（通信與信息系統(tǒng)專業(yè)論文）mimo無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 無線信道的特性；同時，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，進行相應(yīng)的仿 真，以便評估各種處理算法的優(yōu)劣和系統(tǒng)性能的好壞。因此，對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。其次詳細介紹w i n n e ri i 信道模型所支持 的場景，信道建模方法及信道參數(shù)和信道系數(shù)產(chǎn)生的詳細步驟，模型適用范圍等 w i n n e ri i 信道建模的具體問題，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)模塊說明以及對w i n n e ri i 信道模型仿真結(jié)果的詳細分析，并將w i n n e ri i 信道 建模擴展到移動一移動信道場景，給出了該信道場景下修正的信道系數(shù)計算公式。 最后，利用w i n n e ri i 信道仿真的結(jié)果對m i m o 信道容量進行了分析和研究，證明 了m i m o 信道的容量優(yōu)勢。 關(guān)鍵詞：m i m 0 信道建模w i n n e ri i移動一移動信道容量 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 學位論文創(chuàng)新性聲明 本人聲明所呈交的論文是我個人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進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)表或撰寫過的研究成果；也不包含為獲得西安電子科技大學或 其它教育機構(gòu)的學位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做 的任何貢獻均已在論文中做了明確的說明并表示了謝意。 申請學位論文與資料若有不實之處，本人承擔一切相關(guān)責任。 本人簽名： 日期幽：墮：! 里 西安電子科技大學 關(guān)于論文使用授權(quán)的說明 本人完全了解西安電子科技大學有關(guān)保留和使用學位論文的規(guī)定，即：研究生 在校攻讀學位期間論文工作的知識產(chǎn)權(quán)單位屬西安電子科技大學。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署名單位仍然為西安電子科技大學。學 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?？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)爭汕 第一章緒論 第一章緒論 移動通信技術(shù)是最具發(fā)展?jié)摿蛷V闊市場前景的熱點技術(shù)之一。到目前為止， 移動通信技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了三代，第一代移動通信( 1 g ) 為模擬通信，給人們開 辟了移動通信的嶄新天地；第二代移動通信( 2 g ) 為數(shù)字通信，讓普通人享受到 了移動通信的方便和益處；第三代移動通信( 3 g ) 為準寬帶移動通信，能提供基 本的數(shù)據(jù)和多媒體業(yè)務(wù)?？梢哉f，移動通信已深刻地影響了人們的生活方式，為 社會進步、經(jīng)濟發(fā)展做出了巨大的貢獻。而3 g 在傳輸速率、服務(wù)質(zhì)量、無縫傳 輸?shù)确矫娴木窒扌砸矊⑷找骘@露出來，勢必需要帶寬更寬的無線系統(tǒng)。未來移動 通信必定是容量更大、速率更高、功能更強的寬帶移動通信系統(tǒng)。目前，國際化 標準組織正在推動無線傳輸速率從2 m b s 向1 0 0 m b s ( b 3 g ) 的目標發(fā)展【l j ?？?以看到，競爭的加劇進一步推動了技術(shù)的發(fā)展，從而使移動通信寬帶化的步伐不 斷加快，為迎接移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)時代的到來奠定了堅實的技術(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 無線通信技術(shù)是天線分集與空時處理技術(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，運用先進的無線傳輸與信號處理技術(shù)，利用無線信道的多徑傳 播，因勢利導(dǎo)，開發(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， 為無線通信勾畫出了美好的前景。m i m o 系統(tǒng)利用無線信道的多徑傳播特性，開 發(fā)空間資源，建立空間并行矩陣傳輸通道，通過空時聯(lián)合處理達到提高無線通信 系統(tǒng)的容量與可靠性的目的。目前全世界有許多學術(shù)機構(gòu)、大公司( 主要分布在 歐洲和北美國家) 正在對m i m o 技術(shù)展開更加深入的研究。 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 無線信道的空時特性成為當前研究的焦點之一1 2 j 。m i m o 系統(tǒng)大容量的實現(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，特別是各個天線之間的相關(guān) 性。最初對m i m o 系統(tǒng)性能的研究與仿真通常都是在獨立信道的假設(shè)下進行的，這 與實際的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)級和鏈路級仿真的 m i m o 無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估系統(tǒng)性能就變得相當重要了。在 理論研究的基礎(chǔ)上，國際上很多研究機構(gòu)已積極構(gòu)建m i m o 實驗平臺進行了廣泛的 現(xiàn)場測試與評估，不斷推動m i m o 技術(shù)的發(fā)展，并開始標準化m i m o 無線傳播信道 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 項目的w p 5 信道模型5 】【6 1 ( 本文簡稱為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，此后各國學者相繼開始了對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)表對空間信道模型的綜述文章到目前為止，已有大量文獻對該領(lǐng)域進行了深入 研究。目前，國際上很多科研院校與商業(yè)機構(gòu)都爭相對m i m o 信道進行深入研究。 伯克利加州大學電子工程與計算機科學系d a v i d t s e 教授主要研究m i m o 無線 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 大學電子與計算機工程系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 】。 猶他州楊百翰大學電子與計算機工程系無線研究組的j w w a l l a c e 與 m a j e n s e n 教授從事天線、無線傳播、m i m o 信道建模等研究，建立了m i m o 實 驗平臺，進行了大量信道測試。 弗吉吉亞理工大學移動和便攜無線電m p r g 研究小組t s r a p p a p o r t 博士從事 無線通信、信道模型與智能天線研究。 在國內(nèi)，清華大學等高校與中興通訊、華為公司等企業(yè)以及一些研究所等機 構(gòu)也在積極進行m i m o 技術(shù)的研究，對m i m o 信道進行了大量的研究和現(xiàn)場測 試，提出了多種編碼算法與信道模型。 在理論研究的基礎(chǔ)上國際很多研究機構(gòu)不斷積極推動m i m o 信道技術(shù)的研 究，并逐步將m i m o 無線傳播信道模型標準化、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，還有國際電信聯(lián)盟提出的l t u 信道模型等。 1 3 論文的研究內(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w i n n e ri i 信道模型在m t o m 信道情況下進行了完善，主要工作為w i n n e ri i 信道模型的軟件實現(xiàn)。在實現(xiàn)過 程中對w i n n e ri i 信道模型實現(xiàn)中難點提出了解決方案，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。 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 信道模型實現(xiàn)，首先給出仿真流程及仿真函數(shù)模塊說明， 然后重點對w i n n e ri i 信道模型的仿真結(jié)果進行分析，包括信道參數(shù)和信道系數(shù) 生成的仿真結(jié)果分析，信道空時相關(guān)性結(jié)果分析，其次詳細介紹了針對w i n n e r i i 信道模型的擴展：在m t o m 場景下，對w i n n e ri i 信道模型信道系數(shù)生成公 式進行修正。最后，利用仿真產(chǎn)生的信道系數(shù)對m i m o 信道容量進行分析，仿真 結(jié)果說明了m i m o 信道的優(yōu)勢。 第五章：結(jié)論與展望，對本文研究工作進行總結(jié)并對后續(xù)工作進行展望。 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 無線信道【1 1 】通常是一個富有多徑的復(fù)雜散射信道，其多徑傳播導(dǎo)致信號在不 同維度上擴展，環(huán)境的多樣性與易變性使得無線信道具有很大的隨機性與時變性， 這都給無線信道分析與建模帶來一定的難度，尤其是對于多天線m i m o 無線信道 建模。m i m o 信道在空間維度上的擴展是對傳統(tǒng)s i s o 信道的一個挑戰(zhàn)，m i m o 系統(tǒng)利用無線信道的多徑傳播，開發(fā)空間資源，建立空間并行矩陣傳輸通道，通 過空時聯(lián)合處理提高無線通信系統(tǒng)的容量與可靠性。 假定一個點對點m i m o 系統(tǒng)有坼根發(fā)射天線，m 矸根接收天線。對于離散時 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 信道下第歹個接收天線到第f 個接收天線之間的時變脈沖響應(yīng)。 州) 。明辦( r e ) , r 加 f ，)( 2 - 2 ) g ；? ( ) g ：? ( ) f ( f f7 ) dr d 矽dg z 若發(fā)送信號為s ( ，) ，則接收信號為y ( t ) 為 j ，( ，) = ih ( t ，r ) s ( t - - z 矽r + 刀( f ) * ( 2 - 3 ) 6 m i m o 無線信道建模與仿真研究 2 1 無線信道傳播特性 無線傳播環(huán)境是影響無線通信系統(tǒng)的基本因素。發(fā)射機與接收機之間的無線 傳播路徑非常復(fù)雜，從簡單的視距傳播，到遭遇各種復(fù)雜的地物( 如建筑物，山 脈和樹枝等) 所引起的反射、繞射和散射傳播等。無線信道不像有線信道那樣固 定并可預(yù)見，而是具有極度的隨機性。而且，移動臺相對于發(fā)射臺移動的方向和 速度，甚至收發(fā)雙方附近的移動物體也對接收信號有很大影響。因此，可認為無 線的傳播環(huán)境是一種隨時間、環(huán)境和其他外部因素而變化的傳播環(huán)境。 通常，無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距離( 幾百米甚至更長) 內(nèi) 接收信號強度的緩慢變化。小尺度衰落由于同一傳輸信號沿兩個或多個路徑傳播， 以微小的時間差達到接收機而相互干涉引起的，這些波稱為多徑波。 本節(jié)將詳細描述無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)，小尺度的時間、頻率、空間選擇性衰落以及信道的一階、二階統(tǒng)計特性等。 上述這些特性對于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)描述無線信道的大尺度傳播特性。理論和測試的傳播模 型指出，無論室內(nèi)或室外信道，平均接收信號功率隨距離的對數(shù)衰減。對于任意 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的速率；以為近地參考距離， d 為t - r 距離。 上述的對數(shù)距離損耗模型并沒有考慮在相同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。測試表明，對任意的d 值，特定位置的路徑損耗p l ( d ) 為隨機對數(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變量，單位拈，標準差為仃，單位也是如。 對數(shù)正態(tài)陰影意味著在傳播路徑上，具有相同t - r 距離時，不同的隨機陰影 效應(yīng)。這種現(xiàn)象叫做對數(shù)正態(tài)陰影。對數(shù)正態(tài)陰影意味著在特定t - r 距離的測試 第二章m i m o 信道模型概述 7 信號電平服從式( 2 4 ) 的正態(tài)分布。 2 1 2 信道的色散與選擇性衰落 由于無線信道的多徑、發(fā)射端或接收端的運動以及不同的散射環(huán)境等，使得無 線信道在時間上，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。信號經(jīng)過信道后，分別形成了頻率選擇 性衰落，時間選擇性衰落和空間選擇性衰落，并分別產(chǎn)生了時延擴展、多普勒擴 展和角度擴展。 1 時間色散與頻率選擇性 時間色散和頻率選擇性是由于不同時延的多徑信號疊加所產(chǎn)生的效果，依賴于 發(fā)射機、接收機和周圍環(huán)境之間的幾何關(guān)系。這兩種效應(yīng)是同時出現(xiàn)的，只是表 現(xiàn)的形式不同。時間色散體現(xiàn)在時域，就是把發(fā)送端的信號沿時間軸展開，使接 收信號的持續(xù)時間比發(fā)送該信號的持續(xù)時間長：頻率選擇性體現(xiàn)在頻域，是指對 發(fā)送信號產(chǎn)生濾波作用，使信號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的分量其衰落相差很大。時延擴 展用來描述信道的時間色散性。具體的參數(shù)有平均附加時延、r m s ( r o o tm e a n s q u a r e ) 時延擴展。 平均附加時延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 個多徑的衰落因子，p ( r k ) 為時延點靠上多徑衰落的相對功率。 r m s 時延擴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 _ 。：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 ) 信道幅度譜測試 載頻和速度對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，其中磊 為載波波長，氣= 則 ，c 岐。辮2 e | c 可看到速度v 和載頻z 對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 無線信道建模與仿真研究 圖4 9 不同移動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 場景觸發(fā)開關(guān)選取置c 1 場景通道一，載頻6 g h z ，不同的移動速度下信道幅度 比較如圖4 9 。 場景觸發(fā)開關(guān)選取置c 1 場景通道一，移動速度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 對應(yīng)的衰落周期的個數(shù)遠大于v c = 3 0 砌廳對應(yīng)的衰落周 期的個數(shù)。同理，載頻越高，同一段時問內(nèi)信道衰落的越快，如圖4 9 、1 1 4 1 0 所 示。 c l 場景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 。建模時第一徑的信號是從發(fā)射端以直線距離、毫 無阻礙的到達接收端( 即為l o s ) ，對應(yīng)于整個信道上的包絡(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 曲線可以看到對于l o s 徑幅度模值遠遠大于其他徑。 當置k = 0 即k d b = 瑚時，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 情況時的k 因子置為o 時，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 訓池c 嘣p ) 圖4 1 3l o s 情況時將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)和時延擴散，沒有考慮到空間參數(shù)， 如波達方向和角度擴展。接收端的角度擴展是指多徑信號到達天線陣列的到達角 度的展寬。同樣，發(fā)射端的角度擴展指的是由多徑的反射和散射引起的發(fā)射角展 寬。角度擴展給出接收信號主要能量的角度范圍，產(chǎn)生空間選擇性衰落，意即信 號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、波束離開角和到達角、離開 角和到達角的延遲擴展。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 束離開角、離開角的延遲擴展不變，只有移動側(cè)天線之間的距離、波束到達角、到 達角的延遲擴展的變化和多個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 波達角下m s 天線問距與相關(guān)系數(shù)之間的關(guān)系， 不同m s 角度擴展下天線間距與相關(guān)系數(shù)的關(guān)系。可以看到信道的相關(guān)系數(shù)與天線 間距、波達角、角度擴展有著直接的聯(lián)系。對于同一條曲線，天線間距越大，信 道相關(guān)系數(shù)越小，對于不同曲線波達角度擴展越寬，即波達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 波達角與天線間距角度關(guān)系 o 圖4 1 7 角度擴展與信道容量之間的關(guān)系 信道的時間相關(guān)性體現(xiàn)信道時變特性。仿真選取c 2 場景( 城市宏小區(qū)) ，u e 移動速度v = 3 0 k m h ，載波頻率f = 5 g h z 。 w i n n e ri i 信道的時間自相關(guān)與理論曲線的對比結(jié)果如圖4 1 8 ，可以看出實際 曲線與理論曲線趨勢較為相近。實際值波動小于理論值，這是由于理論上對時間 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，但在實際仿真過程中 是要受空間互相關(guān)性和子徑相位影響的，所以實際值低于理論值。 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 信道模型中不同場景有與其場景特點相對應(yīng)的角度擴展值，如d 1 場景b s 側(cè)角度擴展為2 。，m s 傾j j 角度擴展值為3 。，而b 1 場景n l o s 情況b s 側(cè)角度擴 展為1 0 。，m s 側(cè)角度擴展為2 2 。b l 場景為城市微小區(qū)，b s 高度低于建筑物高度， 所以同其他場景相比b s 側(cè)角度擴展較大，m s 側(cè)的散射環(huán)境更為復(fù)雜，所以m s 側(cè) 的角度擴展相對較大。 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 無線信道建模與仿真研究 選取d 1 場景，4 4 天線配置，天線均勻線性陣列排列。b s 處天線問隔為 【o51 01 5 1 2 ，m s 處天線間隔為：【oo 51 1 5 1 2 ，d 1 場景共有1 0 + 4 條徑，隨機選取 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 場景共有1 6 + 4 條徑，隨機選取 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。對于均勻線性陣列，天線之間的距離越遠，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 天線問的相關(guān)性，這是由于室外場景b s 處散射 體分布較少，而m s 處散射體環(huán)境相對豐富，導(dǎo)致m s 空問相關(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 信道模型的擴展m t o m 信道的建模方法。 移動移動信道( 以下稱m t o m 信道) 情況，即發(fā)送端和接收端均處于運動 狀態(tài)的信道場景。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a d h o e 網(wǎng)絡(luò)及移動中繼的蜂窩無線通信系統(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 移動信道示意網(wǎng) 在m - t o m 信道中，t x ，r x 均處于運動狀態(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)過若干散射體多徑分量疊加后的信號。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 對于收發(fā)兩端均處于運動狀態(tài)的m t o - m 信道，其建模原理如圖4 2 2 。處理方法： 將每個散射體看作一個基站，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 的移動速度分別為h 、毪，則z = 強以、石= 屹7 五。 接收端收到的信號可寫為 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 無線信道建模與仿真研究 4 3 2 擴展到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景都是基于傳統(tǒng)蜂窩無線信道( f t o m 信道) 的建模，w i n n e r 計劃在其2 0 0 6 年的技術(shù)報告中，用了1 0 0 多頁的篇幅專門介 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。通過在傳統(tǒng)單基站 式的蜂窩小區(qū)中添加固定中繼節(jié)點的方式，w i n n e r 計劃提出將一個小區(qū)分成數(shù) 個微小區(qū)，如圖4 2 3 所示。其中包括一個以基站為接入點的微小區(qū)和數(shù)個以中繼 為接入點的中繼增強型微小區(qū)。由于位置的差異，同一小區(qū)中的用戶將會有不同 的接入點。以基站為接入點的用戶和以中繼為接入點的用戶在頻譜資源的分配和 幀結(jié)構(gòu)的設(shè)計上也會有所差異。 固定無線中繼在覆蓋和容量等方面有著巨大的優(yōu)勢，但中繼個數(shù)和中繼放置 的位置成為固定中繼的影響因素，在未來的無線網(wǎng)絡(luò)中，還有一些應(yīng)用場景需要使 用可移動的中繼節(jié)點?？梢苿又欣^相對于固定無線中繼來說適合一些更加特殊的 應(yīng)用場景。比如對高速移動的列車進行覆蓋，用戶始終通過車上中繼節(jié)點接入網(wǎng)絡(luò)， 而中繼節(jié)點負責將信號轉(zhuǎn)發(fā)到鐵路沿線的基站上。這樣，當列車在行駛過程中，用 戶始終由一個中繼節(jié)點提供服務(wù)，這種場景也符合w i n n e r 信道模型d 2 a 場景的描 述不需要進行切換，切換只在中繼節(jié)點和鐵路沿線的基站之間進行。這就避免了 數(shù)量龐大的用戶同時獨立進行切換操作帶來的大量突發(fā)信令，提高了切換成功率， 改善了服務(wù)質(zhì)量?？梢苿又欣^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現(xiàn)多空間分集、用戶分集的增益。用這 種方式構(gòu)架移動網(wǎng)絡(luò)長期以來一直有很多爭論，其中包括信息安全問題、用戶電池 的消耗問題等。但在實際應(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，則上述問題并不會成為瓶頸。 圖4 2 3w i n n e ri i 信道模型中繼場景 本文根據(jù)文獻 3 4 1 q b 對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 場景下信道系數(shù)產(chǎn)生的公式進行修正。 設(shè)移動a p 的速度為麓，角度為e ，u 的移動速度為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 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 項目的w p 5 工作組并未對m t o ，m 信道場景，如移動中繼的 信道情況進彳亍大量的現(xiàn)場測量，并給出相應(yīng)的簡化模型c d l 模型。移動中繼羈固 定中繼相比較，也有其特定優(yōu)勢，如當小區(qū)用戶隨機分布、且用戶數(shù)較多的情況 下，應(yīng)該采用移動中繼，所以對移動中繼場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 無線信道建模與仿真研究 下面對m t o - m 信道的時i 叫相關(guān)性進行分村r 及仿真o b s 、m s 均處于移動狀態(tài)時，信道的時問自相關(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 o s ( a ) t ) + 奴) 】 2 擊磊，研c o s ( 2 萬石c 。s ( ) + 2 萬厶c 。s ( 尾m 】 將斷( f ) 繼續(xù)化簡為： r g ，g lp ) - 擊e 【- 善c o s ( 2 萬石c o s ( ) ) 善c o s ( 2 萬厶c o s ( 尾) ) 力 - es i n ( 2 萬石c o s ( ) f ) s i n ( 2 x f 2c o s ( , ) ) r ) i 2 詈fc o s ( 2 萬石c o s 幢) f 矽口吉f r c o s ( 2 萬厶c o s ( ) f ) d ( 4 - 1 5 ) 詈fs i n ( 2 萬石c o s 他) f 矽口寺c r s i n ( 2 萬以c o s ( ) f ) d f l = 山( 2 7 r f r ) j o ( 2 萬厶r ) 定義口= f ：f , ，分別在口= o ，0 5 ，1 三種速度關(guān)系下進行時間相關(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m 。t o m 信道情況時對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) 系下對信道時聞相關(guān)性進行仿真如圖4 。2 5 所示，該信道仿真縟到相關(guān)性的變化趨 勢( 虛線) 同理論分析曲線接近，驗證了擴展模型的正確性。 4 4m i m o 信道容量對比 本節(jié)對w i n n e r i i 模型在信道容量方面的應(yīng)用進行介紹和分析。信道容量是 衡量m i m o 系統(tǒng)性能的主要指標之一。因此，通過計算機仿真來獲褥實際環(huán)境下 m i m o 系統(tǒng)的信道容量無論對m i m o 新技術(shù)的研發(fā)還是對m i m o 應(yīng)焉系統(tǒng)的設(shè) 計都具有重要的意義。 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 ) =