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1、摘 要 MIMO 技术由于能够在不增加传输信道带宽的条件下成倍的提高无线信道的 容量，因而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。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
2、一些参数的介绍。在此基础上， 根据发射端和接收端天线的阵列结构、发射信号的离开角与角度扩展、接收信号 的到达角与角度扩展、角度功率谱、多普勒功率谱等参数，提出了一个合理的 MIMO 无线信道模型。还详细描述了信道相关性的问题。最后提出了对信道模型 进行仿真的方法、流程图，并对仿真结果进行了分析。 关键词：无线信道；MIMO；信道建模；相关性；信道仿真 ABSTRACT The Multiple-Input Multiple-Output(MIMO) technology is considered as one of the most promising breakthrough techno
3、logy in modern mobile communication sestem,It is an impotent approach to improve system performance,enhance the capacity and spectrum efficiency.MIMO channel model is necessary both at the phase of research MIMO technology and the commercial application of the MIMO wireless communication sestem.ther
4、efore,the modeling of MIMO channel play a very important role in relevant research. in this dissertation,we integrated a wideband MIMO channel model based on many factor. In this dissertation,at first we sum-up the characteristic of the wireless channel,Including the spread manner and introduce two
5、familiar mathematical model of wireless channel and some parameter of MIMO channel.Then,based on the existing methods of MIMO wireless channel modeling and a variety of present MIMO wireless channel models,we integrated a wideband MIMO channel model.Its of stochastic type and uses the angle of arriv
6、al,angle of departure,azimuth spread,the topology of both transmitter and receiver,the Doppler spectrum,the power delay profile,etc. as its parameters.At last we find a method of MIMO simulation,give the flowchart,and analyse the simulation result. Key words: wireless channel; MIMO; channel modeling
7、; correlation; channel simulation 目目 录录 1 1 绪论绪论 1 1 1.1 课题的研究背景.1 1.1.1MIMO 技术简介.1 1.1.2 信道建模的必要性.2 1.2 选题意义和研究内容.3 1.3 本文的结构.4 2 2 MIMOMIMO 无线信道的特点无线信道的特点5 5 2.1 信号传播方式.5 2.2 信道衰落.5 2.2.1 大尺度衰落特性.6 2.2.2 小尺度衰落特性.6 2.3 信道扩展.8 2.3.1 多径（时延）扩展.8 2.3.2 多普勒扩展.9 2.3.3 角度扩展.9 2.4 无线信道的数学模型10 2.4.1 瑞利衰落信道1
8、2 2.4.2 莱斯衰落信道13 2.5MIMO 无线信道的参数特点14 3 3 MIMOMIMO 信道建模信道建模.1616 3.1 概述16 3.2 模型的主要参数17 3.3 模型的数学描述18 3.4 相关性的研究21 3.4.1 相关性的定义21 3.4.2 相关矩阵22 3.4.3 相关系数的产生23 3.5 本章小结26 4 4 信道模型的仿真信道模型的仿真 .2828 4.1 仿真方法28 4.2 仿真流程29 4.3MATLAB实现.31 4.4 结果分析33 4.4.1 天线间距对相关性的影响34 4.4.2 角度扩展对相关性的影响35 4.4.3 角度对相关性的影响36
9、5 5 总结总结 .3838 参考文献参考文献 .39 翻译翻译 .40 英文原文 .40 中文译文 .49 致谢致谢 .56 第 1 页 1 绪论 1.1 课题的研究背景 1.1.1MIMO1.1.1MIMO 技术简介技术简介 近年来，移动通信和因特网飞速发展，在第三代蜂窝移动通信中已经部分地 引人了无线因特网和多媒体数据业务。而在未来的移动通信系统中，人们对传输 速率提出了更高的要求，这就需要采用更先进的技术来实现更高的传输速率。然 而频谱资源总是有限的，要支持高速率就要开发具有极高频谱利用率的无线通信 技术。MIMO 技术是无线移动通信领域智能天线技术的重大突破。该技术能在不 增加带宽的
10、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。 图 1.1 MIMO 系统示意图 MIMO 系统是利用多天线来实现空域复用。根据收发两端天线数量，相对于 普通的 SISO(Single-Input Single-Output)系统，MIMO 还可以包括 SIMO(Single- Input Multiple-Output)系统和 MISO(Multiple-Input Single-Output)系统。MIMO 系 统的框图如图 1-1 所示。 通常，多径要引起衰落，因而被视为有害因素。然而研究结果表明，对于 MIMO
11、系统来说，多径可以作为一个有利因素来加以利用。MIMO 系统在发射和 接收端均采用多天线（或阵列天线）和多通道，MIMO 的多入多出是针对多径无 线信道来说的。传输信息流 s(k)经过空时编码形成 N 个信息子流(k), ic i=1,，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1。这 N 个子流同时发送到信道，各发射信号占用同一频带，因 第 2 页 而并为增加带宽。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13。通过这些并行空间信道独立地传
12、输信息，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2： （1）利用或者减少多径衰落：MIMO 技术能够充分采用多径的各种发射/合 成技术，提高无线通信系统的性能； （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）提高频谱利用率：由于阵列天线可以降低共道干扰和多径衰
13、落的影响， 因而在一定的信干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 利用分级技术提高接收信号的信噪比，因此基站和移动端的发射功率可以得到一 定程度的降低，同时间小空间电磁干扰的影响、延长移动终端电池使用时间、减 小对生态环境的影响、降低系统对功率控制精度和器件的要求。 MIMO 技术的使用可以追溯到 20 世纪的马可尼时代，早在 1908 年马可尼就 提出用它来抗衰落。人们研究发现，多副天线构成的接收阵列可以有效地克服无 线蜂窝系统中的共道干扰。二次世界大战后，对雷达系统中天线阵列的研究尤为 活跃。到
14、20 世纪 70 年代，由于军事上的原因，数字信号处理技术得到了快速发 展，这使得更多的关于天线阵列的研究的自适应信号处理技术的实现成为可能， 从而进一步提高了分集性能，降低了干扰3。到 20 世纪 90 年代初，人们发现使 用多天线可以增加无线信道的容量4。接下来，Bell 实验室在 20 世纪 90 年代中 后期一系列研究成果的出台5，对 MIMO 技术的研究起了很大的推动作用，开创 了无线通信的一场新的技术革命。 1.1.21.1.2 信道建模的必要性信道建模的必要性 随着无线通信技术的不断发展，用户对数据传输速率和多种无线业务的需求 也在不断增加，除了传统的语音业务外，人们期望能以较低
15、的价格和更高的数据 速率获取 Internet 接入和多媒体服务。此外，以 GSM(Global System for MobileCommunication)为代表的第二代蜂窝移动通信系统频谱利用率较低，可利 用的无线频谱资源又日趋紧张，无线通信系统在系统容量、网络覆盖、运营成本 等方面出现了一些新的问题和矛盾。上述两个方面的需求不断地推动着新型无线 第 3 页 通信技术的诞生、发展和应用。尤其近几年来，无线数据和移动 Internet 业务需 求的持续增长，使得如何实现高频谱利用率并支持分组业务的高速数据传输成为 迫切需要解决的根本问题，这对未来一代无线通信网络和无线传输技术提出了巨 大挑
16、战。从技术角度看，解决这一问题需要研究全新的无线网络结构和新型的无 线传输技术6。 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：码分多址 (CDMA,CodeDivisionMultipleAccess)、正交频分复用(OFDM)、智能天线 (SmartAntenna)、UWB(UltraWideBand，超宽带)技术、多入多出(MIMO,Multiple- Input Multiple-Output)技术7、软件无线电技术以及认知无线电(Cognitive Radio)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。 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 中在以空时编码(STC,Space-Time Code
