1、 摘 要當(dāng)今時(shí)代移動(dòng)通信越來越離不開人們的生活，但是目前移動(dòng)通信技術(shù)發(fā)展遇到了瓶頸。有限的頻率資源和日益增長的用戶需求成為移動(dòng)通信技術(shù)中最主要的矛盾。在未來的移動(dòng)通信發(fā)展中,如何有效大幅度提高無線鏈路的數(shù)據(jù)傳輸速率成為充滿挑戰(zhàn)性的關(guān)鍵問題。MIMO技術(shù)能在不增加傳輸信道帶寬的前提下使得整個(gè)系統(tǒng)容量呈線性增長,這使得該技術(shù)成為了現(xiàn)代無線通信中的必選技術(shù)之一。MIMO技術(shù)是無線通信中實(shí)現(xiàn)了高速率數(shù)據(jù)傳輸、改善傳輸質(zhì)量、提高系統(tǒng)容量的重要途徑。MIMO技術(shù)徹底打破傳統(tǒng)的無線通信模式，它要求系統(tǒng)使用多根發(fā)射和接收天線同時(shí)地發(fā)射和接收數(shù)據(jù)，使得無線通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、分析方法、調(diào)制、編碼、信道估計(jì)、檢測(cè)和多址

2、方式等各個(gè)方面面臨挑戰(zhàn)。本文在國內(nèi)外相關(guān)研究工作的基礎(chǔ)上，針對(duì)MIMO信道容量理論進(jìn)行深入研究。本文綜述了MIMO技術(shù)信道容量的分析并進(jìn)行了合理的MIMO信道仿真,并總結(jié)了現(xiàn)代無線信道傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，包括無線信道的傳播方式、衰落特性。在此基礎(chǔ)上，對(duì)MIMO系統(tǒng)信道相關(guān)性問題進(jìn)行詳細(xì)描述了并進(jìn)行了合理的分析?！娟P(guān)鍵詞】MIMO 無線信道 信道容量 信道仿真 相關(guān)性ABSTRACTIn modern times mobile communication has become more and more inseparable from the peoples life, but the mobile

3、communication technology development encountered bottleneck. Limited frequency resource, and the increasing user demand become the main contradiction in the mobile communication technology. In the development of future mobile communication, how to effectively raise the data transfer rate of the wire

4、less link becomes the key issue in the challenging. MIMO technology can without any increase in the transmission channel bandwidth is linear growth under the premise of making the whole system capacity, which makes the technology become one of the choice of the modern wireless communication technolo

5、gy. MIMO technology is realized the high speed data transmission in wireless communication, improve the transmission quality and important way to increase the system capacity.MIMO technology thoroughly breaks the mode of traditional wireless communications, since it requires multiple transmit and re

6、ceive antennas to simultaneously transmit and receive data information in the same time, which challenges all the aspects of wireless communications including system architecture, analytical methods, modulation, coding, detection, channel estimation, multiple access, and so on. On the basis current

7、research works, this paper investigates MIMO channel capacity. This paper reviews the technology of MIMO channel capacity analysis and reasonable simulation of MIMO channel and summarizes the characteristics of modern wireless channel transmission, including the mode of transmission, fading characte

8、ristics of wireless. On this basis, the channel correlation problem of MIMO system are described in detail and analyzed reasonably.【key words】MIMO Wireless channel Channel capacity Correlation Channel simulation目 錄前 言1第一章 MIMO技術(shù)概述3第一節(jié) MIMO系統(tǒng)發(fā)展概述3一、MIMO技術(shù)研究背景3二、MIMO應(yīng)用前景3三、MIMO技術(shù)發(fā)展存在的問題4第二節(jié) MIMO技術(shù)簡介6本

9、章小結(jié)7第二章 無線信道傳播的基本特征8第一節(jié) 無線信道傳播特點(diǎn)8一、無線信道傳播方式8二、無線信道傳播擴(kuò)展方式9第二節(jié) 無線衰落信道的基本特征11一、大尺度衰落特性11二、小尺度衰落特性12第三節(jié) 兩種典型的無線衰落信道13一、瑞利衰落信道13二、萊斯衰落信道14本章小結(jié)16第三章 MIMO系統(tǒng)的容量17第一節(jié) MIMO信道建模的概述17第二節(jié) 恒參信道條件下的MIMO信道容量分析17第三節(jié) 信道容量的仿真結(jié)果比較21本章小結(jié)23第四章 MIMO信道的相關(guān)性研究24第一節(jié) MIMO系統(tǒng)相關(guān)性的概述24第二節(jié) MIMO相關(guān)信道模型27第三節(jié) 相關(guān)信道下容量的分析28本章小結(jié)29結(jié) 論33致 謝

10、34參考文獻(xiàn)35附 錄36前 言 無線通信作為新興的通信技術(shù)在日常生活中的作用越來越大。近年來，無線局域網(wǎng)技術(shù)發(fā)展迅速，但無線局域網(wǎng)的性能、速度與傳統(tǒng)以太網(wǎng)相比還有一定距離，因此如何提高無線網(wǎng)絡(luò)的性能和容量日益顯得重要。多入多出(MIMO，Multiple-InputMultiple-Out-put)或多發(fā)多收天線(MTMRA，MultipleTransmitMultipleReceiveAntenna)技術(shù)成為了無線移動(dòng)通信領(lǐng)域智能天線技術(shù)方面的重大突破。該技術(shù)能在不增加帶寬的情況下成倍地提高通信系統(tǒng)的容量和頻譜利用率，是新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)必須采用的關(guān)鍵技術(shù)。它擴(kuò)展了一維智能天線技術(shù)，具有極

11、高的頻譜利用率，能在不增加帶寬的情況下成倍提高通信系統(tǒng)的容量，且信道可靠性大為增強(qiáng)，是新一代無線通信系統(tǒng)（即所謂的Beyond 3G/4G）采用的核心技術(shù)之一。Bell實(shí)驗(yàn)室的BLAST系統(tǒng)是最早研制的MIMO實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)工作頻率為1.9 GHz，發(fā)射8天線，接收12天線，采用D-BLAST算法。頻譜利用率達(dá)到了25.9 bits/(Hz/s)。但該系統(tǒng)僅對(duì)窄帶信號(hào)和室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行了研究，對(duì)于在3G、4G應(yīng)用尚有相當(dāng)大距離。在發(fā)送端和接收端各設(shè)置多重天線，可以提供空間分集效應(yīng)，克服電波衰落的不良影響。這是因?yàn)榘才徘‘?dāng)?shù)亩喔碧炀€提供多個(gè)空間信道，不會(huì)全部同時(shí)受到衰落。在上述具體實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，每一

12、基臺(tái)各設(shè)置2副發(fā)送天線和3副接收天線，而每一用戶終端各設(shè)置1副發(fā)送天線和3副接收天線，即下行通路設(shè)置23天線、上行通路設(shè)置13天線。這樣與“單輸入/單輸出天線”SISO相比，傳輸上取得了1020dB的好處，相應(yīng)地加大了系統(tǒng)容量。而且，基臺(tái)的兩副發(fā)送天線于必要時(shí)可以用來傳輸不同的數(shù)據(jù)信號(hào)，用戶傳送的數(shù)據(jù)速率可以加倍。朗訊科技的貝爾實(shí)驗(yàn)室分層的空時(shí)（BLAST）技術(shù)是移動(dòng)通信方面領(lǐng)先的MIMO應(yīng)用技術(shù)，是其智能天線的進(jìn)一步發(fā)展。BLAST技術(shù)就其原理而言，是利用每對(duì)發(fā)送和接收天線上信號(hào)特有的“空間標(biāo)識(shí)”，在接收端對(duì)其進(jìn)行“恢復(fù)”。利用BLAST技術(shù)，如同在原有頻段上建立了多個(gè)互不干擾、并行的子信道

13、，并利用先進(jìn)的多用戶檢測(cè)技術(shù)，同時(shí)準(zhǔn)確高效地傳送用戶數(shù)據(jù)，其結(jié)果是極大提高前向和反向鏈路容量。BLAST技術(shù)證明，在天線發(fā)送和接收端同時(shí)采用多天線陣，更能夠充分利用多徑傳播，達(dá)到“變廢為寶”的效果，提高系統(tǒng)容量。理論研究業(yè)已證明，采用BLAST技術(shù)，系統(tǒng)頻譜效率可以隨天線個(gè)數(shù)成線性增長，也就是說，只要允許增加天線個(gè)數(shù)，系統(tǒng)容量就能夠得到不斷提升。這也充分證明BLAST技術(shù)有著非常大的潛力。 鑒于對(duì)于無線通信理論的突出貢獻(xiàn)，BLAST技術(shù)獲得了2002年度美國Thomas Edison（愛迪生）發(fā)明獎(jiǎng)。2002年10月，世界上第一顆BLAST芯片在朗訊公司貝爾實(shí)驗(yàn)室問世，貝爾實(shí)驗(yàn)室研究小組設(shè)計(jì)小

14、組宣布推出了業(yè)內(nèi)第一款結(jié)合了貝爾實(shí)驗(yàn)室Layered Space Time (BLAST) MIMO技術(shù)的芯片，這一芯片支持最高44的天線布局，可處理的最高數(shù)據(jù)速率達(dá)到19.2Mbps。該技術(shù)用于移動(dòng)通信，BLAST芯片使終端能夠在3G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中接收每秒19.2兆比特的數(shù)據(jù)，現(xiàn)在，朗訊科技已經(jīng)開始將此BLAST芯片應(yīng)用到其Flexent OneBTS家族的系列基站中，同時(shí)還計(jì)劃授權(quán)終端制造商使用該BLAST芯片，以提高無線3G數(shù)據(jù)終端支持高速數(shù)據(jù)接入的能力。2003年8月，Airgo Networks推出了AGN100 Wi-Fi芯片組，并稱其是世界上第一款集成了多入多出(MIMO)技術(shù)的批量

15、上市產(chǎn)品。AGN100使用該公司的多天線傳輸和接收技術(shù)，將現(xiàn)在Wi-Fi速率提高到每信道108Mbps，同時(shí)保持與所有常用Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)的兼容性。 該產(chǎn)品集成兩片芯片，包括一片Baseband/MAC芯片(AGN100BB)和一片RF芯片(AGN100RF)，采用一種可伸縮結(jié)構(gòu)，使制造商可以只使用一片RF芯片實(shí)現(xiàn)單天線系統(tǒng)，或增加其他RF芯片提升性能。該芯片支持所有的802.11 a、b g模式，包含IEEE 802.11工作組推出最新標(biāo)準(zhǔn)(包括TGi安全和TGe質(zhì)量的服務(wù)功能)。 Airgo的芯片組和目前的Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)兼容，支持802.11a, b,和g模式，使用三個(gè)5-GHz和三個(gè)2.4

16、-GHz天線，使用Airgo芯片組的無線設(shè)備可以和以前的802.11設(shè)備通訊，甚至可以在以54Mbps的速度和802.11a設(shè)備通訊的同時(shí)還可以以108Mbps的速度和Airgo的設(shè)備通訊。目前，世界各國學(xué)者都在對(duì)MIMO的理論、性能、算法和實(shí)現(xiàn)等各方面進(jìn)行著廣泛的研究，MIMO技術(shù)已成為通信技術(shù)發(fā)展中最為炙手可熱的課題。第一章 MIMO技術(shù)概述第一節(jié) MIMO系統(tǒng)發(fā)展概述一、MIMO技術(shù)研究背景 新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)所追求的目標(biāo)就是任何人，任何時(shí)候可以與任何地方的任何人進(jìn)行通信，并要求能以更低成本提供上百兆bits/s的多媒體數(shù)據(jù)通信速率，顯然必須開發(fā)高頻譜效率的無線傳輸方案才可能實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)。

17、而隨著無線通信技術(shù)的快速發(fā)展，頻譜資源的嚴(yán)重不足己經(jīng)日益成為遏制無線通信事業(yè)的瓶頸。所以如何充分開發(fā)利用有限的頻譜資源，提高頻譜利用率，是當(dāng)前通信界研究的熱點(diǎn)課題之一。追求盡可能高的頻譜利用率已成為并且在今后仍然是一個(gè)充滿挑戰(zhàn)的問題。這種挑戰(zhàn)促使人們努力開發(fā)高效的編碼，調(diào)制及信號(hào)處理技術(shù)來提高無線頻譜的效率。MIMO技術(shù)被認(rèn)為是未來移動(dòng)通信與個(gè)人移動(dòng)通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高速率數(shù)據(jù)傳輸，提高傳輸質(zhì)量的重要途徑。近幾年來，對(duì)無線系統(tǒng)中使用多天線以及空時(shí)編碼與調(diào)制技術(shù)的研究己成為無線系統(tǒng)中新的領(lǐng)域，而且在理論和實(shí)踐上也日漸成熟。當(dāng)前，空時(shí)處理技術(shù)已經(jīng)引入3G系統(tǒng)、4G系統(tǒng)、固定和移動(dòng)IEEE 802.11協(xié)

18、議和無線局域網(wǎng)IEEE 802.21協(xié)議等標(biāo)準(zhǔn)中，而且使用此技術(shù)的專利產(chǎn)品也己經(jīng)出現(xiàn)。從理論上可以證明，如果在發(fā)射端和接收端同時(shí)使用多天線，那么這種MIMO系統(tǒng)的內(nèi)在信道并行性必然在提高整個(gè)系統(tǒng)容量的同時(shí)，提高整個(gè)系統(tǒng)性能。如果接收端可以準(zhǔn)確地估計(jì)信道信息，并保證不同發(fā)射接收天線對(duì)之間的衰落相互獨(dú)立，對(duì)于一個(gè)擁有n個(gè)發(fā)射天線和m個(gè)接收天線的系統(tǒng)，能達(dá)到的信道容量隨著min(n，m)的增加而線性增加。也就是說，在其他條件都相同的前提下，多天線系統(tǒng)的容量是單天線系統(tǒng)的min(n，m)倍。因此，多天線信道容量理論的提出無疑給解決高速無線通信問題開辟了一條新的思路。二、MIMO應(yīng)用前景MIMO已被廣泛

19、應(yīng)用于固定的無線接人網(wǎng)。第一個(gè)成功應(yīng)用MIMO技術(shù)的產(chǎn)品是由德國Airgo 公司2003年推出的Wi-Fi芯片組AGNl00。該芯片組采用2個(gè)發(fā)送和2接收天線, 用20MHz 的帶寬可實(shí)現(xiàn)108Mbit/s的最高傳輸速率, 是傳統(tǒng)SISO的802.11 。和802.119 的2倍。另外IEEE也成立了802.lln工作組, 正在制定第2代無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.11n。802.11n最核心的技術(shù)就是MIMO+OFDM。第2 代從WLAN目標(biāo)是: 在第1代WLAN提供的服務(wù)范圍內(nèi)(10l00m ),傳輸速度將會(huì)提高45倍, 即使距離增加到幾公里也能保證l00Mbit/s的傳輸速率。同時(shí)無線

20、城域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.16也通過引人MIMO技術(shù)來改進(jìn)非視距的接收性能。MIMO現(xiàn)在已被第3代移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)(3G)采用, 主要利用MIMO空間分集的優(yōu)點(diǎn)提高系統(tǒng)性能。在WCDMA協(xié)議中,可使用6種分集發(fā)射方法: 空時(shí)分集發(fā)射(STTD) 、時(shí)間切換分集發(fā)射(TSTD)、2 種閉環(huán)分集發(fā)射模式、軟切換中的宏分集以及站點(diǎn)選擇分集發(fā)射(SDT)?；居?個(gè)發(fā)送天線,其本質(zhì)是MIMO的空間分集?；久總€(gè)天線到手機(jī)的信號(hào)通過正交碼來區(qū)分。另外,在3GPP的高速下行鏈路分組接人方案(HSDPA)中提出了使用MIMO天線系統(tǒng), 此系統(tǒng)在發(fā)送和接收方都有多副天線。在已經(jīng)部署的WCDMA網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)耗費(fèi)了運(yùn)營商

21、大量的投資，因此HSPA+作為一個(gè)過渡技術(shù)誕生了。HSPA+吸收了LTE中不少先進(jìn)技術(shù)，MIMO就是應(yīng)用HSPA+協(xié)議中的重點(diǎn)技術(shù)之一?，F(xiàn)如今已被初步應(yīng)用的第4代移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)也同樣應(yīng)用了MIMO技術(shù),4G移動(dòng)通信技術(shù)的信息傳輸級(jí)數(shù)要比3G的信息傳輸級(jí)數(shù)高一個(gè)等級(jí)。數(shù)據(jù)率超過UMTS(通用移動(dòng)通信系統(tǒng)),是支持高速數(shù)據(jù)率(220Mbit/S)連接的理想模式, 上網(wǎng)速度2Mbit/s提高到10Mbit/s。高速移動(dòng)情況下, 用5MHz帶寬實(shí)現(xiàn)20Mbit/s的傳輸速率,MIMO技術(shù)與OFDM技術(shù)的結(jié)合將會(huì)是4G重要核心技術(shù)。例如IEEE802.16.3寬帶固定無線接入標(biāo)準(zhǔn)的物理層把空時(shí)碼作為內(nèi)碼,

22、RS碼作為外碼;歐洲WIND-FLEX項(xiàng)目研究空時(shí)處理用于室內(nèi)64100Mbit/s的無線自適應(yīng)MODEM。數(shù)據(jù)速率20Mbit/s、帶寬效率提高20%的空時(shí)碼是4G的重要技術(shù)之一。三、MIMO技術(shù)發(fā)展存在的問題自從 Telatar 和 Foschini 在無線 MIMO 系統(tǒng)中做出了開創(chuàng)性的工作以來，目前在蜂窩無線系統(tǒng)、固定接入系統(tǒng)方面，已提出了各種實(shí)驗(yàn)性的 MIMO 系統(tǒng)，盡管在這方面已取得了較大的進(jìn)展，但是距離 MIMO 技術(shù)大規(guī)模投入商用的時(shí)間，有的專家估計(jì)至少還需要幾年，因?yàn)檫€有許多實(shí)際問題需要解決，這些問題主要包括以下幾個(gè)方面：1.天線的數(shù)量和間距天線的數(shù)量和各天線之間距離是 MI

23、MO 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)，如要實(shí)現(xiàn) MIMO 系統(tǒng)的高頻效率，后者更為重要。在基站安裝大量的天線，對(duì)周圍的環(huán)境會(huì)造成一定的損害，因此天線的數(shù)量宜限制在中等的水平，例如 4 根，它們之間的距離一般選擇為 10個(gè)波長，這個(gè)距離稍微偏大，之所以這樣選擇是因?yàn)榛疽话惆惭b在較高的位置，不能保證總是存在能使衰落去相關(guān)的本地散射體。如果使用雙極化天線，在 2GHz 的頻率上，10 倍波長的間隔，4 根天線占據(jù)的空間約為 1.5 米。對(duì)于終端，選擇半個(gè)波長的天線間距足以保證有相當(dāng)數(shù)量的不相關(guān)衰落，因?yàn)榻K端一般處于本地散射物之間，而且不存在直接傳播路徑，終端天線的最大數(shù)量預(yù)計(jì)為 4 根，但是實(shí)際實(shí)現(xiàn)時(shí)，一般選

24、擇最小的數(shù)目為 2 根。根據(jù)計(jì)算，4根雙極化天線要占據(jù) 7.5 cm 的空間，這 4 根天線可以非常容易地嵌入諸如筆記本電腦的外殼中，然而對(duì)于蜂窩手機(jī)，即使是安裝 2 根天線也成問題。2.接收機(jī)的復(fù)雜性MIMO 接收機(jī)與單天線接收機(jī)相比，復(fù)雜性明顯要增加，具體表現(xiàn)在：由于多用戶、多天線的存在，消除空間干擾的空時(shí)合并器和信號(hào)檢測(cè)器的設(shè)計(jì)變得異常復(fù)雜，例如（4，4）MIMO 系統(tǒng)與單天線接收機(jī)相比，復(fù)雜性要增加約 2 倍。由于 MIMO 接收機(jī)受周圍環(huán)境的散射影響，存在角度擴(kuò)展和延時(shí)擴(kuò)展，在均衡和干擾對(duì)消方面需要增加一些附加的處理。MIMO 信道估計(jì)也要導(dǎo)致復(fù)雜性的增加，因?yàn)檎麄€(gè)信道矩陣的每一條路

25、徑延時(shí)（在 OFDM 中為每一個(gè)時(shí)隙），都需要及時(shí)跟蹤和更新，而不是只跟蹤和更新單個(gè)系數(shù)。額外的復(fù)雜性還來自增加的 RF 鏈（與 Rx 天線的數(shù)目相等）和相應(yīng)的基帶運(yùn)算單元，還有接收機(jī)的隔離算法等。對(duì)于蜂窩手機(jī)，它的電池壽命長短也跟接收機(jī)的復(fù)雜性有關(guān)。3.MIMO 信道模型MIMO 系統(tǒng)的性能，在很大的程度上取決于所處環(huán)境多徑信號(hào)的性質(zhì)，特別要受各條路徑之間的相關(guān)度、時(shí)延擴(kuò)展和角度擴(kuò)展的影響。因此，了解和掌握戶內(nèi)和戶外環(huán)境中無線 MIMO 信道的特性，對(duì)實(shí)現(xiàn)潛在的巨大信道容量、取得預(yù)期的性能、選擇合適的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)優(yōu)良的信號(hào)處理算法至關(guān)重要。為此除了一些必要的實(shí)際測(cè)量外，必須建立合適的信道模

26、型，用于預(yù)測(cè)系統(tǒng)的性能和評(píng)估算法的優(yōu)劣。為了適應(yīng)無線信道的時(shí)變特性,不僅需要建立 MIMO 信道的靜態(tài)模型，還要建立特定的動(dòng)態(tài)模型，因?yàn)樘岢鲂碌暮透唧w的信道模型，可用于分析現(xiàn)有的傳輸算法是如何影響系統(tǒng)的性能的，同時(shí)為適應(yīng)這些更具體的模型要求，是否能提出一些新的算法。傳統(tǒng)的無線系統(tǒng)的傳播模型已成為了標(biāo)準(zhǔn)，不過到目前為止，ITU 還未制定相應(yīng)的 MIMO 信道模型標(biāo)準(zhǔn)，3GPP已制定出了有關(guān) MIMO 的信道模型標(biāo)準(zhǔn)。4.信道狀態(tài)信息（CSI）獲取和利用如何準(zhǔn)確地獲取信道的狀態(tài)信息并及時(shí)地反饋給發(fā)射機(jī)是 MIMO 系統(tǒng)設(shè)計(jì)中一個(gè)值得深入研究的課題，信道容量實(shí)際上是信道特征模式的函數(shù)，MIMO 信

27、道容量的實(shí)現(xiàn)將得益于知道信道狀態(tài)信息的發(fā)射機(jī)，因?yàn)榘l(fā)射端可以利用信道的狀態(tài)信息或部分反饋信息依據(jù)注水原理而不是平均分配發(fā)射功率。而且，如果已知信道的相關(guān)矩陣，還可以使信道編碼、每一支流的比特分配和放大器的功率管理做到最佳。5.系統(tǒng)的集成和信號(hào)設(shè)計(jì)MIMO 系統(tǒng)需要與現(xiàn)有的非 MIMO 通信網(wǎng)絡(luò)集成、向后兼容，即未來的 MIMO 接收機(jī)應(yīng)該是雙模式的。為此，MIMO 的信號(hào)設(shè)計(jì)可以從特殊的無線資源控制（RRC）消息中，獲得支持和幫助。例如，終端可以通過下行鏈路的廣播信令來知道基站是否處在MIMO 模式，同時(shí)，基站也需要知道終端是否處在 MIMO 模式，MIMO 通信鏈路可以在呼叫期間確立。另外，

28、在非 MIMO 模式通信中，終端也需要給基站提供反饋信息，隨時(shí)報(bào)告信道的質(zhì)量情況，如果信道條件許可，基站便可安排 MIMO 系統(tǒng)進(jìn)行傳輸，這些下行和上行的 RRC 消息一般放在信令消息的第二層。第二節(jié) MIMO技術(shù)簡介MIMO技術(shù)是利用多個(gè)發(fā)射天線和多個(gè)接收天線來抑制信道衰落，提高信道容量，提高頻譜利用率。MIMO信道是在收發(fā)兩端同時(shí)使用多個(gè)天線，每個(gè)收發(fā)天線之間形成一個(gè)MIMO子信道，假定發(fā)送端存在個(gè)發(fā)送天線，接收端有個(gè)接收天線，在收發(fā)天線之間形成信道矩陣H，如下： （1-1）元素是任意一對(duì)收發(fā)天線之間的子信道。當(dāng)天線相互之間有足夠遠(yuǎn)的距離時(shí)，各發(fā)送天線之間到各接收天線之間的信號(hào)傳輸就可以看

29、成是相互獨(dú)立的，矩陣H的秩較大，理想情況時(shí)矩陣H能達(dá)到滿秩。如果收發(fā)天線相互之間距離較近，各發(fā)送天線到各接收天線之間的信號(hào)傳輸可以看成是相關(guān)的，矩陣H的秩較小。因此MIMO信道容量和矩陣H的大小關(guān)系密切。目前較為典型的實(shí)現(xiàn)方法是僅僅在基站處配備多副天線，達(dá)到降低移動(dòng)終端的成本和復(fù)雜性的目的。如果不知道發(fā)送端的信道消息，但是信道矩陣的參數(shù)確定，且總的發(fā)射功率P一定，那么把功率平均分配到每一個(gè)發(fā)送天線上，則容量公式為： （1-2） 考慮滿秩MIMO信道，則秩為n，且矩陣H是單位陣，可以得到容量公式： (1-3)從上式可以得出，滿秩MIMO信道矩陣H在單位陣情況下，信道容量在確定的信噪比下隨著天線數(shù)

30、量的增大而幾乎線性增大。也就是說在不增加帶寬和發(fā)送功率的情況下，可以利用增加收發(fā)天線數(shù)成倍地提高無線信道容量，從而使得頻譜利用率成倍地提高。同時(shí)可以利用MIMO技術(shù)地空間復(fù)用增益和空間分集增益提高信道的可靠性，降低誤碼率，若進(jìn)一步將多天線發(fā)送和接收技術(shù)與信道編碼技術(shù)相結(jié)合，還可以極大地提高系統(tǒng)的性能。目前MIMO技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一是空時(shí)編碼，空時(shí)編碼技術(shù)真正實(shí)現(xiàn)了空分多址?？諘r(shí)碼利用空間和時(shí)間上的編碼實(shí)現(xiàn)一定的空間分集和時(shí)間分集，從而降低信道誤碼率?？傊甅IMO技術(shù)有效利用了隨機(jī)衰落和多徑傳播力量，在同樣的帶寬條件下為無線移動(dòng)通信的性能帶來改善。本章小結(jié) 本章主要介紹了MIMO技術(shù)的基本情

31、況及相關(guān)概念，MIMO技術(shù)的產(chǎn)生于應(yīng)用是在人們對(duì)高質(zhì)量、高速率的數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠惹行枨笙聭?yīng)運(yùn)而生的。MIMO技術(shù)相對(duì)于單天線系統(tǒng)有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，但在實(shí)際應(yīng)用中依然存在一些不足，問題也比較突出，有進(jìn)一步提高的可能性。MIMO技術(shù)可以形象的描述為多個(gè)線路的同時(shí)傳輸，從而達(dá)到又好又快的傳輸目的。第二章 無線信道傳播的基本特征第一節(jié) 無線信道傳播特點(diǎn)一、無線信道傳播方式無線信道的傳播方式相對(duì)于有線信道的傳播方式有著更復(fù)雜的空間環(huán)境，受外界環(huán)境干擾較大，因此它的傳播方式不再像有線信道傳播方式一樣單一。如圖1.1所示圖1.1無線信號(hào)的傳播方式1.地面波傳播電波沿著地球表面?zhèn)鞑サ姆绞?，要求天線的最大輻射方向

32、沿地面，采用垂直極化。地面波的傳播損耗隨著頻率升高急劇增加，傳播距離迅速減小，在VHF和UHF頻段，可以忽略。2.天波傳播 從天線發(fā)射向高空的電波在電離層內(nèi)被連續(xù)折射而返回地面到達(dá)接收天線的傳播方式。以短波為主，可數(shù)千公里遠(yuǎn)距離傳播。電離層特性的隨機(jī)變化，天波信號(hào)的衰落現(xiàn)象比較嚴(yán)重。3.直射波傳播從發(fā)射天線發(fā)出的電波直接到達(dá)在視距內(nèi)的接收天線的傳播方式，又稱視距傳播。為VHF和UHF頻段的主要傳播方式。4.地面反射波從發(fā)射天線發(fā)出經(jīng)過地面反射到達(dá)接收天線的電波。在實(shí)際環(huán)境中，信號(hào)受到障礙物的影響，發(fā)生反射、散射或直線傳播等，經(jīng)多條路經(jīng)到達(dá)接收端，即多徑傳播，從而形成了多徑信道。圖1.2實(shí)際情況

33、下的多徑傳播二、無線信道傳播擴(kuò)展方式1.多徑（時(shí)延）擴(kuò)展多徑時(shí)延擴(kuò)展與相關(guān)帶寬是用于描述本地信道時(shí)間擴(kuò)散特性的兩個(gè)參數(shù)，在無線移動(dòng)通信中，來自發(fā)射機(jī)的射頻信號(hào)在傳播過程中往往受到各種障礙物和其他移動(dòng)物體的影響，以致到達(dá)接收端的信號(hào)是來自不同傳播路徑的信號(hào)之和。發(fā)射信號(hào)到達(dá)接收天線的各條路徑分量經(jīng)歷的傳播路徑不同，因此具有不同的時(shí)間延遲，這就使得接收信號(hào)的能量在時(shí)間上被擴(kuò)展了。相關(guān)帶寬是表征多徑信道特性的重要參數(shù)，它是指在某一特定的頻率范圍，在該頻率范圍內(nèi)的任意兩個(gè)頻率分量都具有很強(qiáng)的幅度相關(guān)性，即在相干帶寬范圍內(nèi)，多徑信道具有恒定的增益和線性相位。通常，相干帶寬近似等于最大多徑時(shí)延的倒數(shù)。當(dāng)信

34、號(hào)帶寬小于相關(guān)帶寬時(shí)，信號(hào)通過信道傳播后各頻率分量的變化具有一致性，成為非頻率選擇性衰落，稱為平坦衰落。在平坦衰落情況下，信道的多徑結(jié)構(gòu)使發(fā)送信號(hào)的頻率特性在接收機(jī)內(nèi)仍然保持不變。然而，由于多徑導(dǎo)致信道增益的起伏，使接收信號(hào)的強(qiáng)度會(huì)隨時(shí)間變化，所以經(jīng)歷平坦衰落的條件如下： (2.4)是信號(hào)帶寬，是相關(guān)帶寬。當(dāng)信號(hào)帶寬大于相關(guān)帶寬時(shí)，信號(hào)通過信道傳輸后各頻率分量的變化具有非一致性，會(huì)引起波形失真，頻率會(huì)發(fā)生選擇性衰落，所以產(chǎn)生頻率選擇性衰落的條件是： (2.5)2.多普勒擴(kuò)展時(shí)延擴(kuò)展與相關(guān)帶寬是用于描述本地信道時(shí)間擴(kuò)散特性的兩個(gè)參數(shù)。然而，它們并未提供描述信道時(shí)變特性的信息。這種時(shí)變特性或是由移

35、動(dòng)臺(tái)與基站之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起的，或是由信道路徑中物體的運(yùn)動(dòng)引起的。多普勒擴(kuò)展和相關(guān)時(shí)間就是描述信道時(shí)變特性的兩個(gè)參數(shù)。多普勒擴(kuò)展是譜擴(kuò)展的一個(gè)測(cè)量值，這個(gè)譜展寬是移動(dòng)無線信道的時(shí)間變化率的量度。多普勒擴(kuò)展定義為頻率范圍，在此范圍內(nèi)接收的信號(hào)有非零多普勒擴(kuò)散。當(dāng)發(fā)送頻率為正頻率時(shí)，接收信號(hào)譜會(huì)在之間變化，其中是最大多普勒頻移。譜展寬依賴于，是移動(dòng)臺(tái)的相對(duì)移動(dòng)速度、移動(dòng)臺(tái)運(yùn)動(dòng)方向、與散射波入射方向之間夾角的函數(shù)。根據(jù)發(fā)送信號(hào)與信道變化快慢程度的比較，信道衰落又可分為快衰落信道和慢衰落信道。在快衰落信道中，信道沖激響應(yīng)應(yīng)在碼符號(hào)周期內(nèi)變化很快，即信道的相關(guān)時(shí)間比發(fā)送信號(hào)的信號(hào)周期短。由于多普勒擴(kuò)展引

36、起的頻率擴(kuò)散也稱為時(shí)間選擇性衰落，從而導(dǎo)致信號(hào)失真。從頻域可看出，信號(hào)失真隨發(fā)送信號(hào)帶寬的多普勒擴(kuò)展的增加而加劇。因此信號(hào)經(jīng)歷快衰落的條件是： (2.6)當(dāng)信道沖激響應(yīng)得變化比要傳送的信號(hào)碼元周期低得多時(shí)，可以認(rèn)為該信道是慢變信道。在慢變信道中，可認(rèn)為信道參數(shù)在一個(gè)或多個(gè)信號(hào)碼元周期內(nèi)是穩(wěn)定的。從頻域上看，信道的多普勒擴(kuò)展比信號(hào)的帶寬小得多。所以，信號(hào)經(jīng)歷慢衰落的條件是： (2.7)3.角度擴(kuò)展信號(hào)在本地散射體影響下，信號(hào)呈現(xiàn)角度上的擴(kuò)展，導(dǎo)致天線元素之間存在一定的相關(guān)性，這稱為空間選擇性衰落，常用相干距離來描述。角度擴(kuò)展在接收端指的是多徑信號(hào)到達(dá)天線陣列的到達(dá)角度的展寬。同樣，發(fā)射端的角度擴(kuò)

37、展指的是由多徑的反射和散射引起的發(fā)射角的展寬。在某些情況下，一路徑的到達(dá)角（或發(fā)射角）與路徑時(shí)延是統(tǒng)計(jì)相關(guān)的。角度擴(kuò)展給出接收信號(hào)主要能量的角度范圍，產(chǎn)生空間選擇性衰落，即信號(hào)幅值與天線的空間位置有關(guān)。相干距離定義為兩根天線上的信道響應(yīng)保持相關(guān)時(shí)的最大空間距離。它與角度擴(kuò)展成反比，如果兩根天線間隔大于相干距離，可以認(rèn)為接收信號(hào)經(jīng)受的是不相關(guān)衰落。典型的角度擴(kuò)展為：室內(nèi)環(huán)境360，城市環(huán)境20，平坦的農(nóng)村環(huán)境1。第二節(jié) 無線衰落信道的基本特征無線信道的傳播模型根據(jù)不同距離內(nèi)信號(hào)強(qiáng)度變化的快慢可分為大尺度傳播模型和小尺度傳播模型兩種。這兩種模型在實(shí)際中并不是相互獨(dú)立的，在同一個(gè)無線信道中，即存在大

38、尺度衰落，也存在小尺度衰落。一般而言，大尺度衰落表征了接收信號(hào)在一定時(shí)間內(nèi)的均值隨傳播距離的環(huán)境變化而呈現(xiàn)的緩慢變化，主要衰落原因是信道路徑上固定障礙物的陰影，從而影響了基站等信號(hào)發(fā)射器的業(yè)務(wù)覆蓋區(qū)域。小尺度衰落表征接收信號(hào)短時(shí)間內(nèi)的快速波動(dòng)，主要衰落原因是移動(dòng)臺(tái)運(yùn)動(dòng)和地點(diǎn)的變化，這影響了信號(hào)的傳輸質(zhì)量。一、大尺度衰落特性大尺度衰落又稱作陰影衰落，主要用于描述發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間長距離幾百或幾千米上的信號(hào)強(qiáng)度變化。實(shí)際上，大尺度衰落信號(hào)不僅與時(shí)間有關(guān)，還與距離和載波頻率有關(guān)。為了表達(dá)方便，上式中省略了距離因子d和載頻?；诶碚摵蜏y(cè)試的傳播模型指出，無論室內(nèi)還是室外信道，接收信號(hào)的局部均值近似服從

39、對(duì)數(shù)正態(tài)分布且信號(hào)變化速率較為緩慢，數(shù)學(xué)表示為： (2.1) 或 (2.2)式中，n為路徑損耗指數(shù)，表明路徑損耗隨距離增長的速率；是近地參考距離，此值由測(cè)量決定；d為發(fā)射機(jī)和接收機(jī)距離。在自由空間傳播時(shí)，n為2，當(dāng)有障礙物時(shí)，n會(huì)變大。但此式?jīng)]有考慮在相同距離情況下，不同位置的周圍環(huán)境差別非常大時(shí)的情況。測(cè)試表明，對(duì)于任意d，特定位置的路徑損耗會(huì)服從隨機(jī)正態(tài)分布，即： (2.3) 式中，為0均值的高斯分布隨機(jī)變量，標(biāo)準(zhǔn)偏差為，單位為db。對(duì)數(shù)正態(tài)分布描述了在傳播路徑上，具有相同距離時(shí)，有不同的隨機(jī)陰影效應(yīng)。這種現(xiàn)象叫對(duì)數(shù)正態(tài)陰影。二、小尺度衰落特性1. 小尺度衰落特性簡介小尺度衰落簡稱快衰落，

40、是指無線信號(hào)在經(jīng)過短時(shí)間或短距離傳播后其幅度快速衰落，以致大尺度路徑衰落的影響可忽略不計(jì)。這種衰落是由于同一傳輸信號(hào)沿多個(gè)路徑傳播，以微小的時(shí)間差到達(dá)接收機(jī)的信號(hào)相互干涉所引起的，這些被稱為多徑波。接收機(jī)天線將他們合成一個(gè)幅度和相位都急劇變化的信號(hào)，其變化程度取決于多徑波的強(qiáng)度、相對(duì)傳播時(shí)間以及傳播信號(hào)的帶寬。小尺度信號(hào)的三個(gè)主要效應(yīng)表現(xiàn)為：經(jīng)過短距或短時(shí)傳播后信號(hào)強(qiáng)度的快速變化；在不同的多徑信號(hào)上，時(shí)變的多普勒頻移引起的隨機(jī)頻率調(diào)制；多徑傳播時(shí)延引起的擴(kuò)展回音。在市區(qū)內(nèi)，由于移動(dòng)天線的高度比周圍建筑物低很多，因此不存在從移動(dòng)臺(tái)到基站的視距傳播，這就導(dǎo)致了衰落的產(chǎn)生。即使有視距傳播路徑存在，由

41、于地面與周圍建筑物的反射，多徑傳播仍會(huì)發(fā)生。入射波從不同的傳播方向到達(dá)移動(dòng)臺(tái)，從而導(dǎo)致接收信號(hào)具有不同的傳播時(shí)延?？臻g任一點(diǎn)的移動(dòng)臺(tái)所收到的信號(hào)都由許多平面波組成，它們具有隨機(jī)分布的幅度、相位和入射角度。這些多徑成分被接收機(jī)天線按向量合并，從而使接收信號(hào)產(chǎn)生衰落失真。即使移動(dòng)接收機(jī)處于靜止?fàn)顟B(tài)，接收信號(hào)也會(huì)由于無線信道多處環(huán)境中的物體的運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生信號(hào)衰落。如果無線信道中的物體處于靜止?fàn)顟B(tài)，并且運(yùn)動(dòng)只由移動(dòng)臺(tái)產(chǎn)生，則衰落至于空間路徑有關(guān)。此時(shí)，當(dāng)移動(dòng)臺(tái)穿過多徑區(qū)域時(shí)，它將信號(hào)中的空間變化看作瞬間變化。在空間不同點(diǎn)的多徑波的影響下，告訴運(yùn)動(dòng)的接收機(jī)可以在很短時(shí)間內(nèi)經(jīng)過若干次衰落。更為嚴(yán)重的情況是，

42、接收機(jī)可能停留在某個(gè)特定的衰落很大的位置上。在這種情況下，盡管可能由行人或車輛改變了運(yùn)動(dòng)模型，從而打破接收信號(hào)長時(shí)間維持失效的情況，但為維持良好的通信狀態(tài)仍非常困難。天線的空間分集可以防止極度衰落以至于無效的情況。2.影響小尺度衰落的因素多徑傳播由于信道中的反射及反射物的存在，構(gòu)成了一個(gè)不斷消耗信號(hào)能量的環(huán)境，導(dǎo)致信號(hào)幅度、相位及時(shí)間的變化。這些因素導(dǎo)致發(fā)射波到達(dá)接收機(jī)時(shí)形成在時(shí)間、空間上相互區(qū)別的多個(gè)無線電波。不同多徑成分具有的隨機(jī)相位和幅度引起信號(hào)強(qiáng)度波動(dòng)，導(dǎo)致小尺度信號(hào)衰落、信號(hào)失真等現(xiàn)象。移動(dòng)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)速度由于多徑分量存在的多普勒頻移現(xiàn)象，基站與移動(dòng)臺(tái)間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)會(huì)引起隨機(jī)頻率調(diào)制。決定

43、多普勒頻移是正頻率或負(fù)頻率取決于移動(dòng)接收機(jī)是相對(duì)于基站的運(yùn)動(dòng)方向。環(huán)境物體的運(yùn)動(dòng)速度如果無線信道中的物體處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，同樣會(huì)引起時(shí)變得多普勒頻移。若環(huán)境物體以大于移動(dòng)臺(tái)的速度運(yùn)動(dòng)，那么這種運(yùn)動(dòng)將對(duì)小尺度信號(hào)衰落起決定作用。否則，可僅考慮移動(dòng)臺(tái)運(yùn)動(dòng)速度的影響，而忽略環(huán)境物體運(yùn)動(dòng)速度的影響。信號(hào)的傳輸帶寬如果信號(hào)的傳輸帶寬比多徑信道相關(guān)帶寬大得多，接收信號(hào)會(huì)失真，但本地接收機(jī)信號(hào)強(qiáng)度不會(huì)衰落很多即小尺度衰落不占主導(dǎo)地位。若傳輸信號(hào)帶寬比信道帶寬窄，信號(hào)幅度就會(huì)迅速改變，但信號(hào)不會(huì)出現(xiàn)時(shí)間失真。圖1.2為大尺度和小尺度衰特性圖譜：圖1.2大尺度與小尺度衰落第三節(jié) 兩種典型的無線衰落信道一、瑞利衰落信

44、道瑞利衰落模型在無線通信信道中，由于信號(hào)進(jìn)行多徑傳播達(dá)到接收點(diǎn)處的場(chǎng)強(qiáng)來自不同傳播的路徑，各條路徑延時(shí)時(shí)間是不同的，而各個(gè)方向分量波的疊加，又產(chǎn)生了駐波場(chǎng)強(qiáng)，從而形成信號(hào)快衰落稱為瑞利衰落。瑞利衰落屬于小尺度的衰落效應(yīng)，它總是疊加于如陰影、衰減等大尺度衰落效應(yīng)上。根據(jù)中心極限定理，可以近似看成獨(dú)立高斯隨機(jī)過程，則接收信號(hào)可以表示成： （2.4）式中零均值復(fù)高斯隨機(jī)變量，以、表示對(duì)、中的采樣，。即有和，于是，可以描述成零均值復(fù)高斯隨機(jī)變量。 （2.5）引入（），以表示衰落幅度(包絡(luò))，表示衰落相位。用雅克比變換將轉(zhuǎn)換成，得： （2.6）通過兩個(gè)隨機(jī)變量分別求邊緣概率密度有： （2.7） (2.8

45、)兩個(gè)變量分別服從瑞利分布和均勻分布。這就是瑞利衰落，多發(fā)生在城市地區(qū)的陸地移動(dòng)通信環(huán)境（有許多障礙物，幾乎沒有視距路徑）中。一個(gè)服從瑞利分布的隨機(jī)變量，其平均功率為： （2.9） (2.10)對(duì)于歸一化平均功率（P=1）有： （2.11）瑞利衰落模型適用于描述建筑物密集的城鎮(zhèn)中心地帶的無線信道。密集的建筑和其他物體使得無線設(shè)備的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間沒有直射路徑，而且使得無線信號(hào)被衰減、反射、折射、衍射。在曼哈頓的實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)?shù)氐臒o線信道環(huán)境確實(shí)接近于瑞利衰落。 通過電離層和對(duì)流層反射無線電信道也可以用瑞利衰落來描述，因?yàn)榇髿庵写嬖诘母鞣N粒子能夠?qū)o線信號(hào)大量散射。 二、萊斯衰落信道萊斯衰落只是

46、瑞利衰落外加一條額外的未衰落的直射路徑，這條路徑相對(duì)于瑞利衰落信號(hào)發(fā)生多普勒頻移。對(duì)萊斯衰落曲線而言，在其進(jìn)入復(fù)數(shù)乘法模塊之前，除了多普勒展寬外，多普勒模塊還在衰落信號(hào)中增加了一個(gè)旋轉(zhuǎn)的恒定幅度的矢量。如果視距路徑存在（或者有一條路徑占主導(dǎo)地位），就需要重新考慮高斯近似，不失一般性，將視距路徑定義為第一條路徑，數(shù)學(xué)表示如下： （2.12） (2.13)假設(shè)，是定值，則是非零均值復(fù)高斯過程，令，分別取值和，則： (2.14) (2.15)令，用雅克比變換式將轉(zhuǎn)化為得： (2.16)其邊緣概率密度為： （2.17） （2.18）式中第一類零階修正貝塞爾函數(shù)。這就是萊斯衰落，主要發(fā)生在郊區(qū)的陸地移動(dòng)

47、信道和衛(wèi)星信道。定義萊斯參數(shù)為LOS功率和散射分量功率之比，即： （2.19）對(duì)于一個(gè)服從萊斯的隨機(jī)變量，平均功率為： （2.20）式中， ， 。 將萊斯分布以萊斯參數(shù)的形式表達(dá)為： （2.21）同樣，對(duì)于歸一化的平均功率（P=1），有 （2.22）本章小結(jié)本章第一節(jié)介紹了無線信道的傳輸方式以及為信道的頻譜擴(kuò)展方式。第二節(jié)大尺度衰落和小尺度衰落。大尺度衰落屬于慢衰落，衰落主要原因是障礙物的阻擋；小尺度衰落屬于快衰落，小尺度衰落原因比較多，包括由于自身信號(hào)干擾的多徑衰落，信號(hào)帶寬，移動(dòng)臺(tái)的移動(dòng)，障礙物的移動(dòng)阻礙。第三節(jié)的瑞麗衰落信道和萊斯衰落信道都含括在大尺度和小尺度衰落信道中，萊斯衰落是瑞利衰

48、落外加一條額外的未衰落的直射路徑，這條路徑相對(duì)于瑞利衰落信號(hào)發(fā)生多普勒頻移。由于MIMO技術(shù)主要用于無線信道傳輸過程中，本章是MIMO信道傳輸系統(tǒng)的基礎(chǔ)。第三章 MIMO系統(tǒng)的容量第一節(jié) MIMO信道建模的概述從Clarke和Jakes對(duì)無線衰落信道的統(tǒng)計(jì)特性研究開始，關(guān)于無線信道衰落特征的分析和建模研究已經(jīng)有了長足的發(fā)展。過去的研究一般局限于用數(shù)學(xué)模型描述無線信道的時(shí)域衰落特征，重點(diǎn)在于建立存在于無線衰落信道中的散射體、折射體和繞射體的統(tǒng)計(jì)模型或幾何模型，從而用于無線信道衰落分布的預(yù)測(cè)、估計(jì)和測(cè)量。針對(duì)大尺度衰落現(xiàn)象，研究學(xué)者們分別建立了相應(yīng)的路徑損耗模型、基于對(duì)數(shù)正態(tài)分布的陰影衰落模型；針

49、對(duì)小尺度衰落現(xiàn)象，人們已經(jīng)提出了Rayleigh、Ricean等分布來進(jìn)行描述。早期對(duì)單入單出(SISO)衰落信道的研究一般僅關(guān)注頻率衰落信道中多徑現(xiàn)象導(dǎo)致時(shí)域擴(kuò)展以及由于鏈路兩端相對(duì)位置的快速移動(dòng)導(dǎo)致的多普勒擴(kuò)展。在多天線分集技術(shù)和自適應(yīng)陣列天線技術(shù)引入無線通信系統(tǒng)以后，研究SIMO(Single-Input Multiple-Output,單入多出)信道、MISO(Multiple-Input SingleOutput,多入單出)和MIMO信道逐漸成為了無線信道傳播模型的熱點(diǎn)。人們?cè)谘芯恐邪l(fā)現(xiàn)，存在于衰落信道中的散射體不僅影響信道衰落的時(shí)域特征，而且由于散射體的分布和位置的不同，導(dǎo)致在不同

50、天線上的接收信號(hào)之間的空時(shí)相關(guān)特性，還反映出信道的空時(shí)衰落特征。從而產(chǎn)生了很多描述散射體分布的統(tǒng)計(jì)模型，比如著名的單環(huán)(one-ring)模型，它將散射體的分布描述為在一個(gè)圓環(huán)上呈均勻分布的情形。這一模型被廣泛采用，直至MIMO衰落信道。此外，還有雙環(huán)散射模型、分布式散射模型和擴(kuò)展Saleh-Valenzuela散射模型等。MIMO信道容量主要依賴于:其一是信道的統(tǒng)計(jì)特性，系統(tǒng)容量會(huì)受到采用的信道模型以及天線相關(guān)性等因素的影響，在萊斯信道，由于直射分量的存在會(huì)降低系統(tǒng)的容量；其二是信道中天線之間的相關(guān)性信道相關(guān)性對(duì)容量的影響主要在于接收端和發(fā)送端知道的信道情況的了解。相關(guān)性有時(shí)會(huì)提高容量但有時(shí)

51、會(huì)降低容量。進(jìn)一步說，不同天線之間的信道如果相關(guān)性非常非常低的話，并且此時(shí)信道矩陣的增益非常小，可能會(huì)出現(xiàn)“keyhole效應(yīng)，導(dǎo)致極有限的容量增益。第二節(jié) 恒參信道條件下的MIMO信道容量分析假設(shè)MIMO信道是確定性的恒參信道，即在信號(hào)傳送過程中，信道沖激響應(yīng)不發(fā)生變化，但受到加性高斯噪聲的干擾，在發(fā)送功率受限的情況下，接收機(jī)知道信道狀態(tài)信息(CSI，Channel State Information)，而發(fā)射端未知CSI的情況下計(jì)算信道容量。假定信道容量的分析模型為復(fù)數(shù)基帶線性系統(tǒng)。發(fā)送端有M根天線，接收端有N根天線，發(fā)射端未知信道的狀態(tài)信息，總的發(fā)射功率為P，每根發(fā)射天線的功率為P/M，

52、每根接收天線接收到的總功率等于總的發(fā)射功率，信道受到加性白高斯噪聲(AWGN)的干擾，且每根接收天線上的噪聲功率為，于是每根接收天線上的信噪比(SNR)為。又假定發(fā)射信號(hào)的帶寬足夠窄，信道的頻率響應(yīng)可以認(rèn)為是平坦的，用的復(fù)矩陣H來表示信道矩陣，H的第ij元素表示第根發(fā)射天線到第j根接收天線的信道衰落系數(shù)。一、單輸入單輸出(SlSO)信道的容量 采用單根天線發(fā)射和單根天線接收(lxl)的通信系統(tǒng)也稱為單輸入單輸出(SISO)系統(tǒng)，對(duì)于確定性的SISO信道，由于M=N=1，信道矩陣H=h=1，信噪比大小為SNR，根據(jù)Shannon公式，該信道的歸一化容量可表示為: （3.1） 該容量的取得一般不受編碼或信號(hào)設(shè)計(jì)復(fù)雜性的限制，即只要信噪比每增加3dB，信道容量每秒每赫茲增加1比特。實(shí)際的無線信道是時(shí)變的，要受到衰落的影響，如果用h表示在觀察時(shí)刻單位功率的復(fù)高斯信道的幅度(H=h)，信道容量可表示為: （3.2）這是個(gè)隨機(jī)變量，由于受到衰落的