（通信与信息系统专业论文）基于3gpp+scm的mimo信道建模和信道参数估计.pdf

摘要 m i m o 技术是现代通信技术的重大突破之一，它可以在不增加带宽和发射功 率的情况下提高系统信道容量，也可以通过增加冗余来提高系统的传输可靠性， 作为通信领域关键技术越来越成为研究的热点。 为了便捷的实现m i m o 系统各种关键技术和处理算法的仿真和评估，m l m o 信道模型的搭建是非常需要的。本文研究了由3 g p p 组织所提出的一系列标准化 信道模型( s c m 、w m ri i 等) ，能够实现多种分集技术在不同场景等情况下 的建模。为了实现适用于我国地貌特点的m i m o 信道模型，需要在信道测量的 基础上对信道参数进行提取。目前常用的参数估计算法( e m 、s a g e 算法等) 能够有效的实现小尺度参数( 时延、多普勒、离开角、到达角等) 的估计，相应 的反映信道衰落特性大尺度参数也可以通过统计得到。也就是说，对实测数据经 过一些参数提取、统计分析等一系列工作得到信道的所有特性参数之后，才可以 完整的实现m i m o 信道的建模。本文针对不同分集技术下，m i m o 信道的系统 性能进行了仿真分析；由于m i m o 信道之间的相关性对系统性能有很大影响， 文中最后对m i m o 信道的相关性进行理论推导，并仿真研究了其空时相关性。 关键词：m i m o3 g p pe ms a g e 信道建模参数估计 a bs t r a c t m i m ot e c h l l o l o g yi so n eo f t h em a j o rb r e a 盯o u g h si i lm o d e m c o n 瑚u n i c a t i o 玛 、h i c hc a nn o to n l yi 叫) r o v ec h a l l n e lc 印a c i t yw i t h o u ta d d i t i o 豫ls p e c t r u mb a n d w i d t h 锄dt r 锄s m i t t i n gp o w e 您，b u ta l s oe n c h a n c es y s t e mt 豫n s m i s s i o n 心i i a b i l i t yw i t h a d d i t i o 眦lr e d u n d a n c e ，懿t h e k c yt e c h n o l o g ) r i i lm o d e mc o n 瑚u n i c a t i o ni t i i l c 心a s i n g l yb e c o m e st h eh o t s p o ti i lr e s e a r c h f o r 恤ec o n v e n i e n c eo fs i i n u i a t i o na n de v a l u a t i o no fk e yt e c l l f l o l o g y s 锄d p r o c e s s i i l ga i g o r i t h 傩i l lm i m os y s t e l i i ，i ti sq u i t em c e s s a 呵t 0b u i l dt h em i m o c h a 肌e im o d e l ；t h cp a p c r h a sas t u d yo fas e r i e so fs t 锄d 牡d i z e dm l m o m o d e i s ( s c m ， 嗍r i i ，c t c ) 肿p o s e d b y3 g p po r g 锄妇i o n ，w h i c hc 锄托a l i z ct h em o d e l 吨o f m u h i p l ed i v e r s i t yt e c l l r l 0 1 0 9 y si i l d i 仃- e r e ms c e n a r i o s f o rt h em o d e l i i l go fm i m 0 c h a 肌e i ss u i t a b l ef o ri a n d s c a p ec h 啪c t e r i s t i c si 1 1c h i i l a ，t h e r ei sa 鹏e do fc h a 曲e l p a 豫m e t e r se s t i n l a t i o nd e p e n d i n go nc l l a 衄e lm e 觞u r c m e n t s t h ec o m m o n l yu s e d c h a 肌e lp 撇m e t e 飓e s t i n l a t i o na l g o r i t h 眦( e m ，s a g e ，e t c ) c 锄e 虢c t i v e l ya c h i e v e t l l ee s t i m a t i o no fs m a s c a l ep a r a m e t e 璐，协e r r e s p o n d i n g i yl a r g e a l ep a m m e t e 璐 w h i c hr e p 他s e mc l l a 衄e if a d i n gc i l a r t e m i c sc 锄a l s ob eo b t a 洫e db ys t a t i s t i c a l m e t h o d i n0 t h 盯w o r d s ，c h a 衄e lm o d e l i n gc a nb e 托a l i z e da f t e ras e r i e so fw o r ks u c h 私p a 删眦t e 娼e s t i i i l a t i o na n ds oo l lt i l ep e 响r 眦u k eo fm i m oc h a 衄e is y s t e ml l a s b e e ns i m u i a t e du s i n gd i f r c 聆m d i v e r s i t yt e c l l n o l o g y i i lt 1 1 i s p a p e r 铋c h a e l c o 鹏l a t i o nh 躯as 远n i n c a n t i m p a c to ns y s t e mp e 墒m n c e ， c h a 腑e ic o r r e l a t i o n e x p r e s s i o mh a v eb e e nd e r i v e da tt h ee n da n dt h e 陀i sas i l l l u l a t i o ns t u d yo fs p a c e - t i l i l e c o i t e l a t i o n k e yw o r d s ： m i m 0 ，3 g p 只e m ，s a g e ，c h a 彻e lm o d e l i n g ，p a r a m e t e r s e s t i i n a t i o n 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 进入2 0 0 0 年以来，随着第三代移动通信技术的逐步成熟，有关第四代f o u r t h g e 鹏r a t i o i l 4 g ) 移动通信的研究开发也开始起步。2 0 0 3 年欧盟将后三代( b e y o n d t h 硼g e n e r a t i o n ，b 3 g ) 技术研究列入“第六框架研究计划”。日本和韩国也于2 0 0 2 年分别启动了面向b 3 g 的研究计划。国际上一些著名公司和研究机构也在紧锣 密鼓地开展4 g 超前研究工作，以日本都科摩( d o c o m o ) 公司、美国摩托罗拉 ( m o t o r o l a ) 公司和德国西门子( s i e m e 璐) 公司等为代表的一批企业相继开始研 制面向第四代移动通信( 4 g ) 的无线传输试验系统。与此同时，在我国面向第 四代移动通信系统研究的未来移动通信研究计划( f u n 瓜e ) 被正式列入国家八 六三“十五”研究计划，于2 0 0 2 年正式启动。根据i t u 的规划，w r c 0 7 己为 4 g 移动通信系统指定了频谱，2 0 1 0 年左右完成4 g 标准化制定，2 0 1 2 年后，4 g 移动通信系统逐步具备商用化能力。2 0 0 5 年1 0 月i t u 将4 g 系统正式命名为 i m a d v a n c e d 。 。早期关于多天线技术的研究中可以知道：在发送端或接收端使用多天线的天 线阵列技术可以增加分集的效果，在很大的程度上对系统的性能会有所提高；更 有文献【l - 2 j 中明确的指出：只要信道中的非相关散射径足够的话，在收发端使用 多天线技术可以使信道容量与天线阵列中阵元的数量呈现近似的线性关系；此 外，很多学者也发表文章【n 】验证了多天线技术队系统性能的显著提高。因此 i m a d v a n c e d 移动通信系统为实现高数据速率、高频谱效率和高功率辐射效率 等，必然采用无线m o 传输技术。而m i m o 系统的实际容量与电波传播的实 际特性密切相关。在实际的无线传输环境中，信道测量数据对于m i m o 信道建 模和容量分析等至关重要。而且，对于采用m i m o 传输技术的移动通信系统的 研发、部署、优化、以及系统性能分析等，信道测量结果、建模和系统容量的精 确估计都将起到基础性与先导性的作用。 1 2 课题意义 对无线移动通信系统来说，信道传播特性的研究是构建无线移动系统的基 第一章绪论 础，当采用m i m o 技术的宽带移动通信系统面对比较恶劣的信道环境时( 例如 窄带g s m 信道或亚宽带3 g 信道) ，如何使系统发挥最优化的性能，保证系统的 可靠性与有效性将是一个很重要的问题。首先就需要对m l m o 无线信道的特性 进行透彻的研究。所以对宽带无线m i m o 信道传播特性的研究是当前移动通信 领域的研究重点。 在实际环境中，由于散射体的存在造成的多径效应、阴影效应等现象，都会 对无线通信系统的有效性和可靠性造成一定的影响和制约。所以，在实际环境中 需要对m l m o 多径信道有一个详细的描述与评估，这种详细的描述实际上就是 得到信道所对应的信道传输矩阵，得到的办法有很多：一般情况下可以通过信道 测量仪对信道进行实际测量。通常来说，实测的数据就足以比较完备的描述被测 的信道环境。然而要保证信道冲激相应具有移动的通用性或代表性，就需要使用 能描述信道场景关键特征参数的标准化信道模型来进行信道建模。 信道测量又叫信道探测( c h a 肌e ls o 岫d 岫g ) 【 n 】，实际中进行信道的测量、 探测的主要目的是为了获得能够精确地描述信道特性的信道参数，其中，信道冲 激响应( 又叫信道传递函数、信道传输矩阵) 。针对无线信道场景的测量是了解 信道特性的前提。首先，对实测数据( 信道冲激相应) 进行相关处理、转化等可 以得到描述信道特性的基本工具，例如：信道传递函数c i r 、功率延时谱p d p 等。通过信道参数估计算法( s a g e 等) 可以提取出很多重要的小尺度信道参数， 对前面提到的信道研究工具的统计分析又可以提取出很多重要的信道大尺度参 数，如：均方根时延扩展、阴影衰落等。另外，实际测量的数据可以与标准化信 道模型进行比对参考，为具有我国地貌特征的信道建模提供参考。 m i m o 无线信道的建模是在对不同信道传播环境以及无线传播特性有了相 当程度的了解之后进行的抽象描述。随着信道场景、传播特性的不同，信道模型 也相应的不同。随着传播环境变得复杂，至今为止还没有任何一个信道模型可以 完全的描述宽带、高频、高速移动的信道环境。在我国由于没有对相应的频谱资 源和无线信道的特点进行大量的实际测量，因而，导致国内目前进行下一代移动 通信系统标准的理论研究和开发，都没有以实际反映我国地貌特征的信道测量数 据作为依据，都是建立在i t u 、3 g p p 等提出的信道模型或者是假设的信道模型 之上的，这样必将对未来移动通信标准的本地化和应用带来不好的影响。实际上， 由于i m a d v a n c e d 系统相比之前的特殊性，国际上依旧没有一个完全被认可的 标准化信道模型。所以，对于国内的业内人士来说，提出一个与实际相符的信道 模型是机遇也是挑战，这样能够使得我国在下一代移动通信领域的研究和标准化 工作更有利，在未来的发展中拥有更多的优势与自主性。 总的来说，希望通过本论文的研究，对信道测量所得到的数据如何进行分析、 2 第一章绪论 对标准化信道模型的建模研究有一个全面的认识和了解。为我国下一代移动通信 系统的研究和标准化工作做一些基础性的贡献。 1 3 本文主要研究内容和章节安排 1 3 1 主要研究内容 本课题来源于国家科技重大专项：电波测量与信道建模技术研究的子课题信 道特性仿真与建模2 0 0 9 z x 0 3 0 0 7 0 0 3 。该课题的研究目标是：基于信道测量平台 搭建对实际数据进行测量并提取的信道特性，完成适用于我国地貌特点、具有自 主知识产权的m i m o 信道模型。通过广泛测量建立未来宽带移动通信适用频段 ( 包括6 g h z 以下和6 g h z 以上) 和应用场景下的电波传播特性建模。 围绕着课题内容的要求，本人的研究主要包括以下几个方面： 一、对现有信道建模方法归纳总结，确定适合于我国地貌特点、具有自主知 识产权的m i m o 信道模型建模方法； 二、基于实测数据与标准化模型仿真数据对信道特性进行分析研究； 三、根据实测数据以及对信道特性的分析，建立与实际信道环境拟合好、适 应能力强的信道模型； 在掌握一定关于m i m o 系统的理论知识后，本文首先从信道建模方法开始 入手，归纳总结了目前现有的、具有一定使用范围的经典信道建模方法，经过分 析比较之后，确定采用由3 g p p 组织提出的标准化m i m o 信道模型( s c m 、 w 眦ri i 等) 进行建模方法的透彻研究，并初步确定采取s c m 、w n 蝌e ri i 等模型这种基于几何随机分布的建模方法来建立适用于我国的信道模型。 通过对随机性信道模型的建模透彻研究知道：想要得到信道建模的完整实 现，需要已经信道参数的情况，其中参数可分为三大部分：小尺度参数( 时延、 离开角、到达角、多普勒等) 、大尺度参数( 时延扩展、到达角的角度扩展、离 开角的角度扩展、阴影衰落的标准差) 以及一些附加参数( b s 与m s 之间的距 离、天线导向情况等) 。对于小尺度信道参数，通过信道参数估计算法针对测量 得到的实际数据( 信道冲激相应) 估计出多径小尺度参数；然而大尺度参数表征 的是信道衰落的统计特性( 具体体现为距离在几个波长至几十个波长范围内的统 计情况) ，所以对大尺度参数特性的研究需要采用统计分析方法：附加参数相对 来说则比较简单，是一些易于测量或表示的物理量。 本文中关于信道特性的研究主要包括： 一、围绕测量得到的实际数据( 信道冲激响应) ，首先进行有效样本的选取， 筛选掉因噪声影响大的深衰落样本，并通过信道特性研究的辅助工具：瞬时时延 3 第一章绪论 功率谱等来直观的刻画信道衰落的情况。 二、为了贴切的描述信道衰落的情况，3 g p p 组织使用的是这样一些大尺度 参数：路径损耗表征收发端信号之间的衰落，阴影衰落是服从对数正态分布的路 径损耗的标准差：功率延时谱用于描述信道在时间上的色散，信号经过信道之后 形成的频率选择性衰落由时延扩展来表征；角度功率谱用于描述在空间上的色 散；信号经过信道之后空间选择性衰落由角度扩展来表征。本文中对以上几个信 道特性研究的辅助工具进行了详细的讨论研究，采用3 g p ps c m 模型仿真得到 信道大尺度参数( 时延扩展、角度扩展等) 的特性。 三、m l m o 系统采用的多天线分集技术，本文中采用3 g p ps c m 模型仿真 实现在不同分集技术( 空间分集、极化分集) 的情况下，信道容量随信噪比的变 化情况，并对以上两种分集技术进行性能的比较。 四、信道之间的相关性对系统性能有很大影响，本文中对加m o 信道的空 时相关性做了相关研究，并采用3 g p ps c m 建模探究了天线间距、角度、角度 扩展等对m i m o 信道空时相关性的影响。 1 3 2 本文章节安排 将前面所介绍的研究内容合理划分，本文总共可分为六章： 第一章：绪论：主要介绍了本文的研究背景，即m i m o 无线通信系统的发展 历史；阐明了本课题的研究意义以及本文的章节内容安排； 第二章： m 0 无线通信技术概述：从分集技术开始，介绍了一些m i m 0 的关键技术，并说明了m i m o 多天线技术的实质及优点，并对m i m o 技术的发 展趋势进行展望； 第三章：无线m l m 0 信道模型：首先给出了m i m o 信道模型在实际生活中 的用途；对现有m i m o 信道的建模方法进行归纳总结，并主要对随机性信道建 模中的基于几何随机分布模型的建模方法详细的进行介绍，主要采用的是3 g p p s c m 模型，此外还对其扩展模型在原有模型的改进不同之处进行了详细的描述。 第四章：m i m o 信道参数估计算法简介：对现有的、使用较多的参数估计算 法( e m 、s a g e 算法) 的原理进行完整的推导，详细的给出了利用信道参数估 计算法实现小尺度参数提取的步骤。并对e m 、s a g e 算法之间进行比较，探究 了s a g e 算法对e m 算法的改进之处。 第五章：基于实测数据与仿真数据m i m o 信道特性的分析与研究：对信道冲 激响应( c i r ) 进行有效样本选取，即计算噪底过程；接着通过瞬时时延功率谱 对信道传输特性进行完整的描述：此外，还分别在延时域和空间域讨论了仿真数 据的功率延时谱、角度功率谱等。最后，通过阴影衰落、时延扩展、角度扩展等 4 第一章绪论 大尺度参数对应的探究了信道的衰落相关性、频率相关性、空间相关性； 第六章：对前面五章的内容进行综述性的总结，并对信道建模领域以及信道 特性相关研究进行了展望。 第二章m i m o 通信技术概述 第二章m i m o 通信技术概述 随着通信技术的飞速发展以及人类日常生活质量的日新月异，需求也在不断 地增加中，这就要求通信技术不仅满足传统语音业务的需要，而且还要实现其他 更高级的业务需求。换言之，这对通信系统的频谱效率和服务质量也有了更高的 要求。随着技术水平的不断进步，m i m o 系统发送端和接收端都采用了多元天线 阵列的多天线技术【协1 9 】，从而能够在不占用更宽的频谱情况下，接近线性的成倍 的提高系统的信道容量和传输质量。m i m o 系统是指收、发两端均使用多个天线 的无线传输系统，不同的天线对应不同的空间位置或者极化状态，这样信号与编 码的设计被扩展到了时间与空间的二维集合之中，可以通过空间与时间二维对信 号的发送与接收进行优化，以获得更高的传输效率及更高的可靠性。可以说 m o 技术的核心思想就是通过空时联合的处理方式，利用多径环境的随机衰落 甚至包括由此引起的时延扩展等因素来获得远高于传统s i s o 系统的信道容量。 在某种意义上来说，多天线技术是无线通信领域的一个重大的突破，并且作为提 高系统容量的重要途径之一，m l m o 技术会是无线通信领域的重点与热点。 本章节主要是m i m o 无线通信关键技术的概述，从最早的s i s o 系统开始介 绍，紧接着到后来的s i m o 、m l s 0 系统，直到现在的m l m o 系统，简要的介绍 了 m o 技术发展整个的历史过程；信道容量是通信系统的最重要指标之一， 它表征了通信系统的性能，本文还详细的介绍了目前常用的几种m i m o 分集技 术，并从信道容量的角度，仿真分析了分集技术对于信道容量的影响：并从实质 上说明了m i m o 通信技术的优点和存在的问题，最后对其发展趋势进行了相应 的展望。 2 1m i m o 无线通信技术 在传统的无线通信系统中，收发端都只使用单根天线的系统，被称之为单发 单收系统( s i n g i ei n p u ts i n g i eo u t p u t ) 如图2 - l ( a ) 所示，对于s i s o 系统，由 香农定理可以知道： c = 丑l 0 9 2 ( 1 + 姗) ( 2 1 ) 式中b 为带宽，s n r 为信噪比。香农公式给出了信道容量的表达式，它表征 的是在有噪声的情况下，该信道可以进行可靠通信的最高传输速率，使用任何的 高级的调制和编码的技术都只能接近这个上限，信道容量是无法超越的。另一方 6 第二章m i m o 通信技术概述 面，从式( 2 1 ) 中还可以看出，信道容量的提高不仅可以通过增加信道带宽， 而且还可以通过改善信噪比得以实现。可是，在目前无线通信带宽十分有限的现 状下，通过增宽带宽的方法来实现信道容量的提升是不现实的，更何况信道容量 并不是随着带宽无限制的增长；另外，信道容量每增加l6 打j 胁需要改善3 d b 的信噪比，但是无谓的增加发射功率不仅对环境造成一定程度的电磁污染，功率 设备成本的浪费，还会对相邻其他用户造成高于系统噪声的干扰电平。因此，为 了提高系统的信道容量，有效的方案就是在有限的频带内通过其他手段提高频谱 利用率。 目前来说，分集技术是克服无线传输中多径衰落，从而提高频谱利用率的一 种有效技术，对于相互独立的多径信号，它们同时出现深衰落的概率非常小，这 样在接收端就可以按照一定的准则从多个独立的信号中选择其中一个或多个进 行合并，使接收到的期望信号功率为最大，从而提高接收端的瞬时信噪比和平均 信噪比达到克服多径衰落的目的。 如图2 1 ( b ) 所示的情况即为单输入多输出系统( s i n g l ei n p u tm u h i p l e o u t p u t ) ，发送端采用的单根发送天线，而接收端使用的多根天线。与此相应的 分集技术被称为接收分集技术。通过在接收端多根接收天线，处理时采用最佳合 并比技术可以改善s i m o 系统的信噪比。与s i s o 系统相比可以提高系统信道容 量与频谱使用率。相应的又有多输入单输出( m u h i p l ei n p u ts i n g i eo u t p u t ) 系统， 如图2 1 中( c ) 所示，即发送端采用多根发送天线，接收端只使用单根接收天 线的情况，相应的分集称为发射分集。 传统的分集方式主要是接收分集，而现在研究较多的则是发射分集，发射分 集非常适用于无线通信的发送端( b s 端) ，在相同的配置情况下，如相同天线结 构时，它能够提供与接收分集相同的性能。通过在发送端和接收端进行相关合并 可以获得阵列增益，但需要在发送端和接收端获得信道信息，增益的大小与天线 阵元的数目有关。在接收端信道信息比较容易获得，但对于发射分集系统，在发 射端获得信道信息就比较困难，但可以对发射信号进行设计，即通过空时编码来 获得分集增益。如果s i m o 和m i s o 分集系统的衰落分支相互独立，它们可以获 得的分集阶数分别等于接收天线阵元数目和发射天线阵元数目。 如图2 1 ( d ) 所示为多输入多输出系统( m u h i p i ei n p u tm u h i p l eo u t p u t ) ，它 是s i m o 和m l s o 技术的发展和演变。它是在收发端同时使用多天线的情况，大 量分析研究指出m i m o 信道可以提供随最小值m i n ( ，m ) ( 其中n 为发送天线 阵元的数目，m 为接收天线阵元数目) 线性增加的容量，而不需要再额外的功 率和带宽。容量的提高主要来自于通过不同的天线发送独立的数据而获得的复用 增益。在有利的环境下( 比如散射丰富的环境) ，占用同一频谱来传输多径信号， 第二章m i m o 通信技术概述 每个发送信号采用不同的发送天线阵元，接收端也采用多天线阵元以及相应的信 号处理技术，把相互干扰的信号分离出来。这些信息流是在同一时间同一频段发 送的，因此频率利用率比较的高，在给定的信道频段上信道容量将随天线阵元的 数量成比例的增加，所以说m i m o 技术是智能天线技术在无线通信领域的一个 重大的突破。目前来看，m i m o 技术俨然已经成了通信领域的关键技术之一，可 以肯定的说，m i m 0 技术在下一代无线通信系统的发展中有着广阔的应用前景。 乡金 ( a ) s i s 0 乡企 ( c ) m l s o 2 2 天线分集技术 图2 1几种天线系统的示意图 ) s o ( d ) m i m 0 在实际的m i m o 通信系统中，由于场景地理环境的复杂，移动台周围散布 着散射体，基站发出的信号在到达接收移动台之前经过各种散射体的散射、反射 等形成多径衰落。为了克服信号传输过程中的各种衰落现象改善系统的性能，人 们对此提出了分集接收技术：将接收到的信号分离成不相关的多路信号，接着对 这些信号按照一定的规则合并处理，使得接收到的有用信号的能量最大，对于数 字系统可以使接收端的误码率达到最小，模拟系统可以提高接收端的信噪比。 天线分集技术是通过使相同的数据通过多个统计独立的信道来改善系统性 能。一种简单的情况如下：假设接收端有两个天线，且天线之间间距足够远，以 确保到达两个天线上信号的小尺度衰落时相互独立的。由于两个天线收到的信号 是统计独立的，所以两个天线接收的信号同时处于深衰落的概率非常小( 小于只 钍笆瓮笆 耸 m盆， 岔 m岔 第二章m i m o 通信技术概述 有一个天线的信号处于深衰落的概率) ，因此分集技术可以提高接收端的信噪比， 进而改善了m i m o 系统的性能。 分集技术大致可以分为时域分集、频域分集和空域分集。空域分集又称为天 线分集，极化分集和角度分集可以看成是空间分集的两个特例。在实际通信系统 中，为了满足系统的性能要求，常常需要将两种或多种常用的分集方法结合起来 使用，以实现多维分集。下面将详细的介绍各种分集技术的实现情况： 一时间分集( t i i i l ed i v e r s i t y ) 时间分集的特点在于接收的是在不同时刻发送的信号。也就是说发送端将要 传输的信息分别在不同的时刻发送，不过要求重发信号的间隔大于信道的相干时 间来保证信号在时间域上的不相干，即独立性。因此，接收端就可以得到衰落特 性不相干的信号。当发送的信号重复传m 次，就可以得到m 条独立的分集支路。 二空间分集( s p a c ed i v e r s i t y ) 空间分集的特点在于利用空间分离的多根接收天线实现分集。它不仅是最早 也最简单的分集方式，而且还是使用最广泛的分集方式之一。由于接收信号之间 存在相关性，相关性越强分集的效果越不理想。空间分集技术的应用范围很广， 不仅在时分多址系统、频分多址系统中有很多应用，在码分多址系统中也有一定 程度的应用。 三频率分集( f r e q u e c yd i v e r s 时) 频率分集的特点是在不同载频上传输信号。也就是说将发送信号分别在不同 的载频上发送，不过要求载频间的频率间隔要大于信道相关带宽来保证各分集信 号在频域上的不相干，即独立性。因此，接收端就可以得到衰落特性不相干的信 号。与空间分集相比，频率分集的优点在于减少了天线数目，缺点是要占用更多 的频谱资源，在发送端需要多部发射机。 四极化分集( p o l a r 嘛i o nd i v e r s i t y ) 极化分集的特点在于多个天线接收的是不同极化方向的信号( 如垂直极化和 水平极化) 。例如：如果发送端使用的是在同一地点极化方向相互正交的两个天 线阵元，则发送的信号呈现出互不相关的衰落特性。极化分集技术实际上是空间 分集的特例。 五角度分集( a m g l ed i v e r s i t y ) 角度分集的特点在于使用不同天线方向图的多个天线。当来自不同方向的多 径信号之间发生相消干涉时，将产生深度衰落。如果这些电波中部分被衰减或消 除，则深度衰落的位置会发生改变。也就是说，两个方向图不同但在同一位置的 天线对多径分量的增益不同，因此多径对两天线阵元的干扰不同，这就是角度分 集的原理。 9 第二章m i m o 通信技术概述 2 3m m o 系统信道容量 表征m i m o 通信系统性能的最重要标志之一就是信道容量，信道容量的定义 是指在接收端错误概率可以任意小的情况下，信道能够达到的最大信息传输速 率。传统意义上的香农极限定理，给出了对于恒参信道的一个容量界限，是信息 能够进行可靠传输的上确界。在衰落信道条件下，信道容量被看成是随机变量， 用中断容量和遍历容量来具体描述信道容量可以有好的效果。中断容量可以较好 的表达信道的分集增益，而遍历容量则更好的描述信道的编码增益。下面分两种 情况来定义。 遍历容量( e 唱o d i cc 印a c i t y ) 适合长延时信道容量的定义。如果突发序列的长 度大于信道相干时间，信道可看成是遍历的，即在差错概率任意小条件下的信道 容量平均值。对所有状态下的容量进行统计平均得到的就是遍历容量。在发射功 率受限的情形下，信道遍历容量可以表示为： 斗十卜齿删何 2 ， 中断容量( o u t a g ec a p a c i t ”：中断容量可以很好的表示m i m o 系统的分集增 益。信道的中断容量定义为信道的瞬时容量以中断概率q 表示小于g 呱。的概率 即： p r 1 0 9 2 d c 兹删肛斗g 协3 ， 显然，计算中断容量必须计算容量的累积概率函数( c d f ) 。 2 4 本章小结 本章主要介绍了m i m o 技术发展的历史过程，从单输入单输出系统到智能天 线技术，再到多输入多输出技术；详细的研究了m i m o 多天线重要技术，包括 几种常见的分集技术；信道容量对于m i m o 系统来说是表征其性能的关键指标， 文中对其进行了相关的介绍，为本文后续m i m o 系统性能的研究奠定基础。最 后，本章对于m i m o 系统的实质进行剖析，详细说明其优点及其存在的问题， 最后对其发展趋势进行相应的展望。 l o 第三章3 g p ps c m 的建模及其扩展模型 第三章3 g p ps c m 的建模及其扩展模型 自t e l a t 甜和f o s c l l l l i l l i 等学者发表了很多关于m l m o 系统信道特性研究的文 章以来，广大研究者投入了更多的精力与实践在信道特性的探索，包括信道环境 的实际测量和理论建模，到目前为止还远未停止。因为这关系到m i m o 系统理 论上的巨大容量在实际中的具体实现问题，能否实现以及如何实现。为此已经建 立了许许多多的空时信道模型【2 2 l 。归纳起来，大致可分为两大类模型，即确定 性信道建模和随机性信道建模。 本章节对m i m 0 信道模型进行研究的目的在于：对目前已经发表文献中提出 的一些信道模型进行了相关介绍，并通过仿真实验尽可能地再现真实的通信环 境。此外，还对信道模型的应用范围进行了相应的说明。文中还详细介绍了3 g p p s c m 模型在b s 端和m s 端的空间参数，并对信道的建模过程进行完整表述，同 时对于那些反映信道特性的相关参数，与频率选择性衰落、空间选择性衰落和时 间选择性衰落所对应的参数：时延扩展、角度扩展和阴影衰落等也进行了说明。 为了便于后文对信道特性的研究，对标准化组织3 g p p 提出的s c m 模型进行了 透彻的研究，为仿真研究m j m o 信道的特性奠定基础。最后对目前比较权威的 几种标准化模型进行了深入比较，为建立适用于我国地貌特点、具有自主知识产 权的m i m o 信道模型时提供足够的参考价值。 3 1 信道模型的应用 一、用于无线通信系统的设计、测试和定型 通过简单的信道模型可以反映信道传播的一些重要性质( 即对系统性能会造 成影响的那些性质) ，从而对无线通信系统进行设计、测试和定型。最简单和常 见的例子是瑞利衰落模型，它不是要准确地得到被测区域内每个位置的场强，而 是试图准确地描述大范围内场强的概率密度函数，这种模型对于系统设计人员而 言是很容易实现的，从而易于达到测试的目的。 二、用于优化某一区域内特定通信系统 一般来说，某一地理区域内特定通信系统的优化，对于无线网络设计人员 来说通常是比较感兴趣的。基站( b s ) 的位置以及其它网络设计参数通过计算 机仿真实现得以优化，而不是通过繁琐的实地实验测量，原因是实地实验比较耗 费时间和资源。对应于这样的应用，就需要一种能够充分利用已知地理信息和形 第三章3 g p ps c m 的建模及其扩展模型 态信息的特定的信道模型。 三、用于新型通信业务的开发 在实际的移动通信系统中开发某些新型的业务时，同样也需要用到信道模 型。例如：在开展无线定位业务时，多径效应、非视距传输( n l o s ) 等无线通 信信道的特性都会影响到定位的精度。为了提高定位的精度，则需要对模型进行 更加深入的了解。 四、用于无线通信系统标准的研究 各种标准化组织需要使用移动的信道模型和业务模型等来评估和选择无线 移动通信系统标准。所以，任何一个无线通信方案和标准在被研究、采纳和应用 之前，总是先对其无线信道特征作研究，给出信道参考模型。 3 2 m o 信道的建模方法 m i m o 信道建模方法大致上可以分为两类：确定性信道建模和随机性信道建 模。确定性建模中包括了存储信道冲激响应的方法；另一种是射线跟踪法，此外 常见的还有双向信道模型。对于随机性信道建模来说，m i m o 信道模型又可以用 统计方法进行描述，大致上可以分为以下三大类：基于几何随机信道模型 ( g e o m e t r yb a s e ds t o c h a s t i cm o d e l s ) 、基于相关性随机模型( c o 盯c i a t i o nb a s e d s t o c i l a s t i cm o d e l s ) 、参数随机模型( p a 豫m e t 粥s t o c l l a s t i cm o d e i s ) 。这里将详细 介绍目前常见的几种信道建模方法。 3 2 1 确定性信道建模 确定性信道建模就是指在某一特定时刻信道绝大多数重要参数可以完全确 定下来，从而达到对信道模型相对完整的描述。它是基于实际环境测量得到的信 道冲激响应来建立信道模型，它要求得到信道场景的详细的信息，如散射体精确 的位置、大小以及分布等。确定性信道建模的基本思想在于：如果可以获得信道 环境的详细信息，那么无线传播就可以看成是一个确定过程，也就是说任意空间 点的空时特性都可以确定下来，这类信道模型主要的用途在于小区规划。 确定性信道的建模方法大致上可分为以下几类：包括存储信道冲激响应法 和双向信道模型和射线跟踪法。下面对常用的几种建模方法进行相关介绍： 一、存储信道冲激响应的建模方法。通过信道测量设备( c h a n n e is o u n d e r ) 对信 道冲激响应j i ，( ，f ) 进行测量、数字化并进行存储等相关操作。这种方法的主要优 点在于测量所得的冲激响应和实际传播环境比较接近，而且用存储数据做系统仿 真具有再生性，因为数据可以无限期地再利用，甚至可用于不同系统的仿真。这 1 2 第三章3 g p ps c m 的建模及其扩展模型 是不同于整个系统实地实验的一个方面，在实地实验中不能保证冲激响应随着时 间保持不变。使用存储信道冲激影响的缺点在于：( 1 ) 获取和存储数据需要大量 的工作；( 2 ) 数据只能表征某个区域，一个传播环境不必具备典型性，因此需要 对不同场景响应的进行测量，以区别出场景对信道传输的影响。 二、射线跟踪法。利用数据库的地理和形态信息确定麦克斯韦方程的解或其近似 解。其基本思想和存储冲激响应相同：确定某个地理位置的冲激响应。因此这两 种方法都属于特定区域的模型。与存储信道冲激响应( 通过测量所得) 相比，确 定性信道模型( 通过统计分析得到) 的缺点是：( 1 ) 计算量较大；( 2 ) 由于原始 数据的不精确性以及计算方法的近似性，使得结果不是很精确。这种模型的主要 优点是：计算机仿真比测量要容易得多，而且某些估计方法( 比如射线跟踪模型) 允许不同传播激励的影响彼此独立。 3 2 2 随机性信道建模 通过上述对确定性信道建模的介绍可以知道，确定性信道建模的适用性不够 理想，通常只适用于某些特定的传播场景，它是一种以牺牲通用性和增加运算量 进行信道建模的方法，然而随机性模型在实际建模工作中却常常被采用，这类型 的建模方法主要包括基于几何统计建模法和相关矩阵建模法等。 基于几何随机模型是确定性建模方法中射线跟踪法的一种简化，它不需要知 道信道的具体的环境，它是根据一定的统计特性来描述在基站和移动台周围随机 分布的散射体情况，每个散射体组相应的组成信道模型多径中的某径，每径中散 射体的反射、散射和绕射到接收端的射线就是各条子径。在接收端将这些射线的 响应叠加起来就得到了完整的信道冲激响应。目前来说，基于几何随机的信道模 型包括有s c m 信道模型、s c m e 模型、w 仆n e r 和w n 心厄ri i 模型，后面的 几种模型都是基于s c m 模型，并在其基础上进行的一些改进和扩展。因此，为 了仿真实现的方便，本文中的大多数仿真都是基于s c m 模型进行的，但是其仿 真结果也不失其有效性和合理性。 基于相关性随机信道模型的相关矩阵法主要体现在空间信道之间的相关性， 它是利用实际测量的数据或信道统计信息得到空间信道的各种参数( 时延扩展、 角度扩展等) ，然后由这些参数推导出信道的空间相关矩阵。假设m i m o 信道的 信道传输矩阵为h ，信道相关矩阵可以表示为下式： 尺= e ( 日h ) ( 3 1 ) 根据矩阵论相关知识可以知道：对于独立衰落的随机向量h 和 g 。，= 拍d 胁砂( r ) ，如果有日。，= g 。， ，此时信道相关矩阵则可以表示为： r 。，= e ( 虬，日。一月) = e ( g 。，j i ，厅月g 刍) = g 。，g 刍= 尺( i 表示单位阵) 。 1 3 第三章3 g p ps c m 的建模及其扩展模型 从相关意义上看，h 与日。，的相关性是相同的，由上面的推导可以看出相关矩 阵法建立的信道模型能够较好的体现信道相关性。使用l ( r 0 鹏c k e r 乘积推导的 m l m o 系统相关性的方法已经得到分析和验证，这种m i m o 信道模型是3 g p p m i m o 链路级仿真的核心。 以上就是目前常见的几种信道建模方法，通过深入研究比较可以知道，各种 模型的适用范围和优缺点各不相同，为了更清楚的区别以上几种确定性信道建模 和随机性信道建模方法，下面分别对其优缺点进行归纳总结如下表3 1 所示： 表3 - lm i m o 信道建模方法的归纳总结 建模方法优点缺点 收、发端的延时、角度等信息 双向信道模型计算量大、实现困难 精确 确定性需要与实际地理环境相符 射线跟踪法模拟空间信道的信息较准确的地图，计算量大、实现较 困难 几何概念简单，重点考虑内部 基于几何随机信参数的相关性，参数可变性只能反映信道的长期统计 道模型强，易于简化，便于参数的提特性 取与信道的仿真实现 随机性 基于相关性、随仿真量大；无法对信道进行 机模型 变量相对少；计算量小 动态建模 复杂度较低，具有移动的通用 和实际信道有较大的偏差， 参数随机模型随机生成的参数和实际可 性 能有很大差别 显然，上述表3 1 总结的所有信道模型没有一个是可以完全达到精确的，因 此对于信道建模而言，建立一个令人满意的精确度标准是至关重要的。对于确定 性建模方法，原始数据的错误会导致不可避免的误差。对于由测量导出的随机模 型，测量点数有限以及测量误差都会限制精确度。在理想情况下，由于特定建模 方法导致的误差应该小于那些不可避免的误差。然而，单纯的从科学观点来看， 任何误差都不能令人满意。但是，从工程角度上来看，模型准确度在达到一定的 程度之后( 即误差在允许的范围内) ，提高模型的精度的意义就不大了。 1 4 第三章3 g p ps c m 的建模及其扩展模型 3 33 g p ps c m 的建模 s c m ( s p a t i a lc h a 衄e lm o d e l ) 是由标准化组织3 g p p 提出的一种随机性信道模 型，它是一种基于几何随机分布的模型，该模型包括三种常见的场景环境：城市 宏小区、城市微小区和郊区宏小区( m a c r 0u r b 锄、m i c r ou r b 锄、 m a c r 0s u b u r b a n ) 。此外，对于该模型不仅可以进行链路级的仿真，还可以进行 系统级的仿真，然而单独的链路级仿真( l i f l l ( l e v e ls i n l u l a t i o n ) 反映的仅仅是信 道的单一快照( s n a p s h o t ) 的情况，不能够用于算法的比较。但是系统级的仿真 ( s y s t e ml e v e ls i i l l u l a t b n ) 却可以完成以上的功能。下面将分别对b s 端、m s 端的空间参数进行详细介绍。 3 3 1b s 端的空间参数 b s 端的空间参数包括天线方向图、每径离开角的均值、均方根角度扩展以 及角度功率谱等参数，对其进行详细的介绍如下： 一、b s 端的天线方向图 对于3 扇区的天线方向图来说，每个扇区的前向链路和后向链路的天线方向 图如图3 1 所示，它是由下式所确定的： 日 彳( p ) = 一m i n 【1 2 ( ，_ ) 2 ，彳。】 一1 8 0 。s 口1 8 0 。( 3 2 ) 由 其中9 定义为与天线准向之间的夹角，口，栅是角度上3 d b 的波束宽度，以是最 大衰落值。对应于3 扇区的场景而言，岛血为7 0 。，以；2 0 d b 。天线的准向为 天线获得最大增益的方向；对应于6 扇区的场景而言岛四为3 5 。，4 = 2 3 d b 。3 扇区7 0 。的天线增益为1 4 d b i ，而对于6 扇区的场景，由于波束宽度降为3 5 。， 相应的增益增加了3 d b 为1 7 d b i 。介绍天线方向图的目的在于