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【摘 要】随着无线通信业务的继续增长,的数据传输速率和更好的服务质量。下一代无线通信系统将提供用户更高多入多出(MlMO)技术被认为是现代通信技术重大突破之一,越来越成为宽带无线接入、3G等无线通信领域的研究热点。因此,了解和掌握陆地移动通信环境中MIMO信道的特性,对实现潜在的巨大信道容量、取得预期的性能、选择合适的系统结构和设计优良的信号处理算法至关重要。
基于上述认识,本文围绕无线通信系统中的MIMO信道建模这一主题,在MIMO信道建模、MIMO信道空时相关特性两个方面进行了系统而深入地研究。因为开发合理、符合实际环境条件的空时MIMO信道模型是评估各种空时处理算法性能、仿真与设计高性能通信系统的基础,而无线信道的空时特性是空时处理性能的关键。本文研究了现有应用环境下MIMO无线通信系统的信道建模理论与方法,对Rayleigh衰落信道模型进行了仿真,并与相关文献进行了分析比较。
【关键词】MIMO;信道建模;空时信道模型;空时相关;仿真;衰落信道
Research and simulation of space-time MIMO channel model
Liu Feng
(Shanxi Tianyuan Communication Design Consulting Co., Ltd. Xi'an Shanxi 710075)
【Abstract】 With the wireless communications business continues to grow, the data transfer rate and better quality of service. Next-generation wireless communications system will provide users a higher MIMO (MlMO) technology is considered a major breakthrough in modern communication technology, one has become more and more broadband wireless access, 3G and other wireless communications research in the field of hot spots. Therefore, understanding and knowledge of land mobile communication environment, the characteristics of MIMO channel, the realization of the tremendous potential channel capacity, to achieve the desired performance, choose the right system architecture and design of the fine signal processing algorithms is essential.Based on the above understanding, this article focus on wireless communication systems in the MIMO channel modeling this theme, in the MIMO channel modeling, MIMO space-time channel-related characteristics of the two aspects of the system and in-depth research. Because the development of reasonable and in line with the actual environmental conditions of space-time MIMO channel model is to assess the performance of space-time processing algorithms, simulation and design of high-performance communications systems, and wireless channel characteristics of the space-time processing performance of space-time is the key. In this paper, the existing application environments MIMO wireless communication systems channel modeling theory and method, the Raleigh fading channel simulation model and related literature are analyzed and compared.
【Key words】MIMO;Channel modeling;Space-time channel model;Space-time correlation;Simulation;Fading channels
1. 前言
MIMO技术被认为是第三代和未来移动通信与个人通信系统实现高速率数据传输,提高传输质量的重要途径,也是充分利用空间资源以提高频谱利用率的一個必然途径。从信息论的观点业已证明:MIMO系统的容量与发射、接收端的最少天线个数近似呈正比。容量的增加除了可以增加用户数外,还意味着当通信速率一定时可以改善系统的差错性能。而MIMO系统容量的实现和系统性能的提高以及MIMO系统中使用的各种信号处理算法的性能优劣都极大的依赖MIMO信道模型的特性,特别是各个天线之间的相关性,所以对MIMO信道模型的研究就显得至关重要了。其重要性体现在:一方面我们可用所提模型评估各种空时处理算法的性能,另一方面可以进行系统级和链路级仿真,并给出天线设计的位置,间距参数等。
2. 空时MIMO信道模型理论
2.1 移动通信信道的基本特征。
移动通信信道是一种时变信道,无线电信号通过移动信道时会遭到来自不同途径的衰减损耗。一般来说,这些损耗可归纳为三类:电波传播的路径损耗、阴影衰落(效应)和小尺度衰落。
2.1.1 阴影衰落。
当电波在传播路径上遇到高矮、位置、占地面积不等的建筑物,起伏的地形、山峰和森林等的阻挡时,则会形成电磁场的阴影。当移动台通过不同障碍物的阴影时,就造成接收场强中值的变化。这种由于阴影效应导致解手场强中值随着地理位置改变而出现的缓慢变化称大尺度衰落。又称为阴影衰落。
2.1.2 小尺度衰落。
小尺度衰落是由于传播环境的多径运输、移动台与环境的相对运动所引起的衰落,以及信号在较短或时间之内急剧起落所引起的,设每条路径的幅度和相位分别服从高斯分布和[0,2π ]内的均匀分布,且每条路径的幅度和相位都是统计独立的。
时间色散和频率选择性都是由于不同时延的多经信号叠加所产生的效果,依赖于发射机、接受机和周围的物理环境之间的几何关系。
由于无线通信中移动台和基站周围的散射环境不同,使得多天线系统中不同位置的天线经历的衰落不同,从而产生角度色散,即空间选择性衰落。
所有的角度信息都与散射环境密切相关,移动环境中的三种主要的散射体以及对信道都能够造成影响。
2.2 衰落信道的统计特性。
由于无线移动通信道里的多径现象,使得接收信号的包络呈现小尺寸衰落,研究表明,包络一般服从瑞利分布或莱斯分布。在移动无线信道中,瑞利衰落分布是常见的用于描述平坦衰落信号或独立多径分量接收中包络的时变统计特性的一种衰落类型;莱斯衰落分布是由于在瑞利衰落分布的基础上,存在一条直射路径的影响而造成的。瑞利分布和莱斯分布常用来描述从多径信道接收的信号的统计起伏性,它们都属于小尺度传播模型,描述的是短距离(几个波长)或短时间(秒级)内的接收场强的快速波动。
2.3 空时MIMO信道。
空时MIMO信道既要考虑信道的时间特性又要考虑信道的空间特性,如多径信号的到达方向、天线阵列几何等。为表达简洁,将忽略接收机端的加性噪声。用带下划线的小字母表示向量,用带下划线的大字母表示矩阵。
3. 空时MIMO信道模型建模方法
3.1 空时MIMO信道建模。
一个对移动通信信道准确地描述在设计无线通信系统的时是非常重要的。接收器的性能是非常依赖于无线信道特性的。如果有一个准确的信道模型,靠使用这些信道特性就可以设计出达到高性能的接收算法。
3.2 确定性信道模型。
3.2.1 双向传播的信道播模型。
之所以称双向传播信道模型是因为它包含了收发两端天线阵列的有关信息。为了把天线和自由空间对传输信号的作用分开,在这里把信道分为一般的无线信道和自由空问传播信道,后者用双向信道来描述,此信道中不含发射天线和接收天线,介于两者之间的信道称为单向信道,即一端包括天线,则另一端不包括天线,包括天线的一端假定使用全向天线,另外一端则使用方向性的天线,单向信道的脉冲响应用而h(t,τ,φR)或 h(t,τ,φr)来表示。
3.2.2 射线跟踪模型。
计算能力的发展使得在具有传播区域详细的地图的情况下,精确的预测无线信道成为可能。使用光学理论,比如,视波为光线,场强可以被计算出来。这样,一些方法经常被称为射线跟踪技术。然而,射线跟踪技术的计算经常非常复杂,而且对于给定确定场景地图的建模来说是有限的。射线跟踪技术的主要应用在小区规划,例如在覆盖该区的平均接受功率需要确定的情况下。
3.3 随机MIM0信道模型。
同样基于光学理论的数量巨大的经验信道模型也发展起来,其中两个最著名的例子是0kumura和Hara模型。在这种情况下不是建立地区的详细模型,而是通过一些数量的参数,使瑞利的简化模型适用于测量数据。这种类型建模典型的例子适用于信号经过光滑或者不规则的地形传播,经过屋顶的衍射的情况。这些模型同样主要被用于小区规划当中。这类模型一般使用高度简化的物理原理,从而实现一个对无线信道的统计描述。尽管在某些情况下,这些统计模型可以通过将统计模型适用于测量的数据来实现。這些模型经常用于模拟信道数据,并且在设计最佳接收器的时候经常作为开始研究的方法。
3.4 信道衰落和扩展。
发射出去的信号在空间传播过程中所遭受的损害,大致可分为两大类:即衰落和扩展。衰落是指无线信号所经受的传播损耗,表现为接收信号的电平在时间、空间或频率的某个区域内围绕平均值起伏变化。而信道扩展是指携带信息的信号能量在时间、空间或频率轴上的扩散。信道衰落可以分为两类:慢衰落,快衰落和块衰落。慢衰落也称为准(拟)静态衰落,是由建筑物的长时间的阴影效应或.山区的自然特征所引起,它也可以看成是快速衰落信号的局部平均值,这个平均值的统计分布经过实验研究,证明它要受到天线的高度、工作频率和周围环境的影响,一般很难预测。
4. 空时MIMO信道的仿真与实现
要仿真整个MIMO无线信道,关键是要产生信道模型中的L个矩阵A的各个元素,以便为MIMO信道的空间相关性以及时频衰落特性建立恰当的模型。可以从三个方面来考虑这个问题:首先,如何描述MIMO信道的空间相关性;其次,如何正确的反映MIMO信道的时频衰落特性;第三,在得到了对信道空间相关性和时频衰落特性的正确描述以后,如何产生各个抽头的系数(矩阵)。
对MIMO信道模型的描述,MIMO信道矩阵可以由下面的方法产生,
首先,产生MIMO信道收发两端的相关矩阵RBS 和 RMS,再按照MIMO信道的整体相关矩阵。由RMIMO 进行相应的矩阵分解得到一个对称映射矩阵C, C即为MIMO信道的空间相关成形矩阵,即
RMIMO =CCT (1)
参考文献
[1] 《移动通信中的空时信号处理》,谢显中,雷维嘉,电子工业出版社,2008.8
[2] 《通信系统建模与仿真》,韦岗,季飞,傅娟,电子工业出版社,2007.6
[3] 《空时无线通信导论》,Arogy aswami paulraj,Rohit Nabar, Dhananiay Gor著刘威鑫译,李少谦审,清华大学出版社,2007.12
[4] 《下一代宽带无线通信OFDM与MIMO技术》,周恩,张兴,品召彪,孙宇昊编,王文博审,人民邮电出版社,2008.5
[文章编号]1006-7619(2010)09-28-883
基于上述认识,本文围绕无线通信系统中的MIMO信道建模这一主题,在MIMO信道建模、MIMO信道空时相关特性两个方面进行了系统而深入地研究。因为开发合理、符合实际环境条件的空时MIMO信道模型是评估各种空时处理算法性能、仿真与设计高性能通信系统的基础,而无线信道的空时特性是空时处理性能的关键。本文研究了现有应用环境下MIMO无线通信系统的信道建模理论与方法,对Rayleigh衰落信道模型进行了仿真,并与相关文献进行了分析比较。
【关键词】MIMO;信道建模;空时信道模型;空时相关;仿真;衰落信道
Research and simulation of space-time MIMO channel model
Liu Feng
(Shanxi Tianyuan Communication Design Consulting Co., Ltd. Xi'an Shanxi 710075)
【Abstract】 With the wireless communications business continues to grow, the data transfer rate and better quality of service. Next-generation wireless communications system will provide users a higher MIMO (MlMO) technology is considered a major breakthrough in modern communication technology, one has become more and more broadband wireless access, 3G and other wireless communications research in the field of hot spots. Therefore, understanding and knowledge of land mobile communication environment, the characteristics of MIMO channel, the realization of the tremendous potential channel capacity, to achieve the desired performance, choose the right system architecture and design of the fine signal processing algorithms is essential.Based on the above understanding, this article focus on wireless communication systems in the MIMO channel modeling this theme, in the MIMO channel modeling, MIMO space-time channel-related characteristics of the two aspects of the system and in-depth research. Because the development of reasonable and in line with the actual environmental conditions of space-time MIMO channel model is to assess the performance of space-time processing algorithms, simulation and design of high-performance communications systems, and wireless channel characteristics of the space-time processing performance of space-time is the key. In this paper, the existing application environments MIMO wireless communication systems channel modeling theory and method, the Raleigh fading channel simulation model and related literature are analyzed and compared.
【Key words】MIMO;Channel modeling;Space-time channel model;Space-time correlation;Simulation;Fading channels
1. 前言
MIMO技术被认为是第三代和未来移动通信与个人通信系统实现高速率数据传输,提高传输质量的重要途径,也是充分利用空间资源以提高频谱利用率的一個必然途径。从信息论的观点业已证明:MIMO系统的容量与发射、接收端的最少天线个数近似呈正比。容量的增加除了可以增加用户数外,还意味着当通信速率一定时可以改善系统的差错性能。而MIMO系统容量的实现和系统性能的提高以及MIMO系统中使用的各种信号处理算法的性能优劣都极大的依赖MIMO信道模型的特性,特别是各个天线之间的相关性,所以对MIMO信道模型的研究就显得至关重要了。其重要性体现在:一方面我们可用所提模型评估各种空时处理算法的性能,另一方面可以进行系统级和链路级仿真,并给出天线设计的位置,间距参数等。
2. 空时MIMO信道模型理论
2.1 移动通信信道的基本特征。
移动通信信道是一种时变信道,无线电信号通过移动信道时会遭到来自不同途径的衰减损耗。一般来说,这些损耗可归纳为三类:电波传播的路径损耗、阴影衰落(效应)和小尺度衰落。
2.1.1 阴影衰落。
当电波在传播路径上遇到高矮、位置、占地面积不等的建筑物,起伏的地形、山峰和森林等的阻挡时,则会形成电磁场的阴影。当移动台通过不同障碍物的阴影时,就造成接收场强中值的变化。这种由于阴影效应导致解手场强中值随着地理位置改变而出现的缓慢变化称大尺度衰落。又称为阴影衰落。
2.1.2 小尺度衰落。
小尺度衰落是由于传播环境的多径运输、移动台与环境的相对运动所引起的衰落,以及信号在较短或时间之内急剧起落所引起的,设每条路径的幅度和相位分别服从高斯分布和[0,2π ]内的均匀分布,且每条路径的幅度和相位都是统计独立的。
时间色散和频率选择性都是由于不同时延的多经信号叠加所产生的效果,依赖于发射机、接受机和周围的物理环境之间的几何关系。
由于无线通信中移动台和基站周围的散射环境不同,使得多天线系统中不同位置的天线经历的衰落不同,从而产生角度色散,即空间选择性衰落。
所有的角度信息都与散射环境密切相关,移动环境中的三种主要的散射体以及对信道都能够造成影响。
2.2 衰落信道的统计特性。
由于无线移动通信道里的多径现象,使得接收信号的包络呈现小尺寸衰落,研究表明,包络一般服从瑞利分布或莱斯分布。在移动无线信道中,瑞利衰落分布是常见的用于描述平坦衰落信号或独立多径分量接收中包络的时变统计特性的一种衰落类型;莱斯衰落分布是由于在瑞利衰落分布的基础上,存在一条直射路径的影响而造成的。瑞利分布和莱斯分布常用来描述从多径信道接收的信号的统计起伏性,它们都属于小尺度传播模型,描述的是短距离(几个波长)或短时间(秒级)内的接收场强的快速波动。
2.3 空时MIMO信道。
空时MIMO信道既要考虑信道的时间特性又要考虑信道的空间特性,如多径信号的到达方向、天线阵列几何等。为表达简洁,将忽略接收机端的加性噪声。用带下划线的小字母表示向量,用带下划线的大字母表示矩阵。
3. 空时MIMO信道模型建模方法
3.1 空时MIMO信道建模。
一个对移动通信信道准确地描述在设计无线通信系统的时是非常重要的。接收器的性能是非常依赖于无线信道特性的。如果有一个准确的信道模型,靠使用这些信道特性就可以设计出达到高性能的接收算法。
3.2 确定性信道模型。
3.2.1 双向传播的信道播模型。
之所以称双向传播信道模型是因为它包含了收发两端天线阵列的有关信息。为了把天线和自由空间对传输信号的作用分开,在这里把信道分为一般的无线信道和自由空问传播信道,后者用双向信道来描述,此信道中不含发射天线和接收天线,介于两者之间的信道称为单向信道,即一端包括天线,则另一端不包括天线,包括天线的一端假定使用全向天线,另外一端则使用方向性的天线,单向信道的脉冲响应用而h(t,τ,φR)或 h(t,τ,φr)来表示。
3.2.2 射线跟踪模型。
计算能力的发展使得在具有传播区域详细的地图的情况下,精确的预测无线信道成为可能。使用光学理论,比如,视波为光线,场强可以被计算出来。这样,一些方法经常被称为射线跟踪技术。然而,射线跟踪技术的计算经常非常复杂,而且对于给定确定场景地图的建模来说是有限的。射线跟踪技术的主要应用在小区规划,例如在覆盖该区的平均接受功率需要确定的情况下。
3.3 随机MIM0信道模型。
同样基于光学理论的数量巨大的经验信道模型也发展起来,其中两个最著名的例子是0kumura和Hara模型。在这种情况下不是建立地区的详细模型,而是通过一些数量的参数,使瑞利的简化模型适用于测量数据。这种类型建模典型的例子适用于信号经过光滑或者不规则的地形传播,经过屋顶的衍射的情况。这些模型同样主要被用于小区规划当中。这类模型一般使用高度简化的物理原理,从而实现一个对无线信道的统计描述。尽管在某些情况下,这些统计模型可以通过将统计模型适用于测量的数据来实现。這些模型经常用于模拟信道数据,并且在设计最佳接收器的时候经常作为开始研究的方法。
3.4 信道衰落和扩展。
发射出去的信号在空间传播过程中所遭受的损害,大致可分为两大类:即衰落和扩展。衰落是指无线信号所经受的传播损耗,表现为接收信号的电平在时间、空间或频率的某个区域内围绕平均值起伏变化。而信道扩展是指携带信息的信号能量在时间、空间或频率轴上的扩散。信道衰落可以分为两类:慢衰落,快衰落和块衰落。慢衰落也称为准(拟)静态衰落,是由建筑物的长时间的阴影效应或.山区的自然特征所引起,它也可以看成是快速衰落信号的局部平均值,这个平均值的统计分布经过实验研究,证明它要受到天线的高度、工作频率和周围环境的影响,一般很难预测。
4. 空时MIMO信道的仿真与实现
要仿真整个MIMO无线信道,关键是要产生信道模型中的L个矩阵A的各个元素,以便为MIMO信道的空间相关性以及时频衰落特性建立恰当的模型。可以从三个方面来考虑这个问题:首先,如何描述MIMO信道的空间相关性;其次,如何正确的反映MIMO信道的时频衰落特性;第三,在得到了对信道空间相关性和时频衰落特性的正确描述以后,如何产生各个抽头的系数(矩阵)。
对MIMO信道模型的描述,MIMO信道矩阵可以由下面的方法产生,
首先,产生MIMO信道收发两端的相关矩阵RBS 和 RMS,再按照MIMO信道的整体相关矩阵。由RMIMO 进行相应的矩阵分解得到一个对称映射矩阵C, C即为MIMO信道的空间相关成形矩阵,即
RMIMO =CCT (1)
参考文献
[1] 《移动通信中的空时信号处理》,谢显中,雷维嘉,电子工业出版社,2008.8
[2] 《通信系统建模与仿真》,韦岗,季飞,傅娟,电子工业出版社,2007.6
[3] 《空时无线通信导论》,Arogy aswami paulraj,Rohit Nabar, Dhananiay Gor著刘威鑫译,李少谦审,清华大学出版社,2007.12
[4] 《下一代宽带无线通信OFDM与MIMO技术》,周恩,张兴,品召彪,孙宇昊编,王文博审,人民邮电出版社,2008.5
[文章编号]1006-7619(2010)09-28-883