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1、MIMO无线信道仿真摘要：多入多出(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、改善传输质量、提高系统容量的重要途径。目前，MLMO技术已经在宽带无线接入、3G、B3G等无线通信系统中得到了广泛的应用。然而，MIMO无线系统大容量的实现和其它性能的提高极大地依赖于MIMO无线信道的特性；同时，研究基于MIMO的各种关键技术和处理算法也需要建立MIMO信道的模型，进行相应的仿真，以便评估各种处理算法的优劣和系统性能的好坏。基于上述原因，本文研究了现有应用环境下MIMO无线通信系统的信道建模方法，综合了一
2、个宽带统计MIMO无线信道模型，可以作为研究MIMO无线通信系统的一个通用空时信道模型。分别建立了3GPP,IEEE80216、IEEE80211n和分布式MIMO系统的MIMO信道基于COSSAP的仿真平台，进行了计算机仿真. 关键词：多入多出，MIMO，无线衰落信道，信道建模，信道仿真Abstract ：The more a (MIMO) technology has been considered a major breakthrough in modern communications technology, more and more become one of the resear
3、ch focus in the field of wireless communication. MIMO technology is the future wireless communication system to realize high data rate of transmission, improve transmission quality, improve system capacity of important ways. At present, MLMO broadband wireless access technology has B3G etc, and 3G w
4、ireless mobile communication system been widely used. However, MIMO wireless system capacity of realization and other performance improvement relies heavily on MIMO wireless channel characteristics; Meanwhile, based on the research of key techniques and the multiple-input multiple-output (MIMO) algo
5、rithms also need to establish MIMO channel model, carries on the corresponding simulation to evaluate various processing algorithm, the fit and unfit quality and performance of the system is good. Based on the above reasons, this paper studies the existing application environments MIMO wireless comm
6、unication system channel modeling method, integrated a broadband statistical MIMO wireless channel model, can be used as a research MIMO wireless communication system when a general empty channel model. IEEE802.16 are established, and the 3GPP IEEE802.11 n and distributed MIMO systems based on the M
7、IMO channel COSSAP simulation platform, computer simulation is carried out.Keywords：multiple-input multipleoutput，M1MO，wireless fading channel，channelmodel，charmel simulation目录 第一章、单入单出无线信道的仿真设计5 1.1 平坦衰落信道的仿真方法5 1.2 频率选择性衰落信道的仿真方法6第二章、信道的仿真设计7 2.1 3GPP MIMO 信道仿真设计7 2.2 IEEE802.16 MIMO 信道仿真设计8 2.3 I
8、EEE802.1ln MIMO 信道仿真设计12 2.4 分布式MIMO 信道仿真设计16结论 18参考文献 19致谢 20第一章、单入单出无线信道的仿真设计针对无线信道的大尺度衰落，研究学者们分别建立了路径损耗模型和基于对数正态分布的阴影衰落模型；针对小尺度衰落现象，人们已经提出了Raylei幽分布、Ricean分布等来进行描述。基于这些描述信道衰落特性的模型，人们分别建立了相应的信道仿真模型，提出了信道的仿真方法。本节将根据信道的频率选择性，分别讨论平坦衰落信道和频率选择性衰落信道的仿真模型与仿真方法。1.1平坦衰落信道的仿真方法 描述平坦衰落信道的主要有两个模型clarke模型和Suzu
9、li模型。Clarke模型用于描述Rayleigh衰落信道，Suzuli模型则在Rayleigh衰落的基础上考虑了大尺度衰落，即此时的信道包络可用Rayleigh过程与对数正态过程的乘积表示。当再考虑传播环境中存在一个直接视距分量时，可以用Suzuli信道模型的扩展模型来描述。此时，需要在信道包络上再加上一个直射分量，直射分量由其幅度、多普勒频移和相位决定，此时的信道包络不再服从Rayleigh分布，而是服从Ricean分布。 对上述信道模型的仿真都是基于多个不相关的有色高斯随机过程。对于Clarke模型需要两个有色高斯过程，对于Suzuli模型需要三个有色高斯过程。产生有色高斯过程的方法主要
10、有两类：一类是成形滤波器法，一类是正弦波叠加法(sos，Sum Of Sinusoid)。由于高斯过程可以完全由其均值和自相关函数(或者功率谱密度)来描述，因此，这两种方法是等效的。 成形滤波器法是在线性时不变滤波器的输入端输入零均值、单位方差的白高斯噪声，经滤波器滤波以后，其输出即为所需的高斯过程。为了产生具有特定多普勒功率谱的高斯过程，可以采用相应的成形滤波器。成形滤波法需要设计窄带的数字滤波器，并且运算复杂度相对较高，但是这种方法能够较好的仿真出独立的衰落信道。 正弦波叠加法使用个加权谐波的叠加来实现高斯过程，加权谐波的参数值取决于相应的信道多普勒功率谱。正弦波叠加法的运算量相对于成形滤
11、波法来说较小，但是仿真出的衰落信道的性能不理想。文献给出了一些基于信道多普勒功率谱的参数计算方法，如，等面积法(MEOA，Method of Equal Areas)、等距离法(MED，Method of Equal Distance)、均方误差法(MSEM，Mean Square ErrorMethod)、Montecarlo 计算方法、精确多普勒扩展法(MEDS，Method of Exact Doppler Spread)和Lp范数法等。文献对这些方法的准确性、统计特性和复杂度等问题进行了详细地分析和比较。其中，MEDS和Lp范数这两种方法具有较好的性能。 1.2 频率选择性衰落信道仿真
12、方法 频率选择性衰落信道是由多个可分辩径组合而成(其中的每一个可分辩径就是一个平坦衰落信道)，即，频率选择性衰落信道是由多个具有不同时延的平坦衰落信道组合而成。描述频率选择性衰落信道的一个最常用的模型就是广义平稳非相关散射(wssus)模型。所谓广义平稳，是指信道的冲击响应是广义平稳的，此时，具有不同多普勒频率或者不同入射角的多径之间是不相关的；所谓非相关散射，是指具有不同传播时延的多径之间是不相关的(相互独立)。 对频率选择性衰落信道的仿真通常使用抽头延迟线(TDL)模型。先利用前一小节所述的平坦衰落信道的仿真方法，仿真出多个可分辨径(要保证各个可分辨径之间的独立性)；然后再在各个可分辨径上
13、乘以相应的功率只(Z=l，2，L)，加上相应的离散传播时延，它们的共同作用便产生了频率选择性衰落信道。第二章、信道的仿真设计2.1 3GPP MIMO信道仿真设计 3GPP所使用的MIMO无线信道模型是本文第二章所阐述的统计MIMO信道模型。3GPP组织于2001年12月通过了MIMO系统的链路级信道模型标准的讨论稿，并分别于2002年1月和2003年6月进行了一些修订。其所提出的信道参数如表所示。表中的NA表示此项不适合，对于Case 2和Case 3，所有径的AOAOD值是一样的，对于Case4，每一径的AOAAOD值各不相同。 根据上述的3GPP信道模型标准和参数表，以2发2收的MIMO
14、系统和Case4为例，给出相应的COSSAP仿真框图，如图3-1所示。在上面的框图中，白高斯噪声(复数)分别送入6径Rayleigh信道(其功率谱为Classical多普勒谱，每一径4个Classical多普勒谱模块，每一径的白高斯噪声选取不同的随机种子以保证各个径之间的独立性)，然后每一径经过一个并串转换模块(并行转为串行)，变成两个(实部与虚部)长度为4的一维矢量，将其输入相关成形模块与空间成形矩阵C(4X4)相乘(c由RBS和RMS作Kronecker乘积后分解得到，计算RBS和RMS时需要输入MIMO信道的空间参数)，得到带有相关性的信道矢量，其中第一径包含一个加LOS分量的模块用来产
15、生LOS分量，其结果再经过一个串并串换模块(串行转为并行)。将2根发射天线发出的2路复信号根据信道的PDP进行相应的时延后与上述结果相乘，再经过一个串并转换模块(串行转为并行)，按照接收天线与发射天线之间信号的对应关系(每一根接收天线都能收到所有发射天线发出的信号)，将各径的系数加起来分别送入2根接收天线，就得到了经过带有空间相关性的MIMO信道后的信号输出，即接收天线端的接收信号。 图3-1 3GPP MIMO信道的COSSAP仿真框图 由于Case 4所给出的每一径的空间参数不同，因此上面的仿真框图设计中，将每一径单独搭建，然后分别输入相关成形模块，以产生信道的空间相关性。如果信道每一径的
16、空间参数相同，并且没有LOS分量的时候，上面的框图可以更简单一些，即，将所有径合并在一起，再输入相关成形模块。2.2 IEEE802.16 MIMO信道仿真设计IEEES0216是IEEE制定的固定宽带无线接入标准系列，该标准已经从最初的80216a演变到了现在的802162004和80216e。其中，80216e将支持慢速移动应用。 80216的信道模型仍然是基于空时相关特征的统计MIMO信道模型，其建模的方法使用相关性建模的一种等效形式，即在得到了发射端和接收端的相关矩阵以后，不作Kronecker乘积，而是进行矩阵的平方根分解(其相关矩阵为实值的功率相关矩阵)，分解后的矩阵与I.I.D复
17、高斯矩阵相乘从而得到MIMO信道矩阵，文献给出了MIMO信道模型和信道参数，信道模型采用SUI(Stanford University interim)模型，一共六种(SUI-l至SUI-6)，分别表示不同的传播环境(山区环境、平坦城区以及介于这两种环境之闽的传播环境)。文献对模型参数做出了一些修改。修改后的信道模型参数如表32所示。表中，R表示信道的符号速率(单位为MBd，该信道模型支持的符号速率为5MBd到25MBd)，如，R为20MBd，则Type 2中3径对应的时延分别为0ns，20ns和40ns。Type 0表示了一个LOS传播环境，Type 1和Type 2表示信道环境中存在多径传
18、播，其中，Type 1的传播条件要好于Type 2。Type 2的Ricean K因子为1dB 。另外，文献还给出了每一径的最大多普勒频移以及使用定向天线时的天线增益和Ricean K因子等参数的取值。信道的多普勒谱不同与蜂窝移动通信中的U”形谱(classical谱)，如图2-2所示。其表达式为：(2-1)其中，fm为信道的最大多普勒频移。在仿真时，采用成形滤波法产生该多普勒功率谱，滤波器的转移函数为： (2-2) 图2-2 IEEE802.16 信道的多普勒率谱 由上面的叙述，以2发2收的MIMO系统和Type 2的参数为例，给出基于COSSAP的MIMO信道仿真框图，如图2-3所示。 在
19、上面的框图中，在发射端相关模块处，将发射信号进行相关，相关后的值输入到4个子信道模块(2根发射天线和2根接收天线，每一根接收天线都能接收到所有发射天线发出的信号)，每一个子信道模块包含有不同时延和功率分布的3径，并在第一径根据K因子加上LOS分量。此处与3GPP信道一样，需要对不同的径选取不同的随机种子以保证其独立性。子信道模块的输出按照收发天线间信号的对应关系，输入相加模块，相加模块的输出再进行接收端相关，最后的输出即为接收端的接收信号。 图2-3 IEEE802.16 MIMO 信道的COSSAP 仿真框图2.3 IEEE802.1lnMIMO 信道仿真设计 IEEE8021ln是IEEE
20、正在制定中的下一代WLAN标准，采用MIMO、OFDM等技术，提供数百Mbps的数据速率。根据8021ln的应用环境，目前IEEE802工作组已经制定了相应的信道模型提案。该提案中，对MIMO信道的建模仍然采用了基于空时相关特征的统计MIMO信道模型，并假定电波以波簇的形式达到。信道矩阵的计算可以由第二章介绍的方法得到。并针对五种不同的传播环境，提出了相应的模型，如表所示。 图2-4 “Bell”形多普勒示意图 室内无线信道的衰落特性与我们从室外移动情况中了解到的有很大的不同：对于室内无线通信系统，发射机与接收机通常是静止的，人或传播环境中的其它物体则在其间穿行；而在室外移动通信系统中，用户终
21、端通常会在传播环境中移动，而传播环境中的其它物体对信号的影响相对较小。因此，对于室内环境，为了与测量中得到的多普勒功率谱吻合，一个新的功率谱函数S(f)被定义如下(线性值)： （2-3） 其中： （2-4） fd为信道的多普勒扩展，当f=fd时，s(f)=0.1；v0为人或环境中物体的移动速度，其值在8021ln的信道模型提案中被建议为1.2kmh。当用dB值来表示s(f)时，其形状很像“Bell”谱，其示意图如图2-4所示(其中，f为5Hz)。 另外，由于模型F包含了室外大的开阔地区，所以可能存在移动的车辆，因此，模型F第三径的多普勒谱分量包含了在传播环境中移动的车辆所反射的谱分量。此时的多
22、普勒功率谱s(f)可以表示为(线性值)： (2-5)其中： （2-6） fspike为由移动的车辆引起的多普勒频移。V1即为传播环境中车辆的移动速度，其值在8021ln的信道模型提案中被建议为40 kmh。spike频率分量只有正频率值。带有spike分量的Bell多普勒谱的示意图，如图3-7所示(其中，fd为5Hz，fspike为195Hz)。 图2-5 “Bell spike”形多普勒示意图 在荧光灯存在的环境中，信号的反射会在电力线频率两倍处被引入和消除，从而造成一个快速变化的电磁环境。荧光灯效应会造成接收信号的频率选择性的幅度调制，使接收信号的功率极大的变化。8021ln的信道模型提案
23、也将荧光灯效应考虑了进去，在模型D和E中对一些径引入幅度调制以包含这种荧光灯效应。模型D为典型办公室环境，模型E为大办公室环境，这些环境中通常都有很多全向照射的荧光灯，故受到荧光灯效应的响应也较大。提案中定义了一个调制函数用以模拟荧光灯效应。调制函数的表达式如下： (2-7) 其中，Al为谐波(harmonic)幅度，fm为主要的交流频率，仍为在O，2)内均匀分布的独立随机相位。Al的值分别为0dB,-15dB和-20dB o设干扰与载波的能量比值(interference-tocarrier energy ratio)为： (2-8) 式中，XN(00203，0.0107)，即x服从均值00
24、203，标准偏差0；0107的高斯分布。对模型D和模型E分别选择3径进行调制，其系数为： (2-9) 其中，g(t)为调制函数，c(t)为每一径的初始值，c(t)为调制后的值,为归一化常数。的值由所调制径的能量与整个信道响应的能量的比值以及所给的IC值共同确定。所选择被调制的径的编号如表所示。由上面的叙述，以2根发射天线2根接收天线为例，给出80211nMIMO信道第k径的衰落系数的产生过程，如图2-6所示。高斯白嗓声(复数)经过相应的多普勒谱(Bell谱或者Bell spike谱)成形后，进行空间相关成形，然后按照信道的功率延迟分布(PDP)乘上相应的功率，如果有LOS分量和荧光灯效应，则再
25、依次加上LOS分量和荧光灯效应调制函数。另外，如果需要大尺度衰落信道，则在最后再乘上信道的路径损耗与对数阴影。最终的结果即为信道的衰落系数值。 根据信道衰落系数的产生过程和80111n信道的模型，基于COSSAP的仿真设计框图如图2-7所示(模型F，2发2收，18径)。 在上面的框图中，白高斯噪声(复数)分别送入18径Rayleigh信道(其中，第3径的功率谱为Bell spike多普勒谱，其它径的都为Bell多普勒谱，每一径4个多普勒谱模块，对每一径的白高斯噪声选取不同的随机种子以保证各个径之间的独立性)，然后每一径经过一个并串转换模块(并行转为串行)，变成两个(实部与虚部)长度为4的一维矢
26、量，将其输入相关矩阵计算与空间相关成形模块，该模块由输入的信道空间参数计算RTX和RRX，再由RTX和RRX作Kronecker乘积后分解得到空间成形矩阵C(4X4)，该模块的输出即为带有相关性的信道矢量，其中第一径包含一个加LOS分量的模块用来产生LOS分量，其结果再经过一个串并转换模块(串行转为并行)。将2根发射天线发出的2路复信号根据信道的PDP进行相应的时延后与上述结果相乘，再经过一个串并转换模块(串行转为并行)，按照接收天线与发射天线之间信号的对应关系(每根接收天线都能收到所有发射天线发出的信号)，将各径的系数加起来分别送入2根接收天线，就得到了经过带有空间相关性的MIMO信道后的接
27、收端的接收信号。 在使用本仿真框图搭建仿真链路时，根据信道模型的不同(模型A至模型F)，选用相应的Rayleigh信道模块(模型F的第3径多普勒功率谱为Bell spike，其它模块的都为Bell多普勒谱)，并设置每一径的时延与功率，以及载波频率、符号周期等参数；在相关矩阵计算与空间相关成形模块处，输入发射端和接收端的空间参数(AOA、AOD、AS等)。如果要仿真模型D或模型E，则还需要另外加上一个产生荧光灯效应的模块，以反映荧光灯对发射信号的随机幅度调制作用。如果需要仿真信道的大尺度效应，则应再加上一个反映大尺度路径损耗与对数阴影的模块。 图2-6 IEEE802.1ln信道衰落系数的产生过
28、程 图2-7 IEEE802.1ln MIMO 信道的COSSAP仿真框图 待添加的隐藏文字内容22.4 分布式MIMO信道的仿真设计 分布式MIMO系统是一种新的无线接入体系结构，采用分布式的天线、分布式的处理器和分布式的控制。分布式MIMO系统能够改善信号传输质量，降低发射功率，提高系统容量以及增加系统的覆盖范围。 研究分布式MIMO系统的性能，首先需要建立适合的信道模型。以前在有关分布式MIMO信道模型的文献中，有的信道模型主要考虑了小尺度的Rayleigh衰落特性而忽略了信道的大尺度路径损耗和对数阴影；有的信道模型虽然小尺度衰落与大尺度衰落都考虑到了，却忽略了天线元之间的空间相关性。而
29、信道的大尺度衰落特性以及天线间的空间相关性对于分布式MIMO系统的性能有着至关重要的影响。在本节中，提出一种分布式MIMO系统的信道模型，该信道模型不仅考虑小尺度衰落、大尺度路径损耗和对数阴影效应，同时也考虑了天线元之间的空间相关性，能够比较全面和完整的反映分布式MIMO系统的信道特性，符合实际的应用环境。 图2-8（M,N,L）分布式MIMO系统的信号模型 在分布式MIMO系统中，共有N个天线组分布于移动台周围，每个天线组中有三个天线元，移动台端有M个天线元，将这样的系统记为一个(M,N,L)的分布式MIMO系统，如图2-8所示。 分布式MIMO系统的信道矩阵H由N个子信道矩阵构成，这N个子
30、信道矩阵分别表示移动台与个天线组之间的信道矩阵，上行链路时分布式MIMO系统的信道矩阵H可以表示为： (2-10)上式中，(n=1，.，N)为移动台与第n个天线组之间的LXM的信道子矩阵： (2-11)下行链路时分布式MIMO系统的信道矩阵H可以表示为： (2-12)上式中，(n=1，.，N)为移动台与第n个天线组之间的LXM的信道子矩阵：(2-13) 在式(2-11)与式(213)中，(上行链路时为LM的矩阵，下行链路时为MXL的矩阵)为经过了相应的多普勒功率谱成形的独立同分布的零均值复高斯变量，为一个对角矩阵，其元素表示路径损耗与对数阴影： (2-14) 上式中，为传播常数，为发射天线与接
31、收天线间的距离，为路径损耗指数，即为路径损耗，s为服从对数正态分布的阴影衰落，其方差为。(上行链路时为LL的矩阵，下行链路时为MM的矩阵)与(上行链路时为MXM的矩阵，下行链路时为LL的矩阵)分别表示接收天线的空间相关矩阵和发射天线的空间相关矩阵。 通常在分布式MIMO系统中，不同的天线组之间的距离较大，散射环境也不同，而同一天线组内部的天线元之间的间距通常较小，所处的散射环境也大致相同，因此我们在对信道的空间相关性进行建模时，只考虑各个分布式的天线组内部其天线元之间的相关性，而假定不同的分布式天线组之间是不相关的。同时，由于移动台端的天线元间的间距通常较小，我们也考虑了它们之间的空间相关性。
32、在对分布式MIMO信道进行仿真时，需要搭建多个信道模块，产生每个天线组的MIMO信道矩阵Hn(n=1,N)，并且必须保证各个天线组的信道矩阵Hn之间的独立性：另外，信道的大尺度衰落(包括路径损耗和对数阴影)对分布式MIMO系统性能有着重要的影响，因此，在仿真设计时需要增加一个仿真大尺度衰落的模块。结论 MIMO无线通信作为未来一代无线和个人移动通信系统的框架技术，正受到越来越多的关注，对MIMO无线通信相关理论和关键技术的研究也在逐步深入。通过对宽带MIMO衰落信道模型的仿真，则可为研究基于MIMO的各种关键技术和处理算法提供链路级和系统级的仿真平台。本文总结了目前MIMO信道建模方法和现有的
33、MIMO信道模型，指出了各自的优缺点。并在此基础上，提出了合理的、实现复杂度较低的统计MIMO空时无线信道模型。该统计MIMO信道模型基于三种常见的角度功率谱(均匀分布、高斯分布和拉普拉斯分布)、收发天线的阵列结构、多普勒功率谱和信道的功率时延分布等参数，能比较真实和全面的反映MIMO信道的衰落特性，特别是空间相关性，可以作为研究MIMO无线通信系统的一个通用的空时信道模型，用于MIMO系统的信道容量等性能的分析以及各种空时处理算法的选择。在仿真方面，建立了相应的MIMO无线信道仿真模型，并基于COSSAP仿真软件，分别创建了3GPP、IEEE80216、IEEE80211n以及分布式MIMO
34、系统的MIMO信道仿真平台，验证了所提出的信道模型的有效性。参考文献1尤肖虎，曹淑敏，傅学群我国未来移动通信研究开发展望，电信科学，2002年08期。2陈如明，3G新发展及3G3G演进策略思考，中国无线电，2005年01期。3朱近康，对3G和后3G发展的思考，移动通信，2003年7月。4武刚，多入多出无线通信中的信道模型、空时编码及关键技术研究：博士学位论文，成都：电子科技大学200453GPP TSG R1-0l-1305.MIMO channel measurement and modeling results.Qualcomm,November,2001.6杨大成，移动传播环境理论基础、
35、分析方法和建模技术，北京：机械工业出版社，2003。7Theodores S.Rappaport.无线通信原理与应用(蔡涛，李旭，杜振民译)。北京：电子工业出版社，1999。8Gregory D.Durgin.空一时无线信道(朱世华，任品毅，王磊，等译)。西安：西安交通大学出版社，2004。9徐晓军，罗涛，王军，等。分布式MIMO系统的信道建模。2005中国西部青年通信学术会议论文集。103GPE MIMO discussion summary.3GPP TSG R1020181,January 2002.113GPE A standardized set of MIMO radio prop
36、agation channels.3GPP TSG R1-01.12IEEE802. Air interface for fixed broadband wireless access systems.IEEE802.16-2004 standard,June 2004.13IEEE802. Channel models fof fixed wireless applications IEEE802.16.3c-01/29r4.14IEEE802.TGn functional requirements.IEEE802 11-03/813.15IEEE802.Sync proposal technical specification.IEEE802.1 l-04889r1.16IEEE802.802.1ln channellllodel validation.IEEE 802.11-03/894r1. November2003.
