多天線無(wú)線信道仿真與建模方法

1、TELECOMMUNICATIONS NETWORK TECHNOLOGY No. 10NETWORK TECHNOLOGY多天線無(wú)線信道仿真與建模方法杜加懂林輝播 要 多入多出（MIMO）技術(shù)由于可以提高頻譜利用率、系統(tǒng)容量和通信質(zhì)董而被3G和 B3G/4G系統(tǒng)所采用，選擇合適的信道仿真模型對(duì)于測(cè)試MIMO技術(shù)在系統(tǒng)中的性能也就越來(lái)越 重要。本丈介紹了 MIMO信道各種仿真與建模方法。關(guān)鍵詞 MIMO 信道模型SCME B3G/4G 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserve

2、d. http:.,/wv%-ki.nclTELECOMMUNICATIONS NETWORK TECHNOLOGY No. 10NETWORK TECHNOLOGY 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:.,/wv%-ki.nclTELECOMMUNICATIONS NETWORK TECHNOLOGY No. 10NETWORK TECHNOLOGY171引言新一代移動(dòng)通信（B3G/4G）將可以提供高達(dá) 100Mbit/s甚至更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，支持的業(yè)

3、務(wù)從語(yǔ) 音到多媒體，包括實(shí)時(shí)的流媒體業(yè)務(wù)。數(shù)據(jù)傳輸速率 可以根據(jù)這些業(yè)務(wù)的需要而動(dòng)態(tài)調(diào)整。但是又要求所 花費(fèi)用盡可能的低，這就需要提高頻譜利用率，在有 限的頻譜上實(shí)現(xiàn)通信的高速率、大容疑和高質(zhì)量。 MIMO技術(shù)充分開(kāi)發(fā)了無(wú)線信道的空間特性，可以在 不增加頻譜資源和發(fā)射功率的情況下，大幅度地提高 頻帶利用率、系統(tǒng)容量和業(yè)務(wù)的可靠性?，F(xiàn)在,MIMO 技術(shù)已經(jīng)被3GPP的髙速下行分組接入技術(shù) （HSDPA）、無(wú)線局域網(wǎng)（WLAN）IEEE802.11和無(wú)線城 域網(wǎng)（WMAN）IEEE802.16標(biāo)準(zhǔn)所采用。任何無(wú)線通信系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)都需要指定一個(gè)信道 模型作為性能評(píng)估和比較的基礎(chǔ)，而該模型必須充分 體現(xiàn)

4、岀目標(biāo)應(yīng)用信道的各種待性。由于MIMO技術(shù)優(yōu) 勢(shì)是建立在空間特性的利用上，所以MIMO的信道模 型必須充分模擬信道的各種空間待性。2 MIMO信道模型的發(fā)展在早期MIMO信道模型研究中，為簡(jiǎn)化分析，通 常假設(shè)天線陣列周?chē)嬖诖罅可⑸湮?，且天線元間距 大于半波長(zhǎng)，不同天線的信遭衰落是不相關(guān)的。在仿 真中通常利用3GPP中的TU信道來(lái)模擬MIMO信杜加fll北京交通大學(xué)現(xiàn)代通信研究所研究生在讀林輝信息產(chǎn)業(yè)部電信研究院通信標(biāo)準(zhǔn)研究所助理工程師 道，各個(gè)TU信道是獨(dú)立產(chǎn)生，相互之間獨(dú)立，即相關(guān) 系數(shù)為零隨著MIMO信道研究的發(fā)展和趨于成熟，人們發(fā) 現(xiàn)隨著MIMO信道相關(guān)性逐漸增強(qiáng),MIMO信道的容 量

5、將急劇下降。當(dāng)信道存在相關(guān)性時(shí)，早期部分將 MIMO技術(shù)研究成果應(yīng)用于無(wú)線通信系統(tǒng)中時(shí)，性能 將急劇降低甚至于不能正常工作，而在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中具 有相關(guān)性或相關(guān)性強(qiáng)的MIMO信道環(huán)境又大量存在, 所以在M1MO信道的研究中要考慮建立接近實(shí)際信 道環(huán)境的MIMO信道模型。下面簡(jiǎn)要介紹在3G以及 B3G/4G系統(tǒng)中采用的MIMO信道模型。3GPP在TR25.996中提岀的SCM信道模型是為 載頻2GHz、帶寬5MHz系統(tǒng)設(shè)計(jì)的，它是基于散射隨 機(jī)假設(shè)建立的信道模型，基本原理是利用通過(guò)統(tǒng)計(jì)得 到的信道特性，如時(shí)延擴(kuò)展、角度擴(kuò)展等來(lái)得到信道 系數(shù)并通過(guò)在公式中引入天線間距得到信道之間的 相關(guān)性，主要定義了

6、 3種場(chǎng)景，即市郊宏小區(qū)、市區(qū)宏 小區(qū)和市區(qū)微小區(qū)。在3GPPLTE中采用的也是這種 SCM信道模型，只不過(guò)實(shí)現(xiàn)方法從原來(lái)的基于幾何統(tǒng) 計(jì)法簡(jiǎn)化成為相關(guān)矩陣法。在未來(lái)B3G/4G系統(tǒng)中所采用的SCME信道模 型是SCM信道模型的擴(kuò)展。擴(kuò)展保持簡(jiǎn)便性和向后 兼容性，即SCME信道模型要能夠向后兼容SCM,這 樣就保持了模型的一致性和可比性。信道擴(kuò)展是因?yàn)?在IMT-Advanced系統(tǒng)中帶寬擴(kuò)大到20-100MHz,所 需要的抽樣頻率也大大提高，每條鏈路能分辨的延遲 數(shù)目也隨之增大,SCM模型6條延遲路徑不再滿足系 統(tǒng)的需要。在歡盟WINNER項(xiàng)目中，采用的是WINNER信 道模型。它的原理以及

7、建模方法同SCME 一樣，采用 的是射線疊加法。它利用信道的統(tǒng)計(jì)特性在移動(dòng)臺(tái)和 基站周?chē)錾⑸潴w組，來(lái)模擬實(shí)際電磁波的反射、折 射等，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)際信道的模擬。在丹佛舉行的第20次ITU-R WP8F會(huì)議上討論 并通過(guò)了由愛(ài)立信、諾基亞和西門(mén)子聯(lián)合提交的關(guān)于 IMT Advanced MIM O信道模型。此信道模型是從 WINNER信道模型發(fā)展而來(lái)，只是對(duì)于應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行 了重新的定義以及各個(gè)場(chǎng)景的參數(shù)做了相應(yīng)的改動(dòng)， 其基本的建模方法并沒(méi)有發(fā)生變化，采用的是基于幾 何統(tǒng)計(jì)建模方法。在未來(lái)MIM0信道的建模中，在靜態(tài)考慮各個(gè)信 道之間的相關(guān)性的基礎(chǔ)上，還會(huì)引入移動(dòng)臺(tái)以及散射 體移動(dòng)對(duì)信道的影響，

8、也就是所說(shuō)的動(dòng)態(tài)MIM0信道 建模。隨著移動(dòng)臺(tái)和散射物體的移動(dòng)，接收和發(fā)射角 度（即DOA和AOA）會(huì)時(shí)時(shí)發(fā)生變化,信道的角度功 率譜的改變會(huì)使信道之間的相關(guān)性發(fā)生相應(yīng)地改變， 動(dòng)態(tài)建模就是要跟蹤這種變化從而更加精確地模擬 實(shí)際環(huán)境中MIM0信道。3 仿真模型建立方法MIM0信道模型主要分3類(lèi)，即統(tǒng)計(jì)性模型（經(jīng) 驗(yàn)?zāi)Ｐ停⒋_定性模型和半確定性模型。3.1統(tǒng)計(jì)性模型統(tǒng)計(jì)性模型是基于信道各種統(tǒng)計(jì)待性建立的信道 模型。在實(shí)際傳播環(huán)境中,存在著大量具有相同或相似 傳播特性的小區(qū)，對(duì)這些小區(qū)進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，歸納出信 道各種重要的統(tǒng)計(jì)特性（如時(shí)延擴(kuò)展、角度擴(kuò)展等）及 信道參數(shù)的概率密度分布，利用這些統(tǒng)計(jì)信息

9、建立適 用范圍較廣的空間信道模型。典型方法如基于試驗(yàn)測(cè) 堆的沖激響應(yīng)法,這是一種完全隨機(jī)的方法。統(tǒng)計(jì)性模型的優(yōu)點(diǎn)在于模型的復(fù)雜度較低，具有 一定的通月性；缺點(diǎn)是和實(shí)際的信道有較大偏差，這 是因?yàn)槟Ｐ偷母鞣N參數(shù)是用各自統(tǒng)計(jì)特性隨機(jī)生成, 隨機(jī)生成的參數(shù)和實(shí)際測(cè)量的參數(shù)可能會(huì)有比較大 的差別。這類(lèi)模型主要有李氏模型、離散均勻分布模型、 高斯廣義穩(wěn)態(tài)非相關(guān)散射模型等。32確定性模型隨著移動(dòng)用戶和移動(dòng)業(yè)務(wù)的增加，微蜂窩、微微 18 蜂窩系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用，這些系統(tǒng)的小區(qū)半徑大大減 小，小區(qū)間的統(tǒng)計(jì)相似性消失，從而使傳統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)模 型失效。因此，必須建立有效的、精確的電波傳播預(yù)測(cè) 模型來(lái)分析這些系統(tǒng)內(nèi)電波傳

10、播特性。確定性模型就 是為了滿足這種需求建立起來(lái)的。確定性模型是基于實(shí)際環(huán)境測(cè)量建立的信道模 型。它要求得到信道環(huán)境的詳細(xì)信息，如建筑物和自 然界物體（石頭、樹(shù)木等）精確的位置、大小以及分布 等。礎(chǔ)定性模型的基本思想就是如果傳播環(huán)境的詳細(xì) 信息可以得到，那么無(wú)線傳播就可以看成一個(gè)確定過(guò) 程；它可以確定空間任一點(diǎn)的各種空時(shí)特性。這類(lèi)信 道模型主要用于小區(qū)規(guī)劃。硝定性模型實(shí)現(xiàn)方法主要有射線跟蹤技術(shù)、幾何 繞射和一致性劈繞射理論的方法，以及時(shí)域有限差分 （FDTD）法。目前，運(yùn)用最為廣泛的是基于幾何光學(xué)和 一致性幾何繞射理論的射線跟蹤技術(shù)。射線跟蹤的基 本思想是：將發(fā)射點(diǎn)視為點(diǎn)源，其發(fā)射的電磁波作為

11、 向各個(gè)方向傳輸?shù)纳渚€，對(duì)每條射線進(jìn)行跟蹤，在遇 到阻礙物時(shí)按反射、折射或繞射來(lái)進(jìn)行場(chǎng)強(qiáng)計(jì)算，在 接收點(diǎn)將到達(dá)該點(diǎn)的各條射線合并，從而實(shí)現(xiàn)傳播預(yù) 測(cè)。射線跟蹤可以得到每條路徑的幅度、時(shí)間延遲和 到達(dá)角，以預(yù)測(cè)信號(hào)電平、時(shí)域色散和信道沖激響應(yīng), 隨之一系列參數(shù)如功率延遲譜、均方根延遲擴(kuò)展和相 關(guān)帶寬等就可確定。射線追蹤技術(shù)還能夠結(jié)合天線的 輻射圖，分別考慮輻射圖對(duì)每條射線的影響。射線追蹤法雖然能很精確地模擬出空間信道，但 是它需要對(duì)特定的環(huán)境生成電子地圖，然后對(duì)每個(gè)位 置計(jì)算無(wú)線電傳播特征，建立數(shù)據(jù)庫(kù)，供仿真程序調(diào) 用，這就會(huì)造成沉重的計(jì)算負(fù)擔(dān)，并且實(shí)際中難于獲 得詳細(xì)的地形和建筑的數(shù)據(jù)庫(kù)，從而

12、使射線追蹤法實(shí) 現(xiàn)困難。射線追蹤法主要有鏡像法、射線發(fā)射的射線追蹤 技術(shù)和射線管的射線跟蹤技術(shù)等。3.3半確定性模型由于統(tǒng)計(jì)性模型誤差較大而確定性模型復(fù)雜性較 高，實(shí)現(xiàn)較為困難等原因，岀現(xiàn)了介于兩種模型之間的 半確定性模型，半確定性模型是綜合上述兩種模型優(yōu) 點(diǎn)發(fā)展起來(lái)的一種低復(fù)雜性、又能較好符合于實(shí)際環(huán) 境的一種信道模型。半確定性模型的實(shí)現(xiàn)主要有兩種 方法，即基于幾何統(tǒng)計(jì)的信道實(shí)現(xiàn)方法和相關(guān)矩陣法。 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:.,/wv%-ki.

13、ncl網(wǎng)絡(luò)技術(shù)電信網(wǎng)技術(shù)2007年10月第10期口3.3.1基于幾何統(tǒng)計(jì)法基于幾何統(tǒng)計(jì)法是對(duì)確定性模型中的射線追蹤 法的一種簡(jiǎn)化，它不需要詳細(xì)知道信道環(huán)境和對(duì)特定 的環(huán)境生成電子地圖，它根據(jù)一定的統(tǒng)計(jì)特性在基站 和移動(dòng)臺(tái)周?chē)S機(jī)散布散射體組，對(duì)于每一個(gè)散射體 組中散射體要符合測(cè)量統(tǒng)計(jì)出來(lái)特定角度延遲功率 譜(ADPS),每個(gè)散射體組對(duì)應(yīng)信道模型中的一條路 徑，而組中敢射體反射、散射和繞射到接收端的射線 就組成路徑中的各條子路徑。用射線跟蹤法來(lái)確定每 條射線的角度、時(shí)延等信道參數(shù)，在接收端將這些射 線迭加起來(lái)就得到了信道沖激響應(yīng)。迭加公式如下：心 &)= 2 久 e 6(/ 7； 0(0 - O

14、廣 )是第i條路徑中第k條子路徑的路 徑損耗和相位;是第i條路徑時(shí)延，Tk是第k條 子路徑相對(duì)于中心延遲的時(shí)延偏轉(zhuǎn)；0 為第i 路徑角度擴(kuò)展，是第k條子路徑相對(duì)于中心角度 的角度偏轉(zhuǎn)C(1) 基于幾何統(tǒng)計(jì)法的優(yōu)點(diǎn)通過(guò)增加還是移岀直射路徑可以很方便地在 LOS和NLOS之間切換?？紤]了時(shí)延擴(kuò)展，角度擴(kuò)展和正態(tài)陰彫衰落的 相互關(guān)系，包括各自?xún)?nèi)部的關(guān)系。模型受到載頻和幾何結(jié)構(gòu)的限制很少，并且可 以根據(jù)信道參數(shù)的變化做出及時(shí)改變。通過(guò)固定信道參數(shù)可以簡(jiǎn)化模型，也容易產(chǎn)生 信道相關(guān)矩陣，向信道相關(guān)矩陣法過(guò)渡。(2) 基于幾何統(tǒng)計(jì)法的缺點(diǎn)由于大量隨機(jī)參數(shù)的存在，需要大量仿真來(lái)獲 得足夠和準(zhǔn)確的統(tǒng)計(jì)特性。模

15、型是基于片段的，它不能對(duì)信道特性動(dòng)態(tài)變 化的信道進(jìn)行建模?；趲缀谓y(tǒng)計(jì)法的信道模型有SCM信道模型、 SCME信道嘆型、WINNER信道模型。33.2相關(guān)矩陣法相關(guān)矩陣法體現(xiàn)了空間信道之間的相關(guān)性，它利 用實(shí)際測(cè)蛍的數(shù)據(jù)或信道統(tǒng)計(jì)信息得到空間信道的 各種參數(shù)(路徑時(shí)延、出/入射角等)，然后由這些參數(shù) 推出信道空司相關(guān)矩陣。假設(shè)MIMO的實(shí)際信道矩陣為H.那么信道間相 關(guān)矩陣為:R=EHHJ,h表示矩陣Hennitan轉(zhuǎn)置。如果 通過(guò)R得到引入模型的相關(guān)性矩陣氐，根據(jù)矩陣論 相關(guān)知識(shí)可以得到：CgMholeskyCR)，將該矩陣乘以 獨(dú)立衰落隨機(jī)變量D組成的列矢量得到模型信道： 粘兀跡D,那么該

16、信道的相關(guān)陣為：(COT DDHCHOT)=CafrICHcaT=Ro其中,I表示單位陣。從該等式上可以看出，就相關(guān) 性意義上H與監(jiān)是等價(jià)的，由上面推導(dǎo)也可以看岀 相關(guān)矩陣法建立的信道模型能很好地體現(xiàn)岀信道相關(guān)性。建立信道的相關(guān)矩陣主要有兩種方式，即功率相 關(guān)矩陣法和信道協(xié)方差矩陣法。(1) 相關(guān)矩陣法的優(yōu)點(diǎn)模型可以更加緊湊地表示，因?yàn)樵S多影響倍道 的變量被信道相關(guān)矩陣包含，只留下少量變量需要考慮。由于相關(guān)矩陣已經(jīng)包含了許多的影響信道因 素，在計(jì)算相關(guān)矩陣之前這些因素已經(jīng)確定，只有少 量變量(如陰影衰落、小尺度衰落等)需要在每次實(shí)現(xiàn) 的過(guò)程中隨機(jī)產(chǎn)生。信道相關(guān)矩陣在模型中只需計(jì)算一次，有效減

17、少了計(jì)算繪。(2) 相關(guān)矩陣法缺點(diǎn)必須為每種天線結(jié)構(gòu)構(gòu)造岀相關(guān)矩陣，因?yàn)樘?線結(jié)構(gòu)不同，相關(guān)矩陣也不同。 LOS和NLOS信道矩陣相差較大，沒(méi)法平滑過(guò)渡。 時(shí)間相關(guān)性和空間相關(guān)性相獨(dú)立，兩者之間共 同的統(tǒng)計(jì)特性沒(méi)有保留。大范圍參數(shù)(像時(shí)址擴(kuò)展、角度擴(kuò)展等)隨時(shí)間 變化，這在模型中難于表現(xiàn)，因?yàn)檫@些參數(shù)在模型中 包含在倍道相關(guān)矩陣中，并沒(méi)有表現(xiàn)岀來(lái)，所以改變 比較困堆。相關(guān)矩陣法模型主要有3GPPLTE信道模型和 IEEE802.1 In信道模型。在實(shí)際的仿真評(píng)估中，除了那些對(duì)于空間角度特 別敏感的技術(shù)，相關(guān)矩陣法產(chǎn)生的借道模型能滿足大 多數(shù)技術(shù)的需求,對(duì)技術(shù)性能也能做出較好的評(píng)估。4 結(jié)束語(yǔ)本

18、文主要介紹了 MIMO模型建模方法，并說(shuō)明了 各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)和各種方法在各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)組織中的 使用情況。MIMO由于自身的優(yōu)勢(shì)在未來(lái)的移動(dòng)通信 系統(tǒng)必然起到越來(lái)越重要的作用，選擇合適的信道模19 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, http:/. TELECOMMUNICATIONS NETWORK TECHNOLOGY No.10NETWORK TECHNOLOGY淺析移動(dòng)WiMAX技術(shù)的特點(diǎn)與應(yīng)用華希凡馬騏李賓摘 要 介紹了 WiMAX技術(shù)的發(fā)展歷程，分析了移動(dòng)W

19、iMAX技術(shù)的特點(diǎn)和與3G標(biāo)準(zhǔn)的 性能比較，并針對(duì)移動(dòng)WiMAX技術(shù)的特點(diǎn)分析了其所方臨的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。關(guān)鍵詞 WiMAX IEEE802.16無(wú)線寬帶技術(shù) 無(wú)找寬帶接入 20 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/Avv%,ki.nctTELECOMMUNICATIONS NETWORK TECHNOLOGY No.10NETWORK TECHNOLOGY 20 1994-2010 China Academic Journal Electronic Pub

20、lishing House. All rights reserved. http:/Avv%,ki.nctTELECOMMUNICATIONS NETWORK TECHNOLOGY No.10NETWORK TECHNOLOGY1 WiMAX簡(jiǎn)介WiMAX (Worldwide Interoperability for Micro wave Access)基于IEEE802.16標(biāo)準(zhǔn)，它正迅速發(fā)展并將在 無(wú)線城域網(wǎng)中扮演重要角色。WiMAX技術(shù)作為世界 無(wú)線通信協(xié)議家庭中的重要一員，在整個(gè)無(wú)線通信標(biāo) 準(zhǔn)中所處位置如圖1所示。WiMAX支持非視距傳播條件下的無(wú)線寬帶接 入，它致力于為無(wú)線網(wǎng)絡(luò)提供

21、低時(shí)延、高質(zhì)量的語(yǔ)音 和數(shù)據(jù)服務(wù)。近兩年來(lái),WiMAX技術(shù)正在迅速發(fā)展， 其發(fā)展進(jìn)程如圖2所示。從2001年10月IEEE制定第一個(gè)版本的802.16 標(biāo)準(zhǔn)到2004年6月的802.16d (現(xiàn)稱(chēng)為IEEE 802.16-2004)均為固定的無(wú)線接入方式，不支持移動(dòng) 性。直到2005年底IEEE發(fā)布R02.16e標(biāo)準(zhǔn)，WiMAX 才擁有性能比校好的移動(dòng)性，移動(dòng)WiMAX也因此引 起了更多制造商和運(yùn)營(yíng)商的興趣和關(guān)注。全球無(wú)統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)1余球不同義范團(tuán)的主蔘無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn) 20 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. Al

22、l rights reserved. http:/Avv%,ki.nctTELECOMMUNICATIONS NETWORK TECHNOLOGY No.10NETWORK TECHNOLOGY 20 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/Avv%,ki.nctTELECOMMUNICATIONS NETWORK TECHNOLOGY No.10NETWORK TECHNOLOGY 20 1994-2010 China Academic Journal E

23、lectronic Publishing House. All rights reserved. http:/Avv%,ki.nctTELECOMMUNICATIONS NETWORK TECHNOLOGY No.10NETWORK TECHNOLOGY型對(duì)于研究系統(tǒng)性能以及MIM0在系統(tǒng)中的應(yīng)用方 式將起到至關(guān)重要的作用。參考文獻(xiàn)1 An Interim Channel Model for Beyond-3G Systems Extending the 3GPP Spatial Channel Model (SCM)* DanielS. Baum et al. Proc. IEEE VTC05, Stockholm, Sweden.May20C52 R4-050854. MSpatial Radio Channel Models for Systems Beyond 3