移动通信环境下大规模天线信道特性研究

1、移动通信环境下大规模天线信道特 性研究 姓名：梁佳健 学号：11211157 班级：通信1107班第 0 页 摘要当前，高速铁路建设已经取得了巨大成就，但是在高速移动环境下仍能满足高速数据业务传输需求，实现起来仍比较困难。在高速移动的环境中，信道变化十分迅速，多普勒效应明显，因此，建立个精确，合理，有效的高速移动信道模型是十分重要的。MIMO系统的优势在于，充分利用了信号的空进传播特性，在不增加系统带宽和天线总发射功率的情况下成倍的提高无线通信系统的频谱效率和容量，并能提高传输质量，实现高速数据传输。本文先阐述了一般移动无线信道传播特性；接着指明空间相关性是影响系统容量重要因素，接下来对无线信

2、道各参数对空间相关性的影响进行了研究，最后研究高速移动性对系统的影响。关键词：MIMO， 高速移动环境 ，相关性 ，信道特性 ，衰落 AbstractAt present, the high-speed railway construction has made great achievements,but still meet the demand of high-speed data transmission service in high-speedmobile environment, it is still difficult to achieve. In the high-spee

3、d mobile environment, channel changes very rapidly, the Doppler effect is obvious,therefore, to establish a reasonable, accurate, high-speed mobile channel modelis very important.The advantage of MIMO system is make full use of the signal space into thepropagation characteristics, without increasing

4、 the system bandwidth and transmitting power situation improve spectrum efficiency and capacity of the wireless communication system, and can improve the transmission quality, realize high speed data transmission.This paper first describes the general mobile radio channel propagation characteristics

5、; and then points out the spatial correlation is an important factor affecting the capacity of the system, the effect of various parameters on thewireless channel spatial correlation is studied, the influence on the system at the end of high mobility.Keywords: MIMO， high-speed mobile ， Relevance， ch

6、annel characteristics，Decline1. 无线信道传播特性31.1. 无线信道特性31.2. 大尺度衰落41.2.1. 一般路径损耗模型41.2.2. 对数正太阴影衰落模型41.2.3. Okumura/Hata模型51.3. 小尺度衰落51.3.1. 时间色散引起的衰落频率选择性衰落61.3.2. 频率色散引起的衰落时间选择性衰落81.3.3. 角度色散一起的衰落空间选择性衰落101.3.4. 小尺度衰落的典型模型112. MIMO信道建模122.1. MIMO无线信道概述122.2. MIMO无线信道容量122.3. MIMO无线信道主要参数143. 移动性对系统的影

7、响184. 参考文献211. 无线信道传播特性1.1. 无线信道特性在无线通信中，无线传播是指无线电波从发射机到接收机的行为。无线通信信道是研究所有无线通信技术和系统首要解决的问题，也是整个无线通信理论中最基础但最复杂的问题。无线信道相比于有线信道，具有复杂、多变、随机性等特点，并且不可预见。无线信道的一个典型特征是“衰落”现象，即信号幅度在时间和频率上的波动。加性噪声是信号恶化的最普遍来源，衰落是另一种来源。与加性噪声不同的是，衰落在无线信道中引起非加性信号扰动。衰落也可以由多径传播引起（称之为多径衰落），或者由障碍物的遮蔽引起（称之为阴影衰落）。衰落现象大致可以分为以下两种不同的类型:大尺

8、度衰落和小尺度衰落。当移动台运动了较大的距离后，例如与小区尺寸相当的距离时就会出现大尺度衰落。这是由于传播信号受到路径损耗和像建筑物、不规则地形地貌和草地等大物体阻碍产生的阴影效应而造成的。阴影衰落是慢衰落过程，主要特征表现为在中等尺度范围内接收信号的平均路径损耗的变化。所以，大尺度衰落的特征是平均路径损耗和阴影衰落。另一方面，小尺度衰落指的是当移动台移动了很短的距离时，无线信号在多径传播的影响下引起信号电平快速变化。根据每一径的衰落特性，用信道的频率选择性(如:频率选择性和频率平坦性)来描述小尺度衰落的特征。同时，由于接收机和发射机之间的相对运动而引起的时变信道(其特点是多普勒扩展)，短期衰

9、落也可被分为快衰落和慢衰落。衰落信道多径衰落阴影衰落小尺度衰落路径衰落大尺度衰落时变衰落快衰落慢衰落平坦衰落频率选择性衰落1.2. 大尺度衰落1.2.1. 一般路径损耗模型自由空间传播模型用于预测视距环境中接收信号的强度。卫星通信系统中经常采用这个模型。令d表示发射机和接收机之间的距离（单位：m）。当使用各向异性的天线时，发射天线的增益为Gt，接收天线的增益为Gr，则距离d的接收信号功率Pr（d），可以由著名的Friis公式表示为 其中发射Pt发射功率（单位：w），为发射发射波长（单位：m），L为与传播环境无关的系统损耗系数。从式可以看出，接收功率随距离d呈指数规律衰减。1.2.2. 对数正太

10、阴影衰落模型令表示均值为零，方差为的高斯随机变量。对数整体阴影模型衰落模型为：该模型允许在相同距离d处的接收机具有不同的路径损耗，并且随着随机阴影而变化。1.2.3. Okumura/Hata模型Okumura模型是通过广泛的实验得到的应用于移动通信系统的信道模型，而且这种模型考虑了天线高度和地区覆盖问题。在预测城市地区路径损耗的所有模型中，Okumura模型是被采用最多的一种，主要适用于载波范围500M1500MHz，小区半径1100Km，天线高度301000m的移动通信系统。Okumura中的路径损耗可以表示为其中，为频率f处的中等起伏衰减因子，和分别为接收和发射天线的增益，为具体传播环境

11、增益。这里，天线增益和 仅仅是天线高度的函数，兵不考虑天线方向图等其他影响。因此，Okumura实测得到经验图中可以查的和。Hata模型将Okumura模型扩展到各种传播环境，包括城市，郊区和开阔地。实际上，Hata模型是当今在常用的路径损耗模型。对于发射天线高度为，载波频率为MHz，距离为dm，在市区环境中Hata模型路径损耗为其中，为与接收天线相关的系数，取决于覆盖范围的大小。对于郊区和开阔地，Hata模型分别表示为郊区 开阔地 1.3. 小尺度衰落小尺度衰落是指短期内的衰落，具体指移动台移动一个较小的距离时，接收信号再短期内的快速波动。当多径信号一可变相位到达接收天线时会引起相位干涉。换

12、句话说，来自本地散射的大量信号的相对相位关系决定了接收信号的电平波动。而且，每一多径信号都可能发生变化，这种变化依赖于移动台和周围物体的速度。总之，小尺度衰落由以下因素决定：多径传播，移动台速度，周围物体的速度和信号的传输带宽.无线移动通信系统的信道收到小尺度衰落的影响，分别在时间上，频率上和角度上都产生了色散，发射端的信号经过无线信道后会相应的出现频率选择性衰落，时间选择性衰落和空间选择性衰落。因此小尺度衰落包括了基于时间色散的频率选择性衰落，基于频率色散参数的时间选择性衰落和基于角度色散的空间选择性衰落。1.3.1. 时间色散引起的衰落频率选择性衰落 在无线信号的传输过程中，由于不同时延的

13、多径信号相互叠加，产生码间干扰，体现在时域上就是时间色散，体现在频域上就是频率选择性衰落，这两种效应是同时出现的，反映了信道的同一特性。时延扩展(Delay Spread)和相干带宽(Coherence Bandwidth)是描述无线信道多径效应的两个重要参数。时间色散就是指电波经过反射、折射和散射等多条路径传播到达接收机的多路信号在时间上有先有后，使得接收信号的持续时间相比发射信号的持续时间要长，相当于在时域上扩展了发射信号;而频率选择性衰落是指不同的频段上具有不同的衰落特性，在频率成分上很接近的信号分量几乎经历相同的衰落，在频率成分上相隔很远的信号分量衰落相差很大将会产生严重失真。a.时延

14、扩展由于实际电波传播环境的复杂性和多变性，发射信号在传播的过程中不可避免的会受到信道中各种障碍物和其他移动物体的影响，则多条不同长度的传播路径会使传输信号到达接收端的时间不同，因此接收信号中不仅包含了发射的脉冲信号同时还具有该发射信号的各个时延信号，然后将这些时延信号相加，这就使得接收信号脉冲宽度扩展，这种现象就称之为时延扩展。描述时延扩展的主要参数有平均时延扩展和均方根时延扩展。这些参数可由功率时延谱得到（功率时延谱表示在t,t+dt内到达接收机的信号功率强度，与多普勒频移无关）。我们以计算零阶矩开始，即功率在时间上的积分：归一化一阶矩（平均时延扩展）为：归一化二阶中心矩，也就是均方根时延扩

15、展为：均方根时延扩展在所有参数中有着特殊的地位。已经证明，在某些特定环境下，由于时间色散引起的差错概率仅仅与均方根时延扩展成正比，而功率时延普的形状对其没有明显影响。在这种情况下，均方根时延扩展即为我们需要知道的环境信息。b.相干带宽在频率选择性信道中，不同的频率分量衰落不同。显然，不同频率之间的距离越远，衰落的相关性就越小。相关带宽定义为相关系数小于一定门限的频率差。在WSSUS假设下，相关带宽定义本质上是相关函数的3dB带宽。不过稍显复杂的公式源于相关函数不一定是单调递减的。更确切的，可能存在局部最大值超过了门限的情况。因此用包含了超过门限的相关函数门限值得所有部分的带宽来准确定义。均方根

16、时延扩展和相关带宽显然是相关联的，Fleury导出了一个不确定关系式：基于对时延扩展和相干带宽的分析，可知，时延扩展会引起符号间干扰(ISI)，为避免信号传输过程中符号的相互干扰而造成无线通信系统传输性能的降低，应使符号周期大于多径时延扩展，即式中，Rb为符号速率，Ts为符号周期，为均方根时延扩展。若信道相干带宽大于发射信号带宽，纳闷发射信号在经过无线信道后器所有频率分量将经历大致相同的幅度衰落，接收信号将不会产生失真，称其为非频率选择性衰落或平坦衰落，在这种衰落信道中，传输的符号周期远大于多径时延扩展。若信道的相干带宽小于发射信号带宽，那么发射信号在经过无线信道传输后期所有频率分量将经历不同

17、的幅度衰落，形成不同的信号分量衰减系数，这就是频率选择性衰落，会使接收信号失真。在这种衰落信道中，传输的符号周期小于多径时延扩展。下图给出了时延扩展和相关带宽与平坦衰落和频率选择性衰落的关系。信号带宽信道相关带宽平坦衰落时延扩展符号周期基于多径时延扩展的小尺度衰落 频率选择性衰落信号带宽信道相关带宽时延扩展符号周期1.3.2. 频率色散引起的衰落时间选择性衰落无线通信中，移动台处于高楼林立的城区或处于不规则的地形中，再加之移动台和基站之间的相对运动或者传播环境中其他物体的运动，使得无线信道复杂多变且难以控制，信道的这种时变性体现在时域上是时间选择性，体现在频域上则为频率色散。这两种效应也是同时

18、出现的，反映了信道的同一特性。多普勒扩展(Doppler Spread)和相干时间(CoherenceTime)是描述无线信道时变性的两个重要参数。a.多普勒扩展多普勒效应是由于移动台和基站之间的相对运动或信道周围散射体的运动而引起的接收信号的频率发生偏移的现象。当收发信号两端做相向运动时接收频率变高，反之则接收频率变小，因此多普勒频移与移动台和基站之间的相对运动速度成正比关系 其中为最大多普勒频移，v是基站和移动台之间的相对速度，fc是载波频率，为移动台运动方向与无线电波到达方向之间的夹角。b.相干时间相干时间是与频域参量多普勒扩展相对应的一个时间参量，它是在信道冲激响应维持恒定或是保持强相

19、关性时的最大时间差范围，与多普勒扩展成反比。相干时间的一般定义为:，若相关时间性大于0.5，则相关事件也可以按下面公式进行计算：若基带信号的符号周期Ts小于信道相干时间Tc(Ts<Tc)，由于信道特性在很短的信号待续时间内没有发生显著的变化，因此基带信号在传输过程中没有改变，即呈现慢衰落;若,基带信号的符号周期Ts大于信道相干时间Tc(Ts>Tc)，信道特性就会在较长的信号持续时间内发生明显的变化，从而导致基带信号在传输过程中发生改变引起接收信号失真，即呈现映衰落。下图给出了多普勒扩展和相干时间与快衰落和慢衰落的关系。信号带宽(Bs)>多普勒扩展()慢衰落相干带宽（Tc）&g

20、t;符号周期（Ts）信道变化慢于带信号变化基于多普勒扩展的小尺度衰落信号带宽(Bs)<多普勒扩展()快衰落相干带宽（Tc）<符号周期（Ts）信道变化快于带信号变化1.3.3. 角度色散一起的衰落空间选择性衰落空间选择性衰落是指由于周围散射环境的影响使发射端或接收端的不同天线产生了不同的衰落，即产生了角度色散。此时不仅包含了时间和频率信息还包含了诸如到达角和离开角等空间信息。角度扩展(Angle Spread)和相干距离(Coherence Distance)是描述无线信道空间选择性衰落的两个重要参数。a角度扩展角度扩展是由于多径传播使信号在接收天线上的角度展宽。角度扩展是由基站或移

21、动台附近的散射体或者信道周围的散射体引起的，与角度功率谱(PAS，Power Azimuth Spectrum)有关。通常，角度功率谱在某一特定到达角内服从均匀分布、截短高斯分布或截短拉普拉斯分布。 角度扩展是角度功率谱（）的二阶中心距的平方根，公式如下：其中若角度扩展很大，说明所处的散射环境非常丰富，相应的空间色散度就高，则空间包络相关性减小;反之若角度扩展很小，散射环境微弱，相应的空间色散度就低，则空间包络相关性增加。b相干距离相干距离是指在信道冲击响应维持恒定或是保持强相关性是的最大空间间隔，是描述空间自相关性的特定参数。若是空间相关性为0.5时，相干距离定义公式入下：式中，为角度扩展值

22、，为无线电波入射角。从上式可知相干距离不仅与角度扩展有关还与到达角有关。在来波到达角相同的情况下，角度扩展越大，相干距离和各天线间相关性都随之减小;角度扩展越小，相干距离和天线间相关性都随之增大。依据以上分析，若相邻的天线元素间隔(x)比相干距离(Dc)小很多，则信号在相干距离内经历的衰落具有很强的相关性，信道的特性基本维持不变，是非空间选择性信道;反之，若相邻的天线元素间隔(x)比相干距离(Dc）大，信道的特性会发生变化，是空间选择性衰落信道。下图给出了角度扩展和相干距离与空间选择性衰落的关系。天线元素空间距离小于相干距离标量信道非空间选择性衰落基于角度扩展的小尺度衰落小的角度扩展矢量信道：

23、包含时间，频率和空间的三维信息的多天线系统。天线元素空间距离小于相干距离空间选择性衰落大的角度扩展1.3.4. 小尺度衰落的典型模型无线通信中的多径传播使得接收信号的幅度和相位都发生了急剧的变化，通常情况下相位服从均匀分布，幅度分别服从瑞利分布，莱斯分布和Nakagami分布。a瑞利分布模型在发射天线和接收天线之间主要靠绕射和散射出阿伯信号而不存在直射传播，不存在主导分量，因此瑞利衰落信道是纯多径信道。B莱斯分布模型在发射机和接收机中间存在直射路径，存在主导分量，该路径功率最强。C Nakagami分布模型 对于无线通信系统中Nakagami分布能很好的描述多簇散射现象，每一簇内的所有散射子径

24、是不可分辨径，而各簇间的信号是独立可分辨的，所有簇信号叠加后的幅度服Nakagami分布。2. MIMO信道建模2.1. MIMO无线信道概述信道是指在发射端安装根天线和接收端安装根天线而形成的无线信道。信道是由×个信道构成的矩阵信道，MIMO信道的冲击响应矩阵为：式中，=是延迟为时的信道负数矩阵，该矩阵中的元素表示第S根发射天线到第U根接受显现的复传输系数。MIMO天线系统原理图2.2. MIMO无线信道容量MIMO系统充分利用了无线信道的空间多径特征，在不增加系统带宽和天线总发射功率的前提下，极大地提高频谱利用率和信号的传输质量，因此无线信道的空间相关性是决定多天线系统性能的重要

25、因素。MIMO信道容量与信道的相关性密切相关。在发射端未知CSI时，信道容量可表示为其中是发射天线之间相关性的相关矩阵，是接收天线相关性的相关矩阵，为i.i.d瑞利衰落的信道增益矩阵。和的对角线元素都限定为1.如果=N，和是满秩的，且SNR很高，那么上式可近似为因为<0,（可以证明任意相关矩阵R，有<0或等于0），所以可看出，发射天线和接收天线之间的相关性使得信道容量减小了。下面即对天线相关性对系统容量影响做了仿真。 信道相关性导致信道容量减少上图仿真结果表示：当变为下面相关矩阵（仍不相关）时对系统容量带来的影响 （相关矩阵）可以看到，当SNR为20dB时，信道相关使得容量损失了约

26、4bps/Hz。因此，MIMO系统信道相关性是影响信道容量的很重要原因。因此，下面即研究MIMO无线信道各参数对天线相关性的影响。2.3. MIMO无线信道主要参数无线信道的主要参数有角度功率谱（）、角度扩展（）、接收端的平均到达角（）和发射端的平均离开角（）、发射端和接收端的天线配置以及多普勒扩展等。角度功率谱 角度功率谱(Power Azimuth Spectrum ， PAS)是描述传输信号的功率谱密度随角度分布的函数，它直接影响MIMO无线信道空时特性(基于多普勒功率谱的时间相关性和基于角度功率谱的空间相关性)，因此是MIMO无线信道重要的空间统计特征。一般情况下角度功率谱服从均匀分布

27、、截短高斯分布和截短拉普拉斯分布。 （不同环境下PAS分类） （均匀分布下PAS分布及空间相关系数） （截断高斯分布下PAS分布及空间相关系数） （截断拉式分布下PAS分布及空间相关系数）从上面个图可以看出，不同的环境下适用不同类型的PAS分布，不同类型的PAS分布也会有不同的空间相关系数。b.角度扩展角度扩展(Angle Spread ，AS)是由于信号经过收发天线两端周围的本地散射体以及无线信道周围的远端散射体散射后而使得到达接收天线的角度展宽。由于无线传播环境的随机性和时变性，因此角度扩展是一个随机变量，一般用扩展角的均方根(RMS )来定义角度扩展。c.平均到达角和平均离开角 在过去的

28、研究中，都均认为平均到达角方向和平均离开角方向与收发天线阵列的法线平行，没有考虑到当天线阵列方位改变时而引起平均到达/离开角的变化，而信道空间特征在很大程度上也会受到平均到达角和平均离开角的影响。d.收发多天线的配置多入多出的MIMO系统就是在接收端和发射端采用了多根天线来解决当前频谱资源匾乏的问题，提高了通信质量。MIMO系统对多天线配置的基本要求为天线间保持低相关性、高的空间自由度以及保证天线单元的增益等，因此需要充分考虑天线的数目、极化特性、单元间距和阵列结构等实际因素。就其天线的设计思路而言，一般分为垂直与水平极化天线和双极化天线(士45“极化方式)。较普遍的阵列形式有均匀直线阵、均匀圆形阵和平面阵等。天线单元间距是指相邻的两根天线之间的距离，用载波波长兄对其进行归一化处理，信道空间相关性与天线单元间距成反比。 （不同天线数目下系统容量）e.多普勒扩展 在高速移动环境中，多普勒扩展会导致接收信号失真从而引起较高的误码率，严重影响了无线通信质量。因此我们不得不在技术上加以考虑尽量避免由此造成的通信问题。接下来，重点研究移动性对系统的影响。3. 移动性对系统的影响(1)高速移动环境下的电波传播场景种类繁多，例如城市、山区、平原、高架桥、路堑、开阔区、隧道，无线信道特性