1、 毕业设计（论文）报告纸 共 IV页 第 I页 摘要 多输入多输出 MIMO 技术被认为是现代通信技术中的重大突破之一，越来越成为无线通信领域的研究热点。 MIMO 技术是未来无线通信系统中实现高数据速率传输、提高系统容量 和频带利用率 的重要途径。 MIMO 信道模型无论是在 MIMO 技术的理论研究阶段还是在 MIMO 系统的应用阶段都是必需的。因此， MIMO 信道的建模是 MIMO 理论研究中的重要内容。 本文综合考虑了多种因素提出了合理的 MIMO 信道模型。 本文首先总结了无线信道的特点，包括它的传播方式、衰落特性，并给出了两种常见的无线信道的数学模型和 MIMO 信道中的一些参数
2、的介绍。在此基础上，论述基于 3GPP 的 MIMO 下行链路的基本建模原理，推导 下行链路 MIMO 信道的传输函数 。设定环境参数， 产生相关系数，用 ADS 软件进行仿真模拟 。然后 改变调制方式，天线配置 ， 信道 带宽 等条件，进行对比并分析仿真结果产生差异的原因。最后 阐述 本次 基于 相关性 的 MIMO 信道建模方式 存在的不足 ，进一步明确未来 MIMO 技术发展方向。 关键词 ： 无线信道 ， MIMO， 信道建模 ， 相关性 ， 信道仿 真 毕业设计（论文）报告纸 共 IV页 第 II页 Abstract The Multiple-Input Multiple-Outpu
3、t (MIMO) technology is considered as one of the most promising breakthrough technology and becomes a hotspot in modern mobile communication system. It is a potent approach to improve high speed data transmission performance, enhance the capacity and spectrum efficiency. MIMO channel model is necessa
4、ry both at the phase of research on MIMO technology and the commercial application of the MIMO wireless communication system. Therefore the modeling of MIMO channel plays a very important role in relevant research. In this dissertation, we summarized a reasonable MIMO channel model based on many fac
5、tors. In this dissertation, at first we summed-up the features of the wireless channel, including the spread manners, fading characteristics and introduced two familiar mathematical models of wireless channel and some parameters of MIMO channel. Based on the existing methods of MIMO downlink wireles
6、s channel modeling which 3GPP describes, we gave the process of the generation of MIMO channel transmission function. Next, we chose the propagation conditions and generated the parameters concerned, used ADS software to simulate the channel. Then, we changed modulation types, the deployment of the
7、antennas and channel bandwidth, made a contrast of the results and explained the reasons. In the end, we concluded the weaknesses of this simulation which based on relevance and talked about the future of MIMO development. Key words: wireless channel, MIMO, channel modeling, relevance, channel simul
8、ation 毕业设计（论文）报告纸 共 IV页 第 III页 目录 摘要 . I ABSTRACT .II 1 绪论 . 1 1.1 引言 . 1 1.2 国内外研究与应用现状 . 1 1.3 信道建模的意义与遇到的问题 . 2 1.4 选题意义和研究内容 . 3 1.5 本文的结构 . 3 2 无线信道的传输特性 . 4 2.1 概述 . 4 2.2 信号传播方式 . 4 2.3 信道衰落 . 4 2.3.1 大尺度衰落特性 . 5 2.3.2 小尺度衰落特性 . 5 2.4 信道扩展 . 6 2.4.1 多径（时延）扩展 . 6 2.4.2 多普勒扩展 . 7 2.4.3 角度扩展 . 7
9、 2.5 无线信道的数学模型 . 8 2.5.1 瑞利衰落信道 . 9 2.5.2 莱斯衰落信道 .10 2.6 MIMO 无线信道的参数特点 . 11 3 基于 3GPP 的下行链路 MIMO 信道建模 .12 3.1 基于射线的下行链路 MIMO 信道建模 .12 3.1.1 概述 .12 3.1.2 模型的主要参数 .12 3.1.3 冲击响应公式推导 .13 3.2 基于相关性的下行链路 MIMO 信道建模 .14 3.2.1 信道模型概述 .15 3.2.2 相关性概述 .15 3.2.3 相关矩阵 .16 4 模型仿真及分析 .18 4.1 射线跟踪法建模的仿真流程 .18 4.2
10、 相关矩阵法建模的仿真流程 .19 4.3 利用 ADS 软件进行 仿真模拟 .20 毕业设计（论文）报告纸 共 IV页 第 IV页 4.3.1 MIMO 下行链路传播环境的建立 .20 4.3.2 ADS 仿真电路 .21 4.4 下行链路误码率与信噪比 的关系 .23 5 总结与展望 .29 参考文献 .30 附件 信道测量结果 .32 谢词 .34 毕业设计（论文）报告纸 共 34页 第 1页 1 绪论 1.1 引言 LTE 是英文 Long Term Evolution 的缩写。 LTE 项目是 3G 的演进 1， LTE 也被通俗的称为 3.9G，被视作从 3G 向 4G 演进的主流
11、技术 2。 LTE 的研究，包含了一些普遍认为很重要的部分，如等待时间的减少、更高的用户数据 速率 、系 统 容量 和 覆盖 面 的改 善 以及 运 营成 本 的降 低 。 3GPP(The 3rd Generation Partnership Projec t， 第 三 代移动通信合作计划 )长期演进 LTE 项目是近两年来 3GPP 启动的最大的新技术研发项目 3，这种以 OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing， 正交频分复用 )、 MIMO（ Multiple-Input Multiple-Output， 输入多输出 ） 为核心的
12、技术可以被看作 “准4G”技术 4 。 多输入多输出 技术是无线移动通信领域智能天线技术的重大突破 5。该技术能在不增加带宽的情况下成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率，因此 MIMO 技术被普遍认为是新一代移动通信系统必须采用的关键技术之一 6。 1.2 国内外研究与应用现状 MIMO 系统是利用多天线来实现空 间 复用 与空间分集 。根据收发两端天线数量，相对于普通的 SISO(Single-Input Single-Output， 单输入单输出 )系统， MIMO 还可以包括 SIMO(Single-Input Multiple-Output， 单输入多输出 )系统和 MISO(Mult
13、iple-Input Single-Output， 多输入单输出 )系统 7。MIMO 系统的框图如图 1.1 所示。 S I S OS I M OM I S OM I M OT xT xT xT xR xR xR xR x 图 1.1 MIMO 系统图 通常，多径要引起衰落，因而被视为有害因素 8。然而研究结果表明，对于 MIMO 系统来说，多径可以作为一个有利因素来加以利用。 MIMO 系统在发射 端 和接收端均采用多天线（或阵列天毕业设计（论文）报告纸 共 34页 第 2页 线）和多通道， MIMO 的多入多出是针对多径无线信道来说的。 空间 分集 (Spatial Diversity)
14、模式利用发射或接收端的多根天线所提供的多重传输途径发送相同的资料，以增强资料的传输品质。 MIMO 空 间 复用 (Spatial Multiplexing)模式下， 传输信息流 s(k)经过空时编码形成 N 个信息子流 (), i=1， 2 ， N。这 N 个子流由 N 个天线发射出去，经空间信道后由 M 个接收天线接收。多天线接收机利用先进的空时编码处理能够分开并解码这些数据子流，从而实现最佳的处理9。 这 N 个子流同时发送到信道，各发射信号占用同一频带，因而并 未 增加带宽 。若各发射和接收天线间的通道响应独立，则多入多出系统可以创造多个并行空间信道。通过这些并行空间信道独立地传输信息
15、，数据率必然可以提高。因此，数据子流的独立性和数据在各个天线间的分配方式是影响系统性能的关键因素。独立数据子流的数目，由天线链路间的衰落相关性决定，因此在MIMO 系统中，天线链路间的衰落相关性成为影响 MIMO 系统的关键因素之一。 MIMO 系统能够充分的利用信号的所有空时频域的特性，具有如下的优点 9： (1) 利用或者减少多径衰落 由于阵列天线可以降低共道干扰和多径衰落的影响，因而在一定的信噪比条件下可以降低误码率，或者在一定的误码率下可以降低检测所需要的信噪比。 MIMO 系统能够抑制或消除共道干扰以及码间干扰，同时利用 空间 分集 技术提高接收信号的信噪比，因此基站和移动端的发射功
16、率可以得到一定程度的降低 。 (2) 消除共道干扰 MIMO 系统能够采用自适应波束形成技术或多用户检测技术对共道干扰进行有效抑制或删除 。 (3) 提高频 带 利用率 在 MIMO 系统中可以在空间和时间都进行编码，这就是所谓的空时编码技术，空时编码既可以提供分集增益又可以提供编码增益和阵列增益，因而可以大大提高系统的频带利用率 。 总之，利用 MIMO 技术可以提高信道的容量，同时也可以提高信道的可靠性，降低误码率。前者是利用 MIMO 信道提供的空间复用增益，后者是利用 MIMO 信道提供的空间分集增益。 到目前为止，对于 3G 系统，现在的 CDMA2000 通过对 Alamouti
17、算法的扩充提供发射分集选择。宽带 CDMA 的 UMTS(Universal Mobile Telephone Standard，通用移动电话标准 )和由 3GPP 发展起来的未来版也实现了与基站发射波束形成相结合的空时发射分集方案。 1.3 信道建模 的意义与遇到的问题 在过去十年里，无线通信中受到较多关注的新兴技术主要有： CDMA (Code Division Multiple Access，码分多址 )、 OFDM、智能天线 (Smart Antenna)、 UWB(Ultra Wide Band， 超宽带 )技术、MIMO 技术、软件无线电技术以及认知无线电 (Cognitive R
18、adio)等。在上述的这几种技术中，以MIMO 为代表的多天线技术在无线通信中的应用显得更为广泛，正扮演着越来越重要的角色 10。 MIMO 技术的核心是空时信号处理，利用在空间中分布的多个天线将时间域和空间域结合起来进行信号处理，有效地利用了信道的随机衰落和多径传播来成倍的提高传输速率，改善传输质毕业设计（论文）报告纸 共 34页 第 3页 量和提高系统容量，能在不额外增加信号带宽的前提下带来无线通信性能上几个数量级的提高。目前对 MIMO 技术的应用主要集中在空间分集和以 BLAST(Bell LAyered Space-Time architecture，Bell Layered 空 -
19、时架构 )为典型的 空 间 复用两个方面 7。 MIMO 作为未来一代宽带无线通信系统的框架技术，是实现充分利用空间资源以提高频谱利用率的一个必然途径，基于 MIMO 的无线通信理论和传输技术显示了巨大的潜力和发展前景。 然而， MIMO 系统大容量的实现和系统其它性能的提高以及 MIMO 系统中使用的各种信号处理算法的性能优劣都极大地依赖于 MIMO 信道的特性，特别是各个天线之间的相关性 11。最初对 MIMO 系统性能的研究与仿真通常都是在独立信道的假设下进行的，这与实际的 MIMO 信道大多数情况下具有一定的空间相关性是不太符合的 12。 MIMO 系统的性能在很大程度上会受到信道相关
20、性的影响。因此，建立有效的能反映 MIMO 信道空间相关特性的 MIMO 信道模型以选择合适的处理算法并评估系统性能就变得相当重要了。 1.4 选题意义和研究内容 MIMO 技术是未来无线通信系统中实现高数据速率传输、改善传输质量、提高系统容量的重要途径 1314。 MIMO 信道模型无论是在 MIMO 技术的理论研究阶段还是在 MIMO 系统的应用阶段都是必需的。因此， MIMO 信道的建模是 MIMO 理论研究中的重要内容。 本文在研究了 MIMO 理论、无线信道的特性以及无线信道的数学模型的基础上，综合考虑了MIMO 信道的各种衰落特性， 结合相关技术文献，推导基于射线的 MIMO 下行
21、链路信道公式，参考 3GPP 技术标准中合理的、实现复杂度低的基于 相关性 的 MIMO 空时信道模型 进行仿真 。选择传播环境，天线配置，调制方式利用 ADS 软件 (Advanced Design System，先进的设计系统 )进行仿真 ， 在接收端检测误码率，并 做 出分析比较。 1.5 本文的结构 第一章 综述 。阐述 MIMO 技术以及它的研究现状， MIMO 技术的优势和 以往 信道建模 中遇到的问题，提出本文的研究内容 。 第二 章 无线信道传输特性。总结无线信道传输特点，包括传播方式、衰落特性，给出两种常见的 无线信道的数学模型和 MIMO 信道中的一些参数的介绍。 第三章
22、基于 3GPP 的 下行链路 MIMO 信道建模。参考 3GPP 技术规范 陈述 LTE 下行链路MIMO 建模的基本原理。参考相关文献，推导 基于射线的 下行链路 MIMO 信道的传输函数 ， 陈述 成熟的基于相关性的信道建模方法 。 第四章 模型仿真及分析。设定环境参数，产生相关系数，用 ADS 软件进行仿真模拟。改变调制方式，天线配置等条件，进行对比并分析仿真结果产生差异的原因。 第五章 总结 与展望 。对信道建模与测量工作进行总结，阐述 本次仿真中 基于 相关性 的 MIMO信道建模方式 中 存在的不足 ，进一步明确未来 MIMO 技术 的 发展方向。 毕业设计（论文）报告纸 共 34
23、页 第 4页 2 无线信道的 传输特性 2.1 概述 对 MIMO 信道进行建模离不开对无线信道特性的分析，只有在充分理解了无线信道的各种特性之后，才能更进一步，找到用于描述 MIMO 信道的合适的数学模型。与传统的单 输 入单 输 出信道所不同的是，对于 MIMO 信道，信道信息从原来的二维 (时间、频率 )扩充到了包含时间、频率和空间的三维信息。因此，为准确地描述 MIMO 信道的统计特性，必须引入空间维度。在了解传统无线信道的多径、时延扩展、多普勒扩展等统计变量的同时，还必须了解信道的空间特性，比如到达角 (AOA, Angle of Arrival)、离开角 (AOD, Angle o
24、f Departure)、角度扩展 (AS, Azimuth Spread)和角度功率谱 (PAS, Power Azimuth Spectrum)等。本章首先介绍无线信道的特性，为下一部分对MIMO 信道的建模 与仿真 做 基础。 2.2 信号传播方式 在无线传播环境下进行通信，信号可能要经过许多的障碍物，如大楼、街道、树木以及移动的汽车等。信号的传播途径大致可分为四种 15： (1) 直线传播 直线传播一般 发生在 较开阔的地区，如郊区或农村。然而在城市环境中，直线传播很少见。 (2) 反射 信号往往 在 经过大的建筑物、平坦的地面和高山 时发生 反射。反射是信号传播的一种重要途径。 (3
25、) 绕 射 当接收机和 发射机之间的无线路径被尖利的边缘阻挡时发生绕射 。 在高频波段，绕射与反射一样，依赖于物体的形状 ，以及绕射点入射波的振幅、相位和极化情况。 (4) 散射 当信号遇到一个或多个较小的障碍物时，出现散射现象，即信号分成了许多个随机方向的信号。散射在城市通信中为最重要的一种传播方式。信号经散射后很难预测，因此理论上的建模往往建立在统计分析的基础上。 在实际环境中，信号利用障碍物的反射、 绕 射或 散射 等，经多条路经到达接收端，即多径传播，从而形成了多径信道。 2.3 信道衰落 无线信道的传播模型可分为大尺度传播模型和小尺度传播模型两种 15。大尺度模型主要用于描述发射机与
26、接收机之间长距离几百或几千米上的信号强度变化。这两种模型并不是相互独立的，在同一个无线信道中，即存在大尺度衰落，也存在小尺度衰落。一般而言，大尺度表征了接收信号在一定 时间内的均值随传播距离的环境变化而呈现的缓慢变化，小尺度衰落表征接收信号短时间内的快速波动。因此实际的无线信道衰落因子可表示为： 毕业设计（论文）报告纸 共 34页 第 5页 ()= ()() (2.1) 式中， ()表示衰落因子； ()表示小尺度衰落； ()表示大尺度衰落。 2.3.1 大 尺度衰落特性 大尺度衰落是用于描述发射机与接收机之间长距离几百或几千米上的信号强度变化。实际上，大尺度衰落 ()不仅与时间有关，还与距离和
27、载波频率有关。为了表达方便，上式中省略了距离因子 d 和载频 。基于理论和测试的传播模型指出，无论室内还是室外信道，平均接收信号功率随距离的对数而衰减。 (,) (0) (2.2) 或 (,),- = (,0),-+10(0) (2.3) 式中， n 为路径损耗指数，表明路径损耗随距离增长的速率； 0是近地参考距离，由测试决定； d为发射机和接收机距离。在自由空间传播时， n 为 2，当有障碍物时， n 变大。 但此式没有考虑在相同距离情况下，不同位置的周围环境差别非常。测试表明，对于任意 d，特定位置的路径损耗 (,)又服从随机正态分布，即： (,),- = (,0),-+ 10 (0)+
28、() (2.4) 式中， 为 0 均值的高斯分布随机变量，标准偏差为 ， 单位为 dB。对数正态分布描述了在传播路径上，具有相同距离时，不同的随机阴影效应。这种现象叫对数正态阴影。 2.3.2 小尺度衰落特性 小尺度 衰落，是指无线信号在经过短时间或短距离传播后其幅度快速衰落，以致大尺度路径衰落的影响可以忽略不计。这种衰落是由于同一传输信号沿两个或多个路径传播，以微小的时间差到达接收机的信号相互干涉所引起的。这些被称为多径波。接收机天线将他们合成一个幅度和相位都急剧变化的信号，其变化程度取决于多径波的强度、相对传播时间，以及传播信号的带宽。 小尺度信号的三个主要效应表现为经过短距或短时传播后
29、信号强度的急剧变化；在不同的多径信号上，存在着时变的多普勒频移引起的随机频率调制；多径传播时延引起的扩展回音。 在高楼林立的市区，由于移动天线的高度比周围建筑物矮很多，因而不存在从移动台到基站的视距传播，这就导致了衰落的产生。即使有视距传播路径存在，由于地面与周围建筑物的反射，多径传播仍会发生。入射波以不同的传播方向到达，具有不同的传播时延。空间任一点的移动台所收到的信号都由许多平面波组成，它们具有随机分布的幅度、相位和入射角度。这些多径成分毕业设计（论文）报告纸 共 34页 第 6页 被接收机天线按向量合并，从而使接收信号产生衰落失真。即使移动接收机 处于静止状态，接收信号也会由于无线信道环
30、境中的 多处 物体的运动而产生衰落。 如果无线信道中的物体处于静止状态，并且运动只由移动台产生，则衰落 只与 空间路径有关。此时，当移动台穿过多径区域时，它将信号中的空间变化看作瞬间变化。在空间不同点的多径波的影响下， 高速 运动的接收机可以在很短时间内经过若干次衰落。更为严重的情况是，接收机可能停留在某个特定的衰落很大的位置上。在这种情况下，尽管可能由行人或车辆改变了运动模型，从而打破接收信号长时间维持失效的情况，但为维持良好的通信状态仍非常困难。天线的空间分集可以防止极度衰落 以至于无效的情况。 影响小尺度衰落的因素包括 15： (1) 多径传播 信道中的反射及反射物的存在，构成了一个不断
31、消耗信号能量的环境，导致信号幅度、相位及时间的变化。这些因素使发射波到达接收机时形成在时间、空间上相互区别的多个无线电波。不同多径成分具有的随机相位和幅度引起信号强度波动，导致小尺度衰落、信号失真等现象。多径传播常常延长信号基带部分到达接收机所用的时间，由于码间干扰引起信号模糊。 (2) 移动台的运动速度 基站与移动台间的相对运动会引起随机频率调制，这是由于多径分量存在的多普勒频移现象。决定多普勒频移是正频率或负频率取决于移动接收机是朝向还是背向基站运动。 (3) 环境物体的运动速度 如果无线信道中的物体处于运动状态，就会引起时变 的 多普勒频移。若环境物体以大于移动台的速度运动，那么这种运动
32、将对小尺度 衰落 起决定作用。否则，可仅考虑移动台运动速度的影响，而忽略环境物体运动速度的影响。 (4) 信号的传输带宽 如果信号的传输带宽比多径信道相关带宽大得多，接收信号会失真，但本地接收机信号强度不会衰落很多即小尺度衰落不 占主导地位。若传输信号带宽比信道带宽窄，信号幅度就会迅速改变，但信号不会出现时间失真。 2.4 信道扩展 2.4.1 多径（ 时延 ）扩展 多径时延扩展与相关带宽是用于描述本地信道时间扩散特性的两个参数，在无线通信中，来自发射机的射频信号在传播过程中往往受到各种障碍物和其他移动物体的影响，以致到达接收端的信号是来自不同传播路径的信号之和。发射信号到达接收天线的各条路径分量经历的传播路径不同，因此具有不同的时间延迟，这就使得接收信号的能量在时间上被扩展了。 相关带宽 是表征多径信道特性的一个重要参数，它是指某一特定的频率范围，在该频率范围内的任意两个频率分量都具有很强的幅度相关性，即在相干带宽范围内，多径信道具有恒定的增益和线性相位。通常，相干带宽近似等于最大多径时延的倒数。当信号带宽小于相关带宽时，信号通过信道传播后各频率分量的变化具有一致性，成为非频率选择性衰落，称为平坦衰落。在
