（通信與信息系統(tǒng)專業(yè)論文）mimo無(wú)線信道建模與仿真研究.pdf

摘要 多輸入多輸出( m i m 0 ) 技術(shù)是現(xiàn)代通信技術(shù)中的重大突破之一，然而，m i m o 無(wú)線系統(tǒng)的大容量和其他性能提高極大依賴于m i m o 無(wú)線信道的特性；同時(shí)，研究 基于m i m o 的各種關(guān)鍵技術(shù)和處理算法也需要建立m i m o 信道模型，進(jìn)行相應(yīng)的仿 真，以便評(píng)估各種處理算法的優(yōu)劣和系統(tǒng)性能的好壞。因此，對(duì)m i m o 信道模型的 研究是十分必要的。 本文主要研究w i n n e ri i 信道模型的建模與仿真。文中首先全面概括無(wú)線信道 特性以及m i m o 信道建模的方法和分類。其次詳細(xì)介紹w i n n e ri i 信道模型所支持 的場(chǎng)景，信道建模方法及信道參數(shù)和信道系數(shù)產(chǎn)生的詳細(xì)步驟，模型適用范圍等 w i n n e ri i 信道建模的具體問(wèn)題，并比較分析了w i n n e ri i 信道模型同 s c m s c m e 信道模型的異同。然后給出了w i n n e ri i 信道模型仿真流程和具體函 數(shù)模塊說(shuō)明以及對(duì)w i n n e ri i 信道模型仿真結(jié)果的詳細(xì)分析，并將w i n n e ri i 信道 建模擴(kuò)展到移動(dòng)一移動(dòng)信道場(chǎng)景，給出了該信道場(chǎng)景下修正的信道系數(shù)計(jì)算公式。 最后，利用w i n n e ri i 信道仿真的結(jié)果對(duì)m i m o 信道容量進(jìn)行了分析和研究，證明 了m i m o 信道的容量?jī)?yōu)勢(shì)。 關(guān)鍵詞：m i m 0 信道建模w i n n e ri i移動(dòng)一移動(dòng)信道容量 a b s t r a c t t h em 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 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 ki nm o d e mt e l e c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y ；h o w e v e r , t h eh i g h p e r f o r m a n c e ，b e s i d e st h eh i i g hc a p a c i t y , p r o m i s e db ym i m ot e c h n o l o g yi sh i g h l y d e p e n d e n to nt h ep r o p a g a t i o np r o p e r t i e so fc h a n n e l s m e a n w h i l e ，m i m or a d i oc h a n n e l m o d e l sa r en e e d e df o rt h ei n v e s t i g a t i o n si nt h ek e yt e c h n i q u e so fm i m os y s t e m s w i t h t h em o d e l s ，s i m u l a t i o n sc a nb ec a r r i e do nf o rt h ea l g o r i t h ma n ds y s t e me v a l u a t i o n t h e r e f o r e ，i ti sn e c e s s a r yt or e s e a r c hm i m o r a d i oc h a n n e lm o d e l i n g t h i sd i s s e r t a t i o n m a i n l yf o c u s e so nt h em o d e l i n ga n ds i m u l a t i o n s o ft h e w i n n e ri ic h a n n e lm o d e l f i r s t l y , t h ea v a i l a b l ew i r e l e s sc h a n n e lc h a r a c t e r i s t i c sa n d m e t h o d sa n dc l a s s i f i c a t i o n so fc h a n n e lm o d e l i n ga r es u m m a r i z e d s e c o n d l y , t h e c o n c r e t ep r o b l e m si nw i n n e ri ic h a n n e lm o d e l i n ga r ed e s c r i b e d t h e s ep r o b l e m s i n c l u d et h ep r o p a g a t i o ns c e n a r i o s ，m e t h o d so fw i n n e ri ic h a n n e lm o d e l i n g ，t h e d e t a i l e ds t e p so fc h a n n e lp a r a m e t e r sa n dc o e f f i c i e n t sc o n s t r u c t i o np r o c e s s e s ，a n d a p p l i c a b l ea r e a s ac o m p a r i s o nb e t w e e nt h es c m s c m ea n dw i n n e r c h a n n e lm o d e l i sa l s og i v e n t h i r d l y , t h ef l o wc h a r ta n df u n c t i o ne x p l a n a t i o n so fw i n n e rc h a n n e l s i m u l a t i o n sa r eg i v e n t h e nt h es i m u l a t i o nr e s u l t sa r ea n a l y z e di nd e t a i l f o u r t h l y , a m o b i l e t o m o b i l ec h a n n e lm o d e lw h i c hi sa ne x t e n s i o no fw i n n e ri ic h a n n e lm o d e l i sp u tf o r w a r d t h er e m a i n d e ri sa na p p l i c a t i o no ft h ew i n n e rc h a n n e lm o d e l ，w h i c h d e r i v e dm i m oc h a n n e lc a p a c i t yb a s e do nt h es i m u l a t i o nr e s u l t sc o n f i r m i n gt h eh i g h c a p a c i t yo fm i m o c h a n n e l k e y w o r d ：m i m oc h a n n e lm o d e l i n g w i n n e ri im o b i l e - - t o m o b i l e c h a n n e lc a p a c i t y 西安電子科技大學(xué) 學(xué)位論文創(chuàng)新性聲明 本人聲明所呈交的論文是我個(gè)人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究 成果。盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝中所羅列的內(nèi)容以外，論文中不 包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)過(guò)的研究成果；也不包含為獲得西安電子科技大學(xué)或 其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書(shū)而使用過(guò)的材料。與我一同工作的同志對(duì)本研究所做 的任何貢獻(xiàn)均已在論文中做了明確的說(shuō)明并表示了謝意。 申請(qǐng)學(xué)位論文與資料若有不實(shí)之處，本人承擔(dān)一切相關(guān)責(zé)任。 本人簽名： 日期幽：墮：! 里 西安電子科技大學(xué) 關(guān)于論文使用授權(quán)的說(shuō)明 本人完全了解西安電子科技大學(xué)有關(guān)保留和使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：研究生 在校攻讀學(xué)位期間論文工作的知識(shí)產(chǎn)權(quán)單位屬西安電子科技大學(xué)。本人保證畢業(yè) 離校后，發(fā)表論文或使用論文工作成果時(shí)署名單位仍然為西安電子科技大學(xué)。學(xué) 校有權(quán)保留送交論文的復(fù)印件，允許查閱和借閱論文；學(xué)?？梢怨颊撐牡娜?或部分內(nèi)容，可以允許采用影印、縮印或其它復(fù)制手段保存論文。 本人簽名： 導(dǎo)師簽名：瑤如昆 日期型：望：! ? 日期礎(chǔ)爭(zhēng)汕 第一章緒論 第一章緒論 移動(dòng)通信技術(shù)是最具發(fā)展?jié)摿蛷V闊市場(chǎng)前景的熱點(diǎn)技術(shù)之一。到目前為止， 移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了三代，第一代移動(dòng)通信( 1 g ) 為模擬通信，給人們開(kāi) 辟了移動(dòng)通信的嶄新天地；第二代移動(dòng)通信( 2 g ) 為數(shù)字通信，讓普通人享受到 了移動(dòng)通信的方便和益處；第三代移動(dòng)通信( 3 g ) 為準(zhǔn)寬帶移動(dòng)通信，能提供基 本的數(shù)據(jù)和多媒體業(yè)務(wù)。可以說(shuō)，移動(dòng)通信已深刻地影響了人們的生活方式，為 社會(huì)進(jìn)步、經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出了巨大的貢獻(xiàn)。而3 g 在傳輸速率、服務(wù)質(zhì)量、無(wú)縫傳 輸?shù)确矫娴木窒扌砸矊⑷找骘@露出來(lái)，勢(shì)必需要帶寬更寬的無(wú)線系統(tǒng)。未來(lái)移動(dòng) 通信必定是容量更大、速率更高、功能更強(qiáng)的寬帶移動(dòng)通信系統(tǒng)。目前，國(guó)際化 標(biāo)準(zhǔn)組織正在推動(dòng)無(wú)線傳輸速率從2 m b s 向1 0 0 m b s ( b 3 g ) 的目標(biāo)發(fā)展【l j ?？?以看到，競(jìng)爭(zhēng)的加劇進(jìn)一步推動(dòng)了技術(shù)的發(fā)展，從而使移動(dòng)通信寬帶化的步伐不 斷加快，為迎接移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)時(shí)代的到來(lái)奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)?；旧峡梢钥?定，o f d m o f d m a 、m i m o 和智能天線等技術(shù)將成為4 g 的主流技術(shù)。 1 1 本文的研究背景和意義 m i m o 無(wú)線通信技術(shù)是天線分集與空時(shí)處理技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它源于天線 分集與智能天線技術(shù)，屬于廣義的智能天線的范疇。m i m o 系統(tǒng)在發(fā)端與收端均 采用多天線單元，運(yùn)用先進(jìn)的無(wú)線傳輸與信號(hào)處理技術(shù)，利用無(wú)線信道的多徑傳 播，因勢(shì)利導(dǎo)，開(kāi)發(fā)空間資源，建立空間并行傳輸通道，在不增加帶寬與發(fā)射功 率的情況下，成倍提高無(wú)線通信的質(zhì)量與數(shù)據(jù)速率，首次突破s h a n n o n 容量壁壘， 為無(wú)線通信勾畫(huà)出了美好的前景。m i m o 系統(tǒng)利用無(wú)線信道的多徑傳播特性，開(kāi) 發(fā)空間資源，建立空間并行矩陣傳輸通道，通過(guò)空時(shí)聯(lián)合處理達(dá)到提高無(wú)線通信 系統(tǒng)的容量與可靠性的目的。目前全世界有許多學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)、大公司( 主要分布在 歐洲和北美國(guó)家) 正在對(duì)m i m o 技術(shù)展開(kāi)更加深入的研究。 多天線技術(shù)已經(jīng)成為b 3 g 4 g 系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。多天線構(gòu)成的信道稱為 m i m o 信道。探索m i m o 無(wú)線信道的空時(shí)特性成為當(dāng)前研究的焦點(diǎn)之一1 2 j 。m i m o 系統(tǒng)大容量的實(shí)現(xiàn)和系統(tǒng)其它性能的提高以及m i m o 系統(tǒng)中使用的各種信號(hào)處理 算法的性能優(yōu)劣都極大地依賴于m i m o 信道的特性，特別是各個(gè)天線之間的相關(guān) 性。最初對(duì)m i m o 系統(tǒng)性能的研究與仿真通常都是在獨(dú)立信道的假設(shè)下進(jìn)行的，這 與實(shí)際的m i m o 信道大多數(shù)情況下具有一定的空間相關(guān)性是不太符合的。因此，建 立有效的能夠反映m i m o 信道空間相關(guān)特性并且適用于系統(tǒng)級(jí)和鏈路級(jí)仿真的 m i m o 無(wú)線信道建模與仿真研究 m i m o 信道模型，以此選擇合適的處理算法并評(píng)估系統(tǒng)性能就變得相當(dāng)重要了。在 理論研究的基礎(chǔ)上，國(guó)際上很多研究機(jī)構(gòu)已積極構(gòu)建m i m o 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行了廣泛的 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試與評(píng)估，不斷推動(dòng)m i m o 技術(shù)的發(fā)展，并開(kāi)始標(biāo)準(zhǔn)化m i m o 無(wú)線傳播信道 模型規(guī)范。例如，3 g p p 3 g p p 2 的空間信道模型3 兒4 】( s c m ) 和擴(kuò)展后的s c m e 模型 ( 1 0 0 m 帶寬，5 g h z 頻率) ，w i n n e r 項(xiàng)目的w p 5 信道模型5 】【6 1 ( 本文簡(jiǎn)稱為w i n n e r l i 信道模型) 。 1 2m i m o 信道建模研究現(xiàn)狀 f o s c h i n i 和t e l a t a r 7 1 提出多天線信道容量理論并證明m i m o 具有巨大的信道 容量，此后各國(guó)學(xué)者相繼開(kāi)始了對(duì)m i m o 信道建模的研究。從1 9 9 8 年e r t e l | 8 j 等 發(fā)表對(duì)空間信道模型的綜述文章到目前為止，已有大量文獻(xiàn)對(duì)該領(lǐng)域進(jìn)行了深入 研究。目前，國(guó)際上很多科研院校與商業(yè)機(jī)構(gòu)都爭(zhēng)相對(duì)m i m o 信道進(jìn)行深入研究。 伯克利加州大學(xué)電子工程與計(jì)算機(jī)科學(xué)系d a v i d t s e 教授主要研究m i m o 無(wú)線 通信系統(tǒng)、信道容量、分集與復(fù)用等【9 j 。 圣迭戈d n , 7 + l 大學(xué)電子與計(jì)算機(jī)工程系t s v a n t e s s o n 博士從事m i m o 系統(tǒng)無(wú)線 傳播的研究，提出了一種m i m o 信道模型i l o 】。 猶他州楊百翰大學(xué)電子與計(jì)算機(jī)工程系無(wú)線研究組的j w w a l l a c e 與 m a j e n s e n 教授從事天線、無(wú)線傳播、m i m o 信道建模等研究，建立了m i m o 實(shí) 驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行了大量信道測(cè)試。 弗吉吉亞理工大學(xué)移動(dòng)和便攜無(wú)線電m p r g 研究小組t s r a p p a p o r t 博士從事 無(wú)線通信、信道模型與智能天線研究。 在國(guó)內(nèi)，清華大學(xué)等高校與中興通訊、華為公司等企業(yè)以及一些研究所等機(jī) 構(gòu)也在積極進(jìn)行m i m o 技術(shù)的研究，對(duì)m i m o 信道進(jìn)行了大量的研究和現(xiàn)場(chǎng)測(cè) 試，提出了多種編碼算法與信道模型。 在理論研究的基礎(chǔ)上國(guó)際很多研究機(jī)構(gòu)不斷積極推動(dòng)m i m o 信道技術(shù)的研 究，并逐步將m i m o 無(wú)線傳播信道模型標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化。比如，3 g p p 3 g p p 2 與 l u c e n t 、n o k i a 、e r i c s s o n 等公司聯(lián)合提出的s c m 模型，i s t - w 仆烈e r 的w 小附e r 信道模型，還有國(guó)際電信聯(lián)盟提出的l t u 信道模型等。 1 3 論文的研究?jī)?nèi)容及結(jié)構(gòu)安排 本文在w i n n e ri i 信道模型研究的基礎(chǔ)上，對(duì)w i n n e ri i 信道模型在m t o m 信道情況下進(jìn)行了完善，主要工作為w i n n e ri i 信道模型的軟件實(shí)現(xiàn)。在實(shí)現(xiàn)過(guò) 程中對(duì)w i n n e ri i 信道模型實(shí)現(xiàn)中難點(diǎn)提出了解決方案，并討論了w i n n e ri i 第一章緒論 信道模型一種應(yīng)用：m i m o 信道容量的研究。 本文共分為五章 第一章：緒論，介紹了論文的研究背景和相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，m i m o 信道模型 的研究現(xiàn)狀以及論文的結(jié)構(gòu)安排。 第二章：m i m o 信道模型概述，首先介紹了無(wú)線信道的各種特性，包括路徑 損耗與陰影效應(yīng)，信道的色散與頻率選擇性以及信道的包絡(luò)特性等。其次介紹 m i m o 信道建模的方法、分類以及各種模型的優(yōu)缺點(diǎn)。 第三章：w i n n e ri i 信道建模研究，首先介紹了w i n n e ri i 信道模型建模， 包括場(chǎng)景、建模方法、步驟、適用性等。然后分析了s c m s c m e 信道模型與 w i n n e ri i 信道模型的異同。 第四章：w i n n e r 信道模型實(shí)現(xiàn)，首先給出仿真流程及仿真函數(shù)模塊說(shuō)明， 然后重點(diǎn)對(duì)w i n n e ri i 信道模型的仿真結(jié)果進(jìn)行分析，包括信道參數(shù)和信道系數(shù) 生成的仿真結(jié)果分析，信道空時(shí)相關(guān)性結(jié)果分析，其次詳細(xì)介紹了針對(duì)w i n n e r i i 信道模型的擴(kuò)展：在m t o m 場(chǎng)景下，對(duì)w i n n e ri i 信道模型信道系數(shù)生成公 式進(jìn)行修正。最后，利用仿真產(chǎn)生的信道系數(shù)對(duì)m i m o 信道容量進(jìn)行分析，仿真 結(jié)果說(shuō)明了m i m o 信道的優(yōu)勢(shì)。 第五章：結(jié)論與展望，對(duì)本文研究工作進(jìn)行總結(jié)并對(duì)后續(xù)工作進(jìn)行展望。 第二章m i m o 信道模型概述 5 第二章m o 信道模型概述 無(wú)線信道【1 1 】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， 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m i m o 無(wú)線信道 建模。m i m o 信道在空間維度上的擴(kuò)展是對(duì)傳統(tǒng)s i s o 信道的一個(gè)挑戰(zhàn)，m i m o 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，通 過(guò)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。 假定一個(gè)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)m i m o 系統(tǒng)有坼根發(fā)射天線，m 矸根接收天線。對(duì)于離散時(shí) 間描述的復(fù)基帶線性系統(tǒng)模型，系統(tǒng)框圖如圖2 1 所示。 設(shè)坼= 腳，m r = 甩， h ( t ，f ) = x 蔓 圖2 1m i m o 系統(tǒng)框圖 則線性時(shí)變的m i m o 信道為 xm 信道矩陣表示： 魄。o ，f )扛：( f ，f )啊。( ，f ) 1 ( f ，f )2 ( f ，f )紅。( ，f ) 吃l ( f ，f )吃2 ( f ，f )( ，f ) ( 2 1 ) h o ( t ，f ) 為m i m o 信道下第歹個(gè)接收天線到第f 個(gè)接收天線之間的時(shí)變脈沖響應(yīng)。 州) 。明辦( r e ) , r 加 f ，)( 2 - 2 ) g ；? ( ) g ：? ( ) f ( f f7 ) dr d 矽dg z 若發(fā)送信號(hào)為s ( ，) ，則接收信號(hào)為y ( t ) 為 j ，( ，) = ih ( t ，r ) s ( t - - z 矽r + 刀( f ) * ( 2 - 3 ) 6 m i m o 無(wú)線信道建模與仿真研究 2 1 無(wú)線信道傳播特性 無(wú)線傳播環(huán)境是影響無(wú)線通信系統(tǒng)的基本因素。發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間的無(wú)線 傳播路徑非常復(fù)雜，從簡(jiǎn)單的視距傳播，到遭遇各種復(fù)雜的地物( 如建筑物，山 脈和樹(shù)枝等) 所引起的反射、繞射和散射傳播等。無(wú)線信道不像有線信道那樣固 定并可預(yù)見(jiàn)，而是具有極度的隨機(jī)性。而且，移動(dòng)臺(tái)相對(duì)于發(fā)射臺(tái)移動(dòng)的方向和 速度，甚至收發(fā)雙方附近的移動(dòng)物體也對(duì)接收信號(hào)有很大影響。因此，可認(rèn)為無(wú) 線的傳播環(huán)境是一種隨時(shí)間、環(huán)境和其他外部因素而變化的傳播環(huán)境。 通常，無(wú)線信道的傳播可以分為大尺度參數(shù)( l a r g e s c a l e ) 傳播模型和小尺 度( s m a l l s c a l e ) 衰落兩種。大尺度傳播描述的是長(zhǎng)距離( 幾百米甚至更長(zhǎng)) 內(nèi) 接收信號(hào)強(qiáng)度的緩慢變化。小尺度衰落由于同一傳輸信號(hào)沿兩個(gè)或多個(gè)路徑傳播， 以微小的時(shí)間差達(dá)到接收機(jī)而相互干涉引起的，這些波稱為多徑波。 本節(jié)將詳細(xì)描述無(wú)線信道的各種衰落特性，包括大尺度的衰落損耗與陰影效 應(yīng)，小尺度的時(shí)間、頻率、空間選擇性衰落以及信道的一階、二階統(tǒng)計(jì)特性等。 上述這些特性對(duì)于m i m o 信道特征的描述和m i m o 信道建模也是緊密聯(lián)系的， 因此，了解這些參數(shù)和衰落特性是很有必要的。 2 1 1 路徑損耗與陰影效應(yīng) 路徑損耗與陰影效應(yīng)描述無(wú)線信道的大尺度傳播特性。理論和測(cè)試的傳播模 型指出，無(wú)論室內(nèi)或室外信道，平均接收信號(hào)功率隨距離的對(duì)數(shù)衰減。對(duì)于任意 t - r 距離，平均大尺度路徑損耗表示為： 一 p l ( d ) d b 】- 兒( 玩) + 1 0 n l o g ( - 蘭- - ) ( 2 - 4 ) “o 其中，n 為路徑損耗指數(shù)，表明路徑損耗隨距離增長(zhǎng)的速率；以為近地參考距離， d 為t - r 距離。 上述的對(duì)數(shù)距離損耗模型并沒(méi)有考慮在相同t - r 距離情況下，不同位置的周 圍環(huán)境和地形因素的差別。測(cè)試表明，對(duì)任意的d 值，特定位置的路徑損耗p l ( d ) 為隨機(jī)對(duì)數(shù)正態(tài)分布，即： o p l ( d ) d b = p - l ( d o ) + 1 0 n l o g ( ) + t ( 2 - 5 ) “0 以為零均值的高斯隨機(jī)變量，單位拈，標(biāo)準(zhǔn)差為仃，單位也是如。 對(duì)數(shù)正態(tài)陰影意味著在傳播路徑上，具有相同t - r 距離時(shí)，不同的隨機(jī)陰影 效應(yīng)。這種現(xiàn)象叫做對(duì)數(shù)正態(tài)陰影。對(duì)數(shù)正態(tài)陰影意味著在特定t - r 距離的測(cè)試 第二章m i m o 信道模型概述 7 信號(hào)電平服從式( 2 4 ) 的正態(tài)分布。 2 1 2 信道的色散與選擇性衰落 由于無(wú)線信道的多徑、發(fā)射端或接收端的運(yùn)動(dòng)以及不同的散射環(huán)境等，使得無(wú) 線信道在時(shí)間上，頻率上和角度上造成了色散。功率延遲譜( p d p ，p o w e rd e l a y p r o f i l e ) 用于描述信道在時(shí)間上的色散：多普勒功率譜密度( d p s d ，d o p p l e rp o w e r s p e c t r a ld e n s i t y ) 用于描述信道在頻率上的色散；角度功率譜( p a s ，p o w e r a z i m u t h s p e c t r u m ) 用于描述信道在角度上的色散。信號(hào)經(jīng)過(guò)信道后，分別形成了頻率選擇 性衰落，時(shí)間選擇性衰落和空間選擇性衰落，并分別產(chǎn)生了時(shí)延擴(kuò)展、多普勒擴(kuò) 展和角度擴(kuò)展。 1 時(shí)間色散與頻率選擇性 時(shí)間色散和頻率選擇性是由于不同時(shí)延的多徑信號(hào)疊加所產(chǎn)生的效果，依賴于 發(fā)射機(jī)、接收機(jī)和周圍環(huán)境之間的幾何關(guān)系。這兩種效應(yīng)是同時(shí)出現(xiàn)的，只是表 現(xiàn)的形式不同。時(shí)間色散體現(xiàn)在時(shí)域，就是把發(fā)送端的信號(hào)沿時(shí)間軸展開(kāi)，使接 收信號(hào)的持續(xù)時(shí)間比發(fā)送該信號(hào)的持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)：頻率選擇性體現(xiàn)在頻域，是指對(duì) 發(fā)送信號(hào)產(chǎn)生濾波作用，使信號(hào)中不同頻率分量的衰落幅度不一樣，在頻率上接 近的分量其衰落也很接近，而在頻率上相隔較遠(yuǎn)的分量其衰落相差很大。時(shí)延擴(kuò) 展用來(lái)描述信道的時(shí)間色散性。具體的參數(shù)有平均附加時(shí)延、r m s ( r o o tm e a n s q u a r e ) 時(shí)延擴(kuò)展。 平均附加時(shí)延r 是功率延遲分布的一階矩，定義為： 一靠p ( r k ) r k 仁京2 麗 q 。6 其中q 為第k 個(gè)多徑的衰落因子，p ( r k ) 為時(shí)延點(diǎn)靠上多徑衰落的相對(duì)功率。 r m s 時(shí)延擴(kuò)展以是功率延遲分布的二階矩的平方根，定義為： q = e ( f 2 ) 一( r ) 2 ( 2 7 ) 其中， 嚷2 吒2 p ( r k ) r k 以，卜索。麗 q 培 功率延遲分布一般服從指數(shù)分布，即： p ( f ) = p r 0 f 圖4 7d 1n l o s 情況信道各徑幅度c d f 曲線( v e l o c i t y = 3 0k r n h ) 湘c d f o f d ln l o s l u lm s v e l o 哪t1 2 0 晰加 一|；i；|i；i：；： 豢：爭(zhēng) _ 。：一 - - - 手0 一 - - ：一 i 88 5 ，t s22 ，s33 5 刪n , t s q r t ( p ) 圖4 8d l 場(chǎng)景n l o s 情況信道各徑幅度c d f 曲線( v e l o c i t y = 1 2 0k m h ) ( 2 ) 信道幅度譜測(cè)試 載頻和速度對(duì)信道衰落的影響體現(xiàn)在信道系數(shù)產(chǎn)生公式孛墳掰這一項(xiàng)，其中磊 為載波波長(zhǎng)，氣= 則 ，c 岐。辮2 e | c 可看到速度v 和載頻z 對(duì)信道衰落的影響是一致的。 ( 4 一t o ) s 5 4 3 2 ， o o o o o o o #撒。露囂v器￥cl 8 0 0 8 o o 鬟露囂i。需v墓 4 0 m i m o 無(wú)線信道建模與仿真研究 圖4 9 不同移動(dòng)速度下的信道幅度譜比較 圖4 1 0 不同載頻下的信道幅度譜比較 場(chǎng)景觸發(fā)開(kāi)關(guān)選取置c 1 場(chǎng)景通道一，載頻6 g h z ，不同的移動(dòng)速度下信道幅度 比較如圖4 9 。 場(chǎng)景觸發(fā)開(kāi)關(guān)選取置c 1 場(chǎng)景通道一，移動(dòng)速度3 0 k m h ，不同的載頻下信道幅 度比較如圖4 1 0 。 第四章w i n n e r1 i 信道模型的仿真 4 1 可以看出在其他條件相同的情況下，速度越大，同一時(shí)間內(nèi)信道衰落周期越短， 即在1 s 內(nèi)，屹= 1 2 0 k m h 對(duì)應(yīng)的衰落周期的個(gè)數(shù)遠(yuǎn)大于v c = 3 0 砌廳對(duì)應(yīng)的衰落周 期的個(gè)數(shù)。同理，載頻越高，同一段時(shí)問(wèn)內(nèi)信道衰落的越快，如圖4 9 、1 1 4 1 0 所 示。 c l 場(chǎng)景l(fā) o s 情況下的信道幅度如圖4 1 1 所示。 1 0 00 5 0 - 5 圖4 1 1c i 場(chǎng)景l(fā) o s 情況下各徑的幅度譜 視距情況下信道能量集中在l o s 徑上，并且l o s 徑上幅度衰落的變化明顯 小于其他徑。 d 1 場(chǎng)景l(fā) o s 情況下，信道幅值的c d f 曲線如圖4 1 2 。 礬c d f o f d ll o st u l l o 曩 0 8 0 7 琺 善0 4 0 3 0 2 0 1 0 窿； 廠 f i； | l 一 ； 一 一 l i i 1 ，腳 一 f ； i ； 一 7 。 ； ll ； ；7 _ ； 一 一 l1522 5 孤訥審k p ) 圖4 1 2d l 場(chǎng)景下l o s 情況下的各徑幅度的c d f 曲線 o 叫 0 一 o m 加 m i m o 無(wú)線信道建模與仿真研究 在l o s 情況下，k 因子不為0 。建模時(shí)第一徑的信號(hào)是從發(fā)射端以直線距離、毫 無(wú)阻礙的到達(dá)接收端( 即為l o s ) ，對(duì)應(yīng)于整個(gè)信道上的包絡(luò)分布服從萊斯分布。由 圖4 1 l 中幅度譜和圖4 1 2c d f 曲線可以看到對(duì)于l o s 徑幅度模值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他徑。 當(dāng)置k = 0 即k d b = 瑚時(shí)，l o s 徑不存在，信道為n l o s 情況，信道包絡(luò) 服從瑞利分布。 將l o s 情況時(shí)的k 因子置為o 時(shí)，輸出的信道幅值c d f 如圖4 1 3 所示。 l o 9 0 暑 0 7 霹0 6 案0 5 善。- 4 o _ 3 o 2 o ，l 0 c l u s t e r 鋤e d f o f d ll o s tk = 0 00 5l1 522 533 5 訓(xùn)池c 嘣p ) 圖4 1 3l o s 情況時(shí)將k 因子置為0 ，各徑輸出的信道幅度c d f 曲線 4 2 3 信道相關(guān)性的仿真結(jié)果 ( 1 ) 信道的空時(shí)相關(guān)性分析 傳統(tǒng)的信道模型都只考慮了多普勒效應(yīng)和時(shí)延擴(kuò)散，沒(méi)有考慮到空間參數(shù)， 如波達(dá)方向和角度擴(kuò)展。接收端的角度擴(kuò)展是指多徑信號(hào)到達(dá)天線陣列的到達(dá)角 度的展寬。同樣，發(fā)射端的角度擴(kuò)展指的是由多徑的反射和散射引起的發(fā)射角展 寬。角度擴(kuò)展給出接收信號(hào)主要能量的角度范圍，產(chǎn)生空間選擇性衰落，意即信 號(hào)幅值與天線的空間位置有關(guān)。 影響信道相關(guān)性的因素主要包括天線之間的距離、波束離開(kāi)角和到達(dá)角、離開(kāi) 角和到達(dá)角的延遲擴(kuò)展。這里基站是固定的，所以假設(shè)基站側(cè)天線之間的距離、波 束離開(kāi)角、離開(kāi)角的延遲擴(kuò)展不變，只有移動(dòng)側(cè)天線之間的距離、波束到達(dá)角、到 達(dá)角的延遲擴(kuò)展的變化和多個(gè)接收天線元的空間相關(guān)函數(shù)有關(guān)。 第四章w i n n e ri i 信道模型的仿真 4 3 圖4 1 4 不同a o a 下信道相關(guān)性比較 圖4 1 5 不同a s 下的信道相性比較 圖4 1 4 和圖4 1 5 分別為不同m s 波達(dá)角下m s 天線問(wèn)距與相關(guān)系數(shù)之間的關(guān)系， 不同m s 角度擴(kuò)展下天線間距與相關(guān)系數(shù)的關(guān)系?？梢钥吹叫诺赖南嚓P(guān)系數(shù)與天線 間距、波達(dá)角、角度擴(kuò)展有著直接的聯(lián)系。對(duì)于同一條曲線，天線間距越大，信 道相關(guān)系數(shù)越小，對(duì)于不同曲線波達(dá)角度擴(kuò)展越寬，即波達(dá)角越接近陣列垂線方 芒一3l#oo co一_立ot8 pc13#-o臼co一帶茍llou m i m o 無(wú)線信道建模與仿真研究 向則相關(guān)系數(shù)越小，如圖4 1 6 所示。角度擴(kuò)展越大，則多徑之間的相關(guān)性越小，所 以信道的相關(guān)系數(shù)越小，不考慮其他影響，那么信道容量越大，如圖4 1 7 所示。 a o a = 0 o a 0a o a inn夠r l 圖4 1 6 波達(dá)角與天線間距角度關(guān)系 o 圖4 1 7 角度擴(kuò)展與信道容量之間的關(guān)系 信道的時(shí)間相關(guān)性體現(xiàn)信道時(shí)變特性。仿真選取c 2 場(chǎng)景( 城市宏小區(qū)) ，u e 移動(dòng)速度v = 3 0 k m h ，載波頻率f = 5 g h z 。 w i n n e ri i 信道的時(shí)間自相關(guān)與理論曲線的對(duì)比結(jié)果如圖4 1 8 ，可以看出實(shí)際 曲線與理論曲線趨勢(shì)較為相近。實(shí)際值波動(dòng)小于理論值，這是由于理論上對(duì)時(shí)間 自相關(guān)的分析完全不考慮空間互相關(guān)性和子徑相位的影響，但在實(shí)際仿真過(guò)程中 是要受空間互相關(guān)性和子徑相位影響的，所以實(shí)際值低于理論值。 第四章w i n n e r1 1 信道模型的仿真 4 5 圖4 1 8w i n n e ri i 信道的時(shí)間相關(guān)性曲線 ( 2 ) 信道相關(guān)矩陣的產(chǎn)生 w i n n e ri i 信道模型中不同場(chǎng)景有與其場(chǎng)景特點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的角度擴(kuò)展值，如d 1 場(chǎng)景b s 側(cè)角度擴(kuò)展為2 。，m s 傾j j 角度擴(kuò)展值為3 。，而b 1 場(chǎng)景n l o s 情況b s 側(cè)角度擴(kuò) 展為1 0 。，m s 側(cè)角度擴(kuò)展為2 2 。b l 場(chǎng)景為城市微小區(qū)，b s 高度低于建筑物高度， 所以同其他場(chǎng)景相比b s 側(cè)角度擴(kuò)展較大，m s 側(cè)的散射環(huán)境更為復(fù)雜，所以m s 側(cè) 的角度擴(kuò)展相對(duì)較大。 l 0 5 o 4 l 0 5 0 4 1 o s 0 卑 4 c b j s t e r4 c l u a t e r7 -， 000 000 000000 圖4 1 9w i n n e ri i 信道模型空間相關(guān)性曲線 4 m i m o 無(wú)線信道建模與仿真研究 選取d 1 場(chǎng)景，4 4 天線配置，天線均勻線性陣列排列。b s 處天線問(wèn)隔為 【o51 01 5 1 2 ，m s 處天線間隔為：【oo 51 1 5 1 2 ，d 1 場(chǎng)景共有1 0 + 4 條徑，隨機(jī)選取 了6 條徑【14 71 01 21 4 1 仿真，迭代次數(shù)為1 0 0 0 0 次。m s 不同天線之間的相關(guān)系數(shù)如 圖4 1 9 所示。 選取場(chǎng)景b l ，4 4 天線配置，天線均勻線性陣列排列。b s 處天線間隔為 【o51 01 5 g ，m s 處天線間隔為：【00 511 5 1 ；l ，b 1 場(chǎng)景共有1 6 + 4 條徑，隨機(jī)選取 了6 條徑【1581 21 51 8 1 仿真，迭代次數(shù)為1 0 0 0 0 次。m s 天線1 同其他天線之間的相 關(guān)系數(shù)以及b s 天線1 同其他發(fā)射天線之間的相關(guān)系數(shù)比較如圖4 2 0 。 o 圖4 2 0 不同歸一化天線間距下的相關(guān)系數(shù) 發(fā)端或接收端天線1 ，與天線2 ，3 ，4 間隔逐漸增大，它們之間的相關(guān)性也逐漸 減小。對(duì)于均勻線性陣列，天線之間的距離越遠(yuǎn)，相關(guān)性也就越小。由圖4 2 0 可看 出：發(fā)射天線之間的相關(guān)性小于m s 天線問(wèn)的相關(guān)性，這是由于室外場(chǎng)景b s 處散射 體分布較少，而m s 處散射體環(huán)境相對(duì)豐富，導(dǎo)致m s 空問(wèn)相關(guān)性比較大。 4 3 一種m t o m 信道建模方法 本節(jié)介紹w i n n e ri i 信道模型的擴(kuò)展m t o m 信道的建模方法。 移動(dòng)移動(dòng)信道( 以下稱m t o m 信道) 情況，即發(fā)送端和接收端均處于運(yùn)動(dòng) 狀態(tài)的信道場(chǎng)景。如圖4 2 1 所示，一般出現(xiàn)在智能交通系統(tǒng)( 如車載網(wǎng)絡(luò)) 、移 動(dòng)a d h o e 網(wǎng)絡(luò)及移動(dòng)中繼的蜂窩無(wú)線通信系統(tǒng)等。 _c磐u異|loo co一_碓一kloo 第四章w i n n e r1 1 信道模型的仿真 4 7 敬射體 4 3 1m t o m 信道模型 圈4 2 1m - t o - m 移動(dòng)信道示意網(wǎng) 在m - t o m 信道中，t x ，r x 均處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，所以其天線高度一般都較低，瓢， t x 的周圍都被散射體所包圍。r x 收到經(jīng)過(guò)若干散射體多徑分量疊加后的信號(hào)。下 面介紹一種m t o m 信道建模方法：雙環(huán)信道模型【3 4 】f 3 5 】。 散射體 圖4 2 2m - t o m 信道建模原理圖 對(duì)于收發(fā)兩端均處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的m t o - m 信道，其建模原理如圖4 2 2 。處理方法： 將每個(gè)散射體看作一個(gè)基站，即虛擬基站。從敖射體到溉鯰鏈路可看作是傳統(tǒng)蜂 窩b s m s 鏈路。將t x ，融周圍的散射體建模均勻分布在其四周。圖4 2 2 所示的在 t x ，r x 的環(huán)上均勻分布的小圓圈可看作從虛擬基站到終端的鏈路中存在的散射體。 設(shè)t x ，r x 的移動(dòng)速度分別為h 、毪，則z = 強(qiáng)以、石= 屹7 五。 接收端收到的信號(hào)可寫(xiě)為 r _ n g ( f ) 2 高善薈e x p j 2 j r f c o s ( ) t + 2 x f 2 c o s ( 尾弦+ 眈o 】( 4 - 1 1 ) sr。=：可2zrn-7r+o，；=：l，2，。，n，a=2(字)刃悻=：l，2，?生7 m i m o 無(wú)線信道建模與仿真研究 4 3 2 擴(kuò)展到w i n n e ri i 信道中的應(yīng)用 w i n n e r 信道模型中大部分場(chǎng)景都是基于傳統(tǒng)蜂窩無(wú)線信道( f t o m 信道) 的建模，w i n n e r 計(jì)劃在其2 0 0 6 年的技術(shù)報(bào)告中，用了1 0 0 多頁(yè)的篇幅專門(mén)介 紹中繼的概念以及中繼輔助通信技術(shù)與傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的融合。通過(guò)在傳統(tǒng)單基站 式的蜂窩小區(qū)中添加固定中繼節(jié)點(diǎn)的方式，w i n n e r 計(jì)劃提出將一個(gè)小區(qū)分成數(shù) 個(gè)微小區(qū)，如圖4 2 3 所示。其中包括一個(gè)以基站為接入點(diǎn)的微小區(qū)和數(shù)個(gè)以中繼 為接入點(diǎn)的中繼增強(qiáng)型微小區(qū)。由于位置的差異，同一小區(qū)中的用戶將會(huì)有不同 的接入點(diǎn)。以基站為接入點(diǎn)的用戶和以中繼為接入點(diǎn)的用戶在頻譜資源的分配和 幀結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上也會(huì)有所差異。 固定無(wú)線中繼在覆蓋和容量等方面有著巨大的優(yōu)勢(shì)，但中繼個(gè)數(shù)和中繼放置 的位置成為固定中繼的影響因素，在未來(lái)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，還有一些應(yīng)用場(chǎng)景需要使 用可移動(dòng)的中繼節(jié)點(diǎn)?？梢苿?dòng)中繼相對(duì)于固定無(wú)線中繼來(lái)說(shuō)適合一些更加特殊的 應(yīng)用場(chǎng)景。比如對(duì)高速移動(dòng)的列車進(jìn)行覆蓋，用戶始終通過(guò)車上中繼節(jié)點(diǎn)接入網(wǎng)絡(luò)， 而中繼節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)將信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)到鐵路沿線的基站上。這樣，當(dāng)列車在行駛過(guò)程中，用 戶始終由一個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)提供服務(wù)，這種場(chǎng)景也符合w i n n e r 信道模型d 2 a 場(chǎng)景的描 述不需要進(jìn)行切換，切換只在中繼節(jié)點(diǎn)和鐵路沿線的基站之間進(jìn)行。這就避免了 數(shù)量龐大的用戶同時(shí)獨(dú)立進(jìn)行切換操作帶來(lái)的大量突發(fā)信令，提高了切換成功率， 改善了服務(wù)質(zhì)量?？梢苿?dòng)中繼的另外一種應(yīng)用是在用戶較密集、傳輸環(huán)境復(fù)雜的 區(qū)域，利用數(shù)量眾多的用戶終端作為中繼實(shí)現(xiàn)多空間分集、用戶分集的增益。用這 種方式構(gòu)架移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)長(zhǎng)期以來(lái)一直有很多爭(zhēng)論，其中包括信息安全問(wèn)題、用戶電池 的消耗問(wèn)題等。但在實(shí)際應(yīng)用中，如果僅僅用于在用戶密集區(qū)作為改善覆蓋、提高 容量的方式，則上述問(wèn)題并不會(huì)成為瓶頸。 圖4 2 3w i n n e ri i 信道模型中繼場(chǎng)景 本文根據(jù)文獻(xiàn) 3 4 1 q b 對(duì)m o b i l e - t o - m o b i l e 信道的雙環(huán)模型建模方法對(duì)w i n n e r 信 第四章w i n n e ri i 信道模犁的仿真 4 9 道模型在d 2 場(chǎng)景下信道系數(shù)產(chǎn)生的公式進(jìn)行修正。 設(shè)移動(dòng)a p 的速度為麓，角度為e ，u 的移動(dòng)速度為0 英| l 梭據(jù)雙環(huán)模黧原 理將w i n n e r 信道模型信道系數(shù)的計(jì)算式( 3 1 6 ) ，在m o b i l e t o m o b i l e 信道環(huán)境時(shí)修 正為： 或則( ) = 曼 薹陋二出1 1 囂l r 乏一籮h v 朋：；毳h h ) 乏：象習(xí)c 4 地， 籍【只矗胃( ，胂) jl 小= 一，、，。) e x p ( ，) i 【露一( 吮，。) j v 7 + e x p ( j k d ss i 髕( 蛾滯) ) e x p ( j k d us i 熱。勢(shì) e x p ( # l l v 朋c o s ( 皖兒_ 。d 一最，) t + j k l l v ， i c o s 2 ( o _ 鰣一或，) f ) 對(duì)于m o b i l e t o - m o b i l e 信道，其多普勒功率譜1 3 q 為 ( 4 1 3 ) 其中癢= 粵，鬈翻表示第類完全橢凰積分。 j 1 目前，w i n n e r 項(xiàng)目的w p 5 工作組并未對(duì)m t o ，m 信道場(chǎng)景，如移動(dòng)中繼的 信道情況進(jìn)彳亍大量的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，并給出相應(yīng)的簡(jiǎn)化模型c d l 模型。移動(dòng)中繼羈固 定中繼相比較，也有其特定優(yōu)勢(shì)，如當(dāng)小區(qū)用戶隨機(jī)分布、且用戶數(shù)較多的情況 下，應(yīng)該采用移動(dòng)中繼，所以對(duì)移動(dòng)中繼場(chǎng)景的建模與仿真是十分必要的。 圖4 2 4m t o - m 信道的多普勒功率譜 坐蠣 f1 赤 n雙 m i m o 無(wú)線信道建模與仿真研究 下面對(duì)m t o - m 信道的時(shí)i 叫相關(guān)性進(jìn)行分村r 及仿真o b s 、m s 均處于移動(dòng)狀態(tài)時(shí)，信道的時(shí)問(wèn)自相關(guān)理論值有如下推導(dǎo)。 毽，所( f ) = e 【g ，( ，+ r ) g ，o ) 】 2 南磊。薈，印o s 舵7 r 石c o s ( ) + 2 7 r 厶c o 義成”o + 卜( 4 ) c o s ( 2 n fc o s ( o r p ) + 刀五e(cuò) o s ( a ) t ) + 奴) 】 2 擊磊，研c o s ( 2 萬(wàn)石c 。s ( ) + 2 萬(wàn)厶c 。s ( 尾m 】 將斷( f ) 繼續(xù)化簡(jiǎn)為： r g ，g lp ) - 擊e 【- 善c o s ( 2 萬(wàn)石c o s ( ) ) 善c o s ( 2 萬(wàn)厶c o s ( 尾) ) 力 - es i n ( 2 萬(wàn)石c o s ( ) f ) s i n ( 2 x f 2c o s ( , ) ) r ) i 2 詈fc o s ( 2 萬(wàn)石c o s 幢) f 矽口吉f r c o s ( 2 萬(wàn)厶c o s ( ) f ) d ( 4 - 1 5 ) 詈fs i n ( 2 萬(wàn)石c o s 他) f 矽口寺c r s i n ( 2 萬(wàn)以c o s ( ) f ) d f l = 山( 2 7 r f r ) j o ( 2 萬(wàn)厶r ) 定義口= f ：f , ，分別在口= o ，0 5 ，1 三種速度關(guān)系下進(jìn)行時(shí)間相關(guān)性仿真。 r - o o u o 3 t i m e ( s e c o n d ) 圖4 2 5m - t o - m 信道的自相關(guān)函數(shù) 第四章w i n n e ri i 信道模型的仿真 5 1 通過(guò)m 。t o m 信道情況時(shí)對(duì)w i n n e r 信道系數(shù)產(chǎn)生公式修正，在三種速度關(guān) 系下對(duì)信道時(shí)聞相關(guān)性進(jìn)行仿真如圖4 。2 5 所示，該信道仿真縟到相關(guān)性的變化趨 勢(shì)( 虛線) 同理論分析曲線接近，驗(yàn)證了擴(kuò)展模型的正確性。 4 4m i m o 信道容量對(duì)比 本節(jié)對(duì)w i n n e r i i 模型在信道容量方面的應(yīng)用進(jìn)行介紹和分析。信道容量是 衡量m i m o 系統(tǒng)性能的主要指標(biāo)之一。因此，通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真來(lái)獲褥實(shí)際環(huán)境下 m i m o 系統(tǒng)的信道容量無(wú)論對(duì)m i m o 新技術(shù)的研發(fā)還是對(duì)m i m o 應(yīng)焉系統(tǒng)的設(shè) 計(jì)都具有重要的意義。 m i m o 鏈路的信道容量【4 1 h 刪 c = t 。g ： d e t ( 五+ 詈玨囂蓐) 磐器，s ，曩r z p t 6 ， 設(shè)h 的秩為憊，即r a n k ( h ) =