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1、MIMO信道建模和信道估计技术研究 作 者 姓 名 SFJ 专 业 电子信息工程 指导教师姓名 专业技术职务 目 录摘 要1第一章 绪论31.1 引言31.2 无线信道概述31.3 MIMO研究现状41.4 本文的章节安排5第二章 无线信道分析及建模62.1无线信道的特点62.2 无线信道分析62.3 移动信道的模型102. 3.1 多径衰落信道模型122.3.2 常见信道模型132.3.3 衰落统计模型14第三章 MIMO信道建模153. 1 MIMO信道建模的意义153. 2 M IMO信道建模方法综述153. 3 MIMO信道典型模型163.3.1独立同分布(IID)复高斯信道模型163
2、.3.2基于功率相关矩阵的宽带随机MIMO信道模型163.3.3 COST 207模型183.3.4 IST METRA随机信道模型203.4简单介绍其他信道典型MIMO信道模型22第四章 多天线发射系统的信道估计244.1基于训练序列的多天线发射系统的信道估计244.1.1具有AWGN的符号间干扰信道的等效离散时间模型244.1.2循环前缀辅助下的信道估计254.1.3最小二乘(LS)估计274.1.4最小均方误差法(MMSE)284.2基于独立同分布(IID)复高斯信道模型的信道估计284.2.1用两种方法实现信道估计（软件仿真）284.3在不同的噪声条件下的信道估计的应用29第五章 结论
3、与展望31参考文献32附 录33致 谢40摘 要MIMO（多输入多输出）技术由于能够在不增加传输带宽的条件下成倍的提高无线信道的信道容量，因而被认为是下一代移动通信系统(4G)的关键技术之一。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。现有的MIMO信道模型主要分为确定性模型和随机模型两大类。其中随机模型又分为：参数模型，相关模型，几何模型这三类。几何模型具有结构简单，物理概念明确，适应性强，易于在计算机上仿真的优点，因此成为模型研究中的热点。 本文围绕无线通信系统中的MIMO信道建模这一主题
4、，在MIMO信道建模、MIMO信道估计特性两个方面进行了系统深入地研究。因为开发合理、符合实际环境条件的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，本文首先较为全面的概述了MIMO无线信道，详尽地描述了现有MIMO无线信道的典型模型，包括物理模型与非物理模型，分析了各种现有MIMO模型的优缺点。论文中对基本的信道采用了LS,MMSE 方法进行了估计，并且通过仿真结果进行分析。关键词：信道建模 信道估计 多输入多输出ABSTRACT The multiple-in-multiple-out (MIMO) technology has been regarded
5、as one of the key technologies of the next generation mobile communication system (4G), because it can extend the channel capacity of wireless communication system without increasing the channel bandwidth. MIMO channel model is necessary both at the phase of research of MIMO technology and the comme
6、rcial application of the MIMO wireless communication system. Therefore, the model of MIMO channel play a very important role in relevant research. There are two kinds of MIMO channel model, deterministic model and stochastic model. The latter includes geometrically model, parametric model and correl
7、ation model. The geometrically stochastic model is widely investigated because of the advantages such as simple structure, clear physical concept, strong adaptation ability and convenience to simulate on a computer. This dissertation focuses on the MIMO channel modeling and estimating of MIMO channe
8、l model. According with the real environment, the channel model would be the foundation of evaluating the performance of spatial-time algorithm and designing the high-powered communication systems. The major contents in this dissertation are: firstly, the dissertation describes the conception and an
9、alyses the typical MIMO channel models including Physical models and non-Physical models. In the paper to basic channel used the LS method, MMSE estimate and Through the simulation results are analyzed .Key words：channel model; channel estimate; MIMO 第一章 绪论1.1 引言 随着社会的发展，人们对通信的需求口益迫切，对通信的要求也越来越高。理想的
10、目标是能在任何时间、任何地方、与任何人都能及时沟通、交流信息，而无线通信技术正是为了实现这个理想的目标在不断发展更新，以其无所不在、高质量、高速率的移动多媒体传输技术让人耳目一新。众所周知，无线信道是无线通信系统的必不可少的组成部分，因而无线信道的研究是无线通信系统研究的基础。在规划和建设无线通信网时，从选择频段、分配频率、考虑无线电覆盖范围、计算通信可用度以及系统内和系统间的电磁干扰，到最终确定无线设备的参数，都有赖于对无线信道及电波特性的了解，对信道的研究具有使用价值和理论价值。无线信道的建模历来是移动无线系统设计中的难点。这是因为无线信道中的电波传播受到频率、距离、极化方式、天线高度、地
11、形、地物以及各种散射与反射体的电特性参数等多种因素的影响。无线信道不像有线信道那样固定并可预见，而是具有极大的随机性，对信号的影响也是随机的，分析难度很高。正是由于无线信道对信号影响的随机性与复杂性，使得研究无线信道极其重要，同时对信道的空时相关特性进行深入的研究和分析，以揭示无线信号传播的更为细致的规律，对于理论研究和工程应用都有十分重要的意义。1.2 无线信道概述 无线信道通常是一个富有多径的复杂散射信道，其多径传播导致信号在不同维度上扩展，环境的多样性与易变性使得无线信道具有很大的随机性与时变性，这都给无线信道分析与建模带来一定的难度，尤其是对于多天线MIMO无线信道建模。MIMO系统利
12、用无线信道的多径传播，开发空间资源，建立空间并行矩阵传输通道，利用空时联合处理提高无线通信系统的容量与可靠性。利用空间技术就要熟悉MIMO信道的空间特性，而传统的信道都是描述单输入单输出信道或相互独立的MIMO信道。实际空间传输环境下的信道之间是相关的，并且这种相关性对MIMO系统的性能至关重要，因此空间矢量信道的研究、建模和仿真越来越成为研究通信系统性能必不可少的工具。研究表明，只有在无线信道散射传播的多径分量足够丰富，各对收一发天线单元间的多径衰落才趋于独立，从而信道矩阵才趋于满秩。如果散射不够丰富或天线单元间距较小的条件下，多径衰落将不完全独立，信道矩阵也非满秩，MIMO信道的空间优势得
13、不到充分发挥，MIMO系统传输方案的性能将下降，即信道传播条件决定了MIMO系统的信道容量。一方面，需开发更加稳健的空时处理算法，比如空时编解码、空时均衡与MIMO收发信机算法;另一方面，需开发MIMO无线信道模型以模拟各种实际信道条件、评估各种空时处理算法的相对性能、仿真与优化设计高性能的通信系统。先前的研究工作主要在于开发SISO无线信道模型。然而，并不能直接将这些模型扩展到MIMO应用中，因为MIMO信道模型必须将空间信息直接或间接刻画出来，比如角度扩展AS（Angie STread)、到达角AOA(Angle of Arrival)、离开角AOD(Angle of Departure)
14、等。自从1998年Ertel等发表对空间信道模型的综述文章以来，MIMO无线信道建模一直就是研究的热点，已有大量文献对该领域进行了深入研究，目前Lucent, Nokia, LSI Logic, Motorola, ZTE等国际通信公司以及国内外的大学和科研机构都在研究MIMO信道模型。目前受到广泛关注的MIMO信道模型有：3GPP制定的SCM空间信道模型，IST-WINNER研究的W INNER信道模型等。这些研究为评估与开发空时处理算法、仿真1与设计高性能的通信系统提供了极大的帮助，促进了MIMO通信技术的发展。1.3 MIMO研究现状 目前，各国学者对于MIMO的理论、性能、算法和实现的
15、各方面正广泛进行研究在MIMO系统理论及性能研究方面己有一批文献，这些文献涉及相当广泛的内容。但是由于无线移动通信MIMO信道是一个时变、非平稳多输入多输出系统，尚有大量问题需要研究。比如说，各文献大多假定信道为准静态衰落信道。这对于宽带信号的4G系统及室外快速移动系统来说是不够的，因此必须采用更复杂的模型进行研究。己有不少文献在进行这方面的工作，即对信道为频率选择性衰落和移动台快速移动情况进行研究。再有，在基本文献中，均假定接收机精确己知多径信道参数，为此必须发送训练序列对接收机进行训练。但是若移动台移动速度过快，就使得训练时间太短，这时快速信道估计或盲处理就成为重要的研究内容。另外，实验系统是MIMO技术研究的重要一步。实际系统研究的一个重要问题是在移动终端实现多天线和多路接收，学者们正大力进行这方面的研究。由于移动终端设备要求体积小、重量轻、耗电小，因而还
