(jiǎn)單物理模型的環(huán)境，參數(shù)不多并且容易確定。當(dāng)通信環(huán)境內(nèi)分布很多隨機(jī)散射體或?yàn)楦鼜?fù)雜的物理模型時(shí)，用下面的方法去分析信道就不太合適了，因?yàn)榇藭r(shí)無(wú)法得到參數(shù)的準(zhǔn)確值。在這種條件下，模型參數(shù)也變成了隨機(jī)變量。一般有以幾種分析方法:</p>

82、<p>　　3) 參數(shù)法：需要了解延時(shí)分布角，空間散射體分布具體情況，角度信息，以及發(fā)射接收天線的參數(shù)特征。</p><p>　　4) 幾何法：需要假設(shè)散射體在整個(gè)散射區(qū)域內(nèi)均勻分布，在單反射的前提下，具有相同傳播時(shí)延的傳播路徑所對(duì)應(yīng)的散射體構(gòu)成了一個(gè)以發(fā)射機(jī)和接收機(jī)為焦點(diǎn)的橢圓。關(guān)鍵是求解TOA(到達(dá)時(shí)間)和DOA(到達(dá)角)的聯(lián)合概率分布。</p><p>　　5) 相關(guān)法

83、：從相關(guān)性上分析信道，需要確定天線相關(guān)矩陣，該方法簡(jiǎn)單可行，被廣泛采用。</p><p>　　3. 3 MIMO信道典型模型</p><p>　　根據(jù)以上的數(shù)學(xué)分析方法并結(jié)合實(shí)際的信道物理模型建模，己經(jīng)有很多MIMO信道模型。它們可分為以下兩類，物理建模與非物理建模。物理模型主要借助一些重要物理參數(shù)描述MIMO信道特征與散射分布，典型參數(shù)包括達(dá)波角(AOA)、去波角(AOD)、達(dá)波時(shí)間(T

84、OA )，但是對(duì)于很多情況下，難以用少數(shù)幾個(gè)物理參數(shù)很好地描述MIMO無(wú)線信道[4]，從而識(shí)別與仿真信道模型會(huì)比較困難。非物理模型主要依賴于對(duì)MIMO信道進(jìn)行大量測(cè)量得出的統(tǒng)計(jì)特征，通常易于仿真與刻畫能夠識(shí)別出的信道特征，但易受測(cè)試條件限制，如信號(hào)帶寬，天線架設(shè)與配置以及測(cè)試環(huán)境等，信道與測(cè)試設(shè)備對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響也難以分離。</p><p>　　如果根據(jù)系統(tǒng)帶寬，又可將信道模型分為窄帶模型與寬帶模型。寬帶模型針對(duì)

85、頻率選擇性信道，而窄帶模型針對(duì)平坦衰落信道。</p><p>　　按照前文的方法分類，MIMO信道模型建?？梢苑譃槲锢斫Ｅc非物理建模。物理建模包括單環(huán)空間信道模型、雙環(huán)空間信道模型、室外分布散射信道模型、小區(qū)寬帶信道模型等。由于篇幅的限制，我們不做詳細(xì)的介紹。本節(jié)我們重點(diǎn)介紹非物理建模中的基于功率相關(guān)矩陣的寬帶隨即MIMO信道模型。</p><p>　　3. 3.1獨(dú)立同分布(IID)復(fù)

86、高斯信道模型</p><p>　　理淪上，如果傳播環(huán)境中散射足夠豐富，天線單元的間隔足夠大，那么M1M0信道的各子信道在統(tǒng)計(jì)上接近獨(dú)立[5]，并且分布也相同?？山⒁环N理想窄帶MIMO信道模型，即假定信道矩陣的元素氣,相互獨(dú)立并且都服從均值為零。與方差為I的復(fù)高斯分布，其包絡(luò)服從瑞利分布，子信道相互獨(dú)立。這種仿真模型的優(yōu)點(diǎn)是很容易建立，缺點(diǎn)是較理想化，沒(méi)有考慮相關(guān)衰落的影響。</p><p&g

87、t;　　3.3.2基于功率相關(guān)矩陣的寬帶隨機(jī)MIMO信道模型</p><p>　　圖3-1寬帶隨機(jī)MIMO信道模型示意圖</p><p>　　該信道模型如圖3-1所示，發(fā)射端有N根天線，接收端有M根天線，且均為線性天線陣列。發(fā)射端天線陣列上的信號(hào)為：x(t)=[x(t),x(t),…x(t)], 其中x(t)表示第n根天線的發(fā)射信號(hào)。接收端天線陣列上的信號(hào)表示為：y(t)=[y(t),y(

88、t),…y(t)], 其中y(t)表示第M根天線的接收信號(hào)。</p><p>　　描述連接發(fā)射端和接收端的M1M0信道矩陣可以表示為</p><p>　　H()= 公式(3-1)</p><p>　　式中，L表示可分辨多徑的數(shù)H(l)為第l個(gè)路徑的信通轉(zhuǎn)移矩陣，它的構(gòu)成如下</p><p>

89、;<b>　　公式（3-2）</b></p><p>　　元素是時(shí)延時(shí)第m根接收天線和第n根發(fā)射天線的復(fù)傳輸系數(shù)。</p><p>　　因此接收信號(hào)和發(fā)射信號(hào)的關(guān)系可寫成</p><p>　　y(t)= 公式(3-3)</p><p>　　用抽頭延遲線模型表示M

90、IMO信道的數(shù)學(xué)模型，</p><p>　　圖3.2 MIMO信道抽頭延遲線模型</p><p>　　3.3.3 COST 207模型</p><p>　　抽頭延遲線模型的一個(gè)特例是COS'T 207模型[6]，它給出了四種典型環(huán)境下的PDP或抽頭權(quán)重和多普勒頻譜。它給出的PDP已被在法國(guó)、英國(guó)、荷蘭、瑞典和瑞士進(jìn)行的大量實(shí)驗(yàn)測(cè)量所評(píng)估（程序見(jiàn)附錄一）。這四

91、種典型環(huán)境是</p><p>　　鄉(xiāng)村地區(qū)(RA ） P()= 公式(3-4)</p><p>　　典型城市地區(qū)(TU) P()= 公式(3-5)</p><p>　　惡劣城市地區(qū)(BU) P()= 公式(3-6)</p><p>　　

92、山區(qū)地形(HT) P()= 公式(3-7)</p><p>　　在抽頭延遲線模型中，每個(gè)信道都有一個(gè)瑞利分布的幅度和一個(gè)多普勒頻譜，其中i表示第i個(gè)抽頭。在cost 207模型中，定義了以下四種多普勒頻譜，其中表示最大多普勒頻移,G(A,,)是高斯函數(shù):</p><p>　　G(A,,)=A exp 公式(3-

93、8)</p><p>　　A是使得的歸一化常數(shù)。</p><p>　　(a) CLASS是經(jīng)典的(Jakes)多普勒頻譜，用于延遲不大于500 ns()動(dòng)的路徑，對(duì)于;</p><p><b>　　公式(3-9)</b></p><p>　　(b) GAUS1是兩個(gè)高斯函數(shù)的和，用于延遲在500和之間的路徑()，<

94、/p><p><b>　　公式(3-10)</b></p><p><b>　　這里比A低10 </b></p><p>　　(c) GAUS2也是兩個(gè)高斯函數(shù)的和，用于延遲大于2 的路徑()：</p><p><b>　　公式(3-11)</b></p><p

95、><b>　　這里，比B低15</b></p><p>　　(d) RICE是一個(gè)經(jīng)典多普勒譜和一條直射路徑的和，所以整個(gè)多徑分布與一條直射路徑的分布相同、它適用于鄉(xiāng)村傳播模型中的最短路徑。對(duì)于；</p><p><b>　　公式(3-12)</b></p><p>　　表3-1一3-4列出了COST 207建議的將

96、這些多普勒頻譜用于四種典型傳播環(huán)境的四種方法。表3-1所示為鄉(xiāng)村地區(qū)沒(méi)有山坡[RA]參數(shù)：</p><p>　　表3-1 鄉(xiāng)村地區(qū)沒(méi)有山坡[RA]的參數(shù)</p><p>　　表3-2 所示為城市地區(qū)(沒(méi)有山坡)[TU]的參數(shù)：</p><p>　　表3-2 城市地區(qū)(沒(méi)有山坡)[TU]的參數(shù)</p><p>　　表3-3 所示為有山坡的城市地

97、區(qū)[BU]的參數(shù)：</p><p>　　表 3-3 有山坡的城市地區(qū)[BU]的參數(shù)</p><p>　　表3-4 所示為山區(qū)地形[HU]的參數(shù)：</p><p>　　表3-4 山區(qū)地形[HU]的參數(shù)</p><p>　　3.3.4 IST METRA隨機(jī)信道模型</p><p>　　基于在1.71 GHz與2.0GHz

98、載頻下分別對(duì)室內(nèi)窄帶與寬帶信道測(cè)試的結(jié)果，J. P. Kermoal等提出了一種基十功率相關(guān)矩陣的隨機(jī)MIMO信道模型，其中NM MIMO系統(tǒng)的上行鏈路寬帶矩陣信道模型為:</p><p>　　H(k)= 公式(3-13)</p><p>　　上式中，H(k)是NM信道沖激響應(yīng)矩陣，表示Dirac沖擊函數(shù)，T為字符周期，L為系統(tǒng)可分辨的多徑數(shù)目。L由系統(tǒng)

99、帶寬B和信道最大相對(duì)延遲決定具體數(shù)值，即L=，表示大于x的最小整數(shù)。MIMO信道沖激響應(yīng)的第l個(gè)抽頭H(k)可表示為:</p><p>　　H(k)=[h(k)…h(huán)(k)], j=(1,…M) 公式(3-14)</p><p>　　上式中，信道衰落矩陣的第j列表示k時(shí)刻對(duì)應(yīng)第J個(gè)發(fā)送天線的SIMO信道的CIR矢量，即</p><p>

100、;　　h(k)=[…] ， (j=1,...M) 公式(3-15)</p><p>　　上式中，(k)表示從第l個(gè)抽頭上第j個(gè)發(fā)送天線到第i個(gè)接收天線間的復(fù)信道衰落因子，其包絡(luò)服從Rayleigh分布，相位服從之間的均勻分布。</p><p>　　發(fā)端與收端的相關(guān)特性分別通過(guò)相應(yīng)的功率相關(guān)矩陣R與R描述，其元素可分別表示為</p><p&

101、gt;　　= 公式(3-16)</p><p>　　= 公式(3-17)</p><p>　　式中，與，分別是發(fā)端與收端的功率相關(guān)系數(shù)。空間相關(guān)系數(shù)可表示為發(fā)端與收端的相關(guān)系數(shù)的乘積形式，即：</p><p>　　= 公式(3-18)<

102、/p><p>　　從而 MIMO信道的相關(guān)矩陣可表示為兩相關(guān)矩陣的直積(Kronecker)形式，即</p><p>　　R=RR 公式(3-19)</p><p>　　給定以上信道相關(guān)矩陣后，可進(jìn)行信道仿真，即</p><p>　　Vec(H)=Ca 公式(

103、3-20)</p><p>　　式中，是矩陣向量化操作，即將矩陣按列堆疊成一個(gè)列向量，a是MN1的列向量，其元素為獨(dú)立同分布零均值復(fù)高斯隨機(jī)變量，c是對(duì)稱映射矩陣，滿足R=CC,其中表示轉(zhuǎn)置操作。對(duì)于窄帶MIMO信道，只需將式(3-14)中的L取1即可。</p><p>　　該模型的主要缺點(diǎn)在于，它丟掉了傳輸系數(shù)之間的相位關(guān)系，因?yàn)楣β氏嚓P(guān)沒(méi)有涉及相位信息。建議對(duì)接收信號(hào)乘以一個(gè)相位對(duì)角操

104、縱矩陣W(),以彌補(bǔ)模型中丟失的相位信息。這里，操縱矩陣的對(duì)角元素提供相對(duì)于第一副按收天線單兀的平均相移，是平均AOA 。</p><p>　　該模型的主要優(yōu)勢(shì)在于完全刻畫信道特征僅需要少量參數(shù):LVIIMO信道矩陣的功率增益、兩個(gè)描述傳輸鏈路兩端的相關(guān)特性的相關(guān)矩陣、以及信道路徑的多普勒譜。這些參數(shù)可以從測(cè)試結(jié)果中提取出來(lái)，也能從已有的SIMO信道的測(cè)試結(jié)果中得到。</p><p>　　

105、該模型已被大量微小區(qū)與微微小區(qū)中的測(cè)試所驗(yàn)證，通過(guò)比較表明，該模型的仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果接近，可以用于LVBMO系統(tǒng)鏈路級(jí)仿真。但是，該模型不能預(yù)測(cè)與解釋所謂的“針孔”或“鎖孔”信道現(xiàn)象，即當(dāng)收發(fā)兩端周圍的散射區(qū)被一個(gè)中心具有小孔的屏給分隔時(shí)，即使收發(fā)兩端的信號(hào)都不相關(guān)，MIMO信道矩陣仍出現(xiàn)秩虧的現(xiàn)象，這是由于式(3-19)僅是一個(gè)線性處理過(guò)程的緣故。</p><p>　　3.4簡(jiǎn)單介紹其他信道典型MIMO信道模

106、型</p><p>　　1.單環(huán)與雙環(huán)及其改進(jìn)的信道模型</p><p>　　它們是所述的單環(huán)空間信道模型的擴(kuò)展，即在移動(dòng)端也采用多天線。如圖3-3, 將有效散射體均勻分布在以移動(dòng)端為中心的圓環(huán)上進(jìn)一步假定只存在一次反射，所有到達(dá)接收陣列的信號(hào)功率相等。</p><p>　　圖3-3 22單環(huán)空間信道</p><p>　　BS: 基站 ，U:

107、 移動(dòng)臺(tái)，：基站天線間距， : 收發(fā)端移動(dòng)速度</p><p>　　如果基站天線高度較低(如在室內(nèi)環(huán)境中)，其附近存在散射體，則雙環(huán)散射模型更適于MIMO信道建模，如圖3-4所示：</p><p>　　圖3-4 22雙環(huán)空間信道模型</p><p>　　BS: 基站 ，U: 移動(dòng)臺(tái)，：基站天線間距， : 收發(fā)端移動(dòng)速度</p><p>