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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信道中的一些参数的介绍。在此基础上，根据发射端和接收
2、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ABSTRACTThe Multiple-Input Multiple-Output(MIMO) technology is considered as one of the most promising breakthrough technology in modern mobile communic
3、ation 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.therefore,the modeling of MIMO cha
4、nnel 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 familiar mathematical model of
5、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 arrival,angle of departure,azimuth s
6、pread,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; correlation; channel simulatio
7、n目 录1 绪论11.1课题的研究背景11.1.1MIMO技术简介11.1.2信道建模的必要性21.2选题意义和研究内容31.3本文的结构42 MIMO无线信道的特点52.1信号传播方式52.2信道衰落52.2.1大尺度衰落特性62.2.2小尺度衰落特性62.3信道扩展82.3.1多径（时延）扩展82.3.2多普勒扩展92.3.3角度扩展92.4无线信道的数学模型102.4.1瑞利衰落信道122.4.2莱斯衰落信道132.5MIMO无线信道的参数特点143 MIMO信道建模163.1概述163.2模型的主要参数173.3模型的数学描述183.4相关性的研究213.4.1相关性的定义213.4.
8、2相关矩阵223.4.3相关系数的产生233.5本章小结264 信道模型的仿真284.1仿真方法284.2仿真流程294.3Matlab实现314.4结果分析334.4.1天线间距对相关性的影响344.4.2角度扩展对相关性的影响354.4.3角度对相关性的影响365 总结38参考文献39翻译40英文原文40中文译文49致谢56 第39页1 绪论1.1课题的研究背景1.1.1MIMO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
9、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
10、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), 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
11、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
12、以降低共道干扰和多径衰落的影响，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20世纪7
13、0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。1.1.2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(Glo
14、bal 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
15、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 Codes)为典型的空间分集(diversity)和以BLAST(Bell LAyered Space-Time architecture)为典型的空间复用(multiplexing)两个方面。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
