本文格式為Word版，下載可任意編輯——MIMO信道建模（本科畢業(yè)）

摘要

MIMO技術(shù)由于能夠在不增加傳輸信道帶寬的條件下成倍的提高無線信道的容量，因而被認(rèn)為是現(xiàn)代通信技術(shù)中的重大突破之一，越來越成為無線通信領(lǐng)域的研究熱點。MIMO技術(shù)是未來無線通信系統(tǒng)中實現(xiàn)高數(shù)據(jù)速率傳輸、改善傳輸質(zhì)量、提高系統(tǒng)容量的重要途徑。MIMO信道模型無論是在MIMO技術(shù)的理論研究階段還是在MIMO系統(tǒng)的應(yīng)用階段都是必需的。因此，MIMO信道的建模是MIMO理論研究中的重要內(nèi)容。本文綜合考慮了多種因素提出了合理的MIMO信道模型。

本文首先總結(jié)了無線信道的特點，包括它的傳播方式、衰落特性，并給出了兩種常見的無線信道的數(shù)學(xué)模型和MIMO信道中的一些參數(shù)的介紹。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)發(fā)射端和接收端天線的陣列結(jié)構(gòu)、發(fā)射信號的離開角與角度擴展、接收信號的到達角與角度擴展、角度功率譜、多普勒功率譜等參數(shù)，提出了一個合理的MIMO無線信道模型。還詳細描述了信道相關(guān)性的問題。最終提出了對信道模型進行仿真的方法、流程圖，并對仿真結(jié)果進行了分析。

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增加帶寬。若各發(fā)射和接收天線間的通道響應(yīng)獨立，則多入多出系統(tǒng)可以創(chuàng)造多個并行空間信道[13]。通過這些并行空間信道獨立地傳輸信息，數(shù)據(jù)率必然可以提高。因此，數(shù)據(jù)子流的獨立性和數(shù)據(jù)在各個天線間的分派方式是影響系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素。獨立數(shù)據(jù)子流的數(shù)目，由天線鏈路間的衰落相關(guān)性決定，因此在MIMO系統(tǒng)中，天線鏈路間的衰落相關(guān)性成為影響MIMO系統(tǒng)的關(guān)鍵因素之一。MIMO系統(tǒng)能夠充分的利用信號的所有空時頻域的特性，具有如下的優(yōu)點[2]：

（1）利用或者減少多徑衰落：MIMO技術(shù)能夠充分采用多徑的各種發(fā)射/合成技術(shù)，提高無線通信系統(tǒng)的性能；

（2）消除共道干擾：MIMO系統(tǒng)能夠采用自適應(yīng)波束形成技術(shù)或多用戶檢測技術(shù)對共道干擾進行有效抑制或刪除；

（3）提高頻譜利用率：由于陣列天線可以降低共道干擾和多徑衰落的影響，因而在一定的信干噪比條件下可以降低誤碼率，或者在一定的誤碼率下可以降低檢測所需要的信噪比。MIMO系統(tǒng)能夠抑制或消除共道干擾以及碼間干擾，同時利用分級技術(shù)提高接收信號的信噪比，因此基站和移動端的發(fā)射功率可以得到一定程度的降低，同時間小空間電磁干擾的影響、延長移動終端電池使用時間、減小對生態(tài)環(huán)境的影響、降低系統(tǒng)對功率控制精度和器件的要求。

MIMO技術(shù)的使用可以追溯到20世紀(jì)的馬可尼時代，早在1908年馬可尼就提出用它來抗衰落。人們研究發(fā)現(xiàn)，多副天線構(gòu)成的接收陣列可以有效地戰(zhàn)勝無線蜂窩系統(tǒng)中的共道干擾。二次世界大戰(zhàn)后，對雷達系統(tǒng)中天線陣列的研究尤為活躍。到20世紀(jì)70年代，由于軍事上的原因，數(shù)字信號處理技術(shù)得到了快速發(fā)展，這使得更多的關(guān)于天線陣列的研究的自適應(yīng)信號處理技術(shù)的實現(xiàn)成為可能，從而進一步提高了分集性能，降低了干擾[3]。到20世紀(jì)90年代初，人們發(fā)現(xiàn)使用多天線可以增加無線信道的容量[4]。接下來，Bell試驗室在20世紀(jì)90年代中后期一系列研究成果的出臺[5]，對MIMO技術(shù)的研究起了很大的推動作用，開創(chuàng)了無線通信的一場新的技術(shù)革命。1.1.2信道建模的必要性

隨著無線通信技術(shù)的不斷發(fā)展，用戶對數(shù)據(jù)傳輸速率和多種無線業(yè)務(wù)的需求也在不斷增加，除了傳統(tǒng)的語音業(yè)務(wù)外，人們期望能以較低的價格和更高的數(shù)據(jù)速率獲取Internet接入和多媒體服務(wù)。此外，以GSM(GlobalSystemforMobileCommunication)為代表的其次代蜂窩移動通信系統(tǒng)頻譜利用率較低，可利用的無線頻譜資源又日趨緊張，無線通信系統(tǒng)在系統(tǒng)容量、網(wǎng)絡(luò)覆蓋、運營成本等方面出現(xiàn)了一些新的問題和矛盾。上述兩個方面的需求不斷地推動著新型無線通信技術(shù)的誕生、發(fā)展和應(yīng)用。特別近幾年來，無線數(shù)據(jù)和移動Internet業(yè)務(wù)需

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求的持續(xù)增長，使得如何實現(xiàn)高頻譜利用率并支持分組業(yè)務(wù)的高速數(shù)據(jù)傳輸成為迫切需要解決的根本問題，這對未來一代無線通信網(wǎng)絡(luò)和無線傳輸技術(shù)提出了巨大挑戰(zhàn)。從技術(shù)角度看，解決這一問題需要研究全新的無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和新型的無線傳輸技術(shù)[6]。

在過去十年里，無線通信中受到較多關(guān)注的新興技術(shù)主要有：碼分多址(CDMA,CodeDivisionMultipleAccess)、正交頻分復(fù)用(OFDM)、智能天線(SmartAntenna)、UWB(UltraWideBand，超寬帶)技術(shù)、多入多出(MIMO,Multiple-InputMultiple-Output)技術(shù)[7]、軟件無線電技術(shù)以及認(rèn)知無線電(CognitiveRadio)等。在上述的這幾種技術(shù)中，以MIMO為代表的多天線技術(shù)在無線通信中的應(yīng)用顯得更為廣泛，正扮演著越來越重要的角色。

MIMO技術(shù)的核心是空時信號處理，利用在空間中分布的多個天線將時間域和空間域結(jié)合起來進行信號處理，有效地利用了信道的隨機衰落和多徑傳播來成倍的提高傳輸速率，改善傳輸質(zhì)量和提高系統(tǒng)容量，能在不額外增加信號帶寬的前提下帶來無線通信性能上幾個數(shù)量級的提高。目前對MIMO技術(shù)的應(yīng)用主要集中在以空時編碼(STC,Space-TimeCodes)為典型的空間分集(diversity)和以BLAST(BellLAyeredSpace-Timearchitecture)為典型的空間復(fù)用(multiplexing)兩個方面。MIMO作為未來一代寬帶無線通信系統(tǒng)的框架技術(shù)，是實現(xiàn)充分利用空間資源以提高頻譜利用率的一個必然途徑，基于MIMO的無線通信理論和傳輸技術(shù)顯示了巨大的潛力和發(fā)展前景。

然而，MIMO系統(tǒng)大容量的實現(xiàn)和系統(tǒng)其它性能的提高以及MIMO系統(tǒng)中使用的各種信號處理算法的性能優(yōu)劣都極大地依靠于MIMO信道的特性，特別是各個天線之間的相關(guān)性。最初對MIMO系統(tǒng)性能的研究與仿真尋常都是在獨立信道的假設(shè)下進行的，這與實際的MIMO信道大多數(shù)狀況下具有一定的空間相關(guān)性是不太符合的。MIMO系統(tǒng)的性能在很大程度上會受到信道相關(guān)性的影響。因此，建立有效的能反映MIMO信道空間相關(guān)特性的MIMO信道模型以選擇適合的處理算法并評估系統(tǒng)性能就變得相當(dāng)重要了。

1.2選題意義和研究內(nèi)容

MIMO技術(shù)由于能夠在不增加傳輸信道帶寬的條件下成倍的提高無線信道的容量，因而被認(rèn)為是現(xiàn)代通信技術(shù)中的重大突破之一，越來越成為無線通信領(lǐng)域的研究熱點。MIMO技術(shù)是未來無線通信系統(tǒng)中實現(xiàn)高數(shù)據(jù)速率傳輸、改善傳輸質(zhì)量、提高系統(tǒng)容量的重要途徑。MIMO信道模型無論是在MIMO技術(shù)的理論研究階段還是在MIMO系統(tǒng)的應(yīng)用階段都是必需的。因此，MIMO信道的建模是MIMO理論研究中的重要內(nèi)容。

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本文在研究了MIMO理論、無線信道的特性以及無線信道的數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，綜合考慮了MIMO信道的各種衰落特性，提出了合理的、實現(xiàn)繁雜度低的通用的MIMO空時信道模型，比較全面的反映了MIMO無線通信系統(tǒng)中信道的空間衰落特性，即信道的空間相關(guān)性特性。通過分析收發(fā)兩端天線陣列間的空間相關(guān)性及其與天線間距、波的到達角度、角度擴展等空間參數(shù)的關(guān)系，提出了對此信道仿真的方法，并建立了相應(yīng)的MIMO信道模型的仿真，得出仿真結(jié)果并進行了分析。

1.3本文的結(jié)構(gòu)

第一章緒論，簡單的介紹MIMO技術(shù)以及它的研究現(xiàn)狀，指出了MIMO技術(shù)的優(yōu)勢和信道建模的必要性，指明白本文的出發(fā)點。

其次章MIMO無線信道的特點，本章是進行MIMO信道建模的基礎(chǔ)。MIMO信道首先也是一種無線信道，因此本章先介紹了無線信道的特性，包括它的傳播方式、衰落特性包括大尺度衰落和小尺度衰落以及由時延擴展、多普勒擴展、角度擴展引起的衰落類型，并對無線信道的特性作了總結(jié)，還介紹了無線信道的數(shù)學(xué)模型，包括瑞利衰落信道和萊斯衰落信道的數(shù)學(xué)模型，最終簡單的介紹了MIMO無線信道的各種參數(shù)。

第三章MIMO信道建模，這一章是本文的重點和核心部分。首先概括性的介紹了MIMO信道建模的方法，然后提出了基于統(tǒng)計特性的信道模型。建模的過程中，首先介紹了影響該模型的主要參數(shù)，之后給出了模型的數(shù)學(xué)描述。接著從相關(guān)矩陣和相關(guān)系數(shù)兩方面重點研究了MIMO信道的相關(guān)性。

第四章信道模型的仿真，本章首先闡述了第三章所提出的MIMO無線信道模型的仿真設(shè)計思路、方法，介紹了仿真的處理流程以及相關(guān)衰落的產(chǎn)生，并給出相應(yīng)的流程圖，最終對仿真的結(jié)果進行分析。

第五章總結(jié)，對全文進行了概括性的總結(jié)，明確了今后需要進一步研究的問題。

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2MIMO無線信道的特點

對MIMO信道進行建模離不開對無線信道特性的分析，只有在充分理解了無線信道的各種特性之后，才能更進一步，找到用于描述MIMO信道的適合的數(shù)學(xué)模型。與傳統(tǒng)的單入單出(SISO,Single-InputSingle-Output)信道所不同的是，對于MIMO信道，信道信息從原來的二維(時間、頻率)擴展到了包含時間、頻率和空間的三維信息。因此，為確鑿地描述MIMO信道的統(tǒng)計特性，必需引入空間維度。在了解傳統(tǒng)無線信道的多徑、時延擴展、多普勒擴展等統(tǒng)計變量的同時，還必需了解信道的空間特性，譬如到達角(AOA,AngleofArrival)、離開角(AOD,AngleofDeparture)、角度擴展(AS,AzimuthSpread)和角度功率譜(PAS,PowerAzimuthSpectrum)等。本章首先介紹無線信道的特性，再對無線信道的各種特性和分類做一個總結(jié)，最終介紹MIMO無線信道的參數(shù)特點，為下一部分對MIMO信道的建模作基礎(chǔ)。

2.1信號傳播方式

在無線傳播環(huán)境下進行通信，信號可能要經(jīng)過大量的障礙物，如大樓、街道、樹木以及移動的汽車等。信號的傳播途徑大致可分為四種：

（1）直線傳播在較開闊的地區(qū)，如郊區(qū)或農(nóng)村。然而在城市環(huán)境中，直線傳播很少見。

（2）反射信號往往經(jīng)過大的建筑物、平坦的地面和高山反射。反射是信號傳播的一種重要途徑。

（3）折射信號經(jīng)過障礙物的邊界時，經(jīng)折射繞過障礙物而到達目的地，信號經(jīng)折射后衰減很大。因此，在無線信道模型中，一般忽略這種傳播途徑。（4）散射當(dāng)信號遇到一個或多個較小的障礙物時，出現(xiàn)散射現(xiàn)象，即信號分成了大量個隨機方向的信號。散射在城市通信中為最重要的一種傳播方式。信號經(jīng)散射后很難預(yù)計，因此理論上的建模往往建立在統(tǒng)計分析的基礎(chǔ)上。

在實際環(huán)境中，信號利用障礙物的反射、散射或直線傳播等，經(jīng)多條路經(jīng)到達接收端，即多徑傳播，從而形成了多徑信道。

2.2信道衰落

無線信道的傳播模型可分為大尺度傳播模型和小尺度傳播模型兩種。大尺度模型主要用于描述發(fā)射機與接收機之間長距離幾百或幾千米上的信號強度變化。但這兩種模型并不是相互獨立的，在同一個無線信道中，即存在大尺度衰落，也

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存在小尺度衰落。一般而言，大尺度表征了接收信號在一定時間內(nèi)的均值隨傳播距離的環(huán)境變化而浮現(xiàn)的緩慢變化，小尺度衰落表征接收信號短時間內(nèi)的快速波動。因此實際的無線信道衰落因子可表示為：

?(t)??(t)?(t)（2.1）

式中，?(t)表示衰落因子；?(t)表示小尺度衰落；?(t)表示大尺度衰落。2.2.1大尺度衰落特性

大尺度衰落是用于描述發(fā)射機與接收機之間長距離幾百或幾千米上的信號強度變化。實際上，大尺度衰落?(t)不僅與時間有關(guān)，還與距離和載波頻率有關(guān)。為了表達便利，上式中省略了距離因子d和載頻fc?；诶碚摵蜏y試的傳播模型指出，無論室內(nèi)還是室外信道，平均接收信號功率隨距離的對數(shù)而衰減。

?(t,d)?(

dn)d0(2.2)

或

?(t,d)[dB]??(t,d0)[dB]?10nlog(

d)d0(2.3)

式中，n為路徑損耗指數(shù)，說明路徑損耗隨距離增長的速率；d0是近地參考距離，由測試決定；d為發(fā)射機和接收機距離。在自由空間傳播時，n為2，當(dāng)有障礙物時，n變大。

但此式?jīng)]有考慮在一致距離狀況下，不同位置的周邊環(huán)境區(qū)別十分。測試說明，對于任意d，特定位置的路徑損耗?(t,d)又聽從隨機正態(tài)分布，即：

?(t,d)[dB]??(t,d0)[dB]?10nlog(