论文研究-MIMO无线信道建模 .pdf

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MIMO无线信道建模,赵婷婷,,多入多出(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。然而MIMO无线系统大容量的实��
印国科花论文在线 http://www.paperedu.cn HI/ln 7/n,ft 上式间接地使用了上述的第3个假设,即接收端天线的相关系数与发射端的天线无关。 只要发射端的天线间距并个太大,而且每根天线具有相同的辐射模式,这个假设就是合理的。 因为从这些天线上发射出去的电磁波照射到接收端周围相冋的散射体上,在接收端会产生相 同的PAS,也会产生相同的空间相关函数。 同样地,定义发射端第n1根天线和第n,根天线之间的相关系数为 Pn, n, =(ann,, amn (7 根据式(6和式(7,分别定义接收端和发射端的两个对称相关矩阵Rx和Rx为2 P12 22 2M RX MM⊥MxM PI p1 PiN RX N RX nxN 然而,仅有发射端的空间相关矩阵和接收端的空间相关矩阵并不能为产生矩阵A提供 足够的信息。因此,需要确定连接两组不同天线之间的任意两个传输系数的空间相关性。 为此,定义 (10) 在上述第3个假设的条件下,从理论上可以证明,式(2-10)与下式等价 根据式(1).MIMO信道的整体相关紆阵可以表示为发射端相关矩阵与接收端相关矩阵 的 Kronecker乘积 R=Ro r 上式中,符号⑧表示矩阵的 Kronecker乘积运算 2.2MIM0无线信道模型主要参数 基」空时相关特性的统计MIMO信道模型的主要参数包括信道的功率与时延的分布、 多普勒功率谱等表征信道时域和频域衰落特征的参数;每一可分辨径的空闩特性参数:发射端 信号的离开角(AOD)、接收端信号的到达角(AOA)、信号的水平方向角度功率谱(PAS)、角 度扩展(AS)等;发射端和接收端天线的数目和天线阵列结构以及天线元之问的问距。 上述参数中,角度功率谱PAS1主要服从3种分布均匀分布、截断高斯分布和截断拉 普拉斯分布。天线元间距通常用载波的波长λ进行归一化,间距越小则空间相关性就 越大,反之则相关性越小。木节将基于上述3种分布的PAS,给出大线元之间的相关系数 与天线的归化间距(以载波波长进行归化之间的函数关系6。假设天线为全向天线,天 线阵列结构为ULA,并且电波以波簇 cluster)形式传播2每波簇都具有系统的PAS谱。 印国科花论文在线 http://www.paper.edu.cn A.多簇的均匀分布PAS21 PAS()=∑9{20-(%-△4)-6[@-(+△ 16 其,c()为单位阶跃函数,NC为波簇的数目,k为平均到达角AOA,△女为AOA 的变化范围。 B高斯分布PAS2 PAS()=∑ (如-) lGkexp 20 G,k -(-△)门-[(+△ k√2丌a Gk (17) C拉普拉斯分布PAS2 PAS()=∑ √2|- exp gp-(a-△--(9+△ k=、261 取波簇数Nc=2,∈[-90°,90]AS-30°,△=30,通过分别对式(16),式(17和式(18) 进行数值计算,得到三种分布下的PAS谱,如图2所示。同样条件下,得到三种PAS 分布下,功率相关系数和天线元之间归一化间距的关系,如图3所示。从图中可以看出,随 着天线归一化间距的增加,相关系数在整体上呈现出了下降的趋势,并且由于多波簇的原因, 在下降的过程中出现了震荡。比较三条曲线还可以发现,拉普拉斯分布下的相关系数的震荡 要宽一些,下降趋势也要缓慢一些,这是因为拉普拉斯分布的PAS谱是上述三种PAS谱中 最受限制的一种。 Power Azimuth Spectrum 0.5 100 150 0.6 0.4 50 100 150 图2两个波簇的均匀、高斯、拉普拉斯分布的角度功率谱 印国科花论文在线 http://www.paperedu.cn uniform 0.9 laplacian 0.8 0.7 0.5 0.4 0.3 0.2 +++ 图3功率相关系数与天线归一化间距之间的关系 3MIMo无线信道的仿真模型 3MIMO信道仿真的处理流程 要仿真整个MIMO无线信道,关键是要产牛信道模型中的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,如何摧述MMO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肘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)图 在计算机上仿真MIMO信道模型的流程如图4所示。 印国科花论文在线 http://www.paper.edu.cn 选择進信方 上行 列 发射天线个数 和R 矩分解( cholesky或半万根分」 信道多普勒谱 抽实矩阵 图4MIMO信道模型的仿真流稈图 323 GPP MIMO信道的仿真结果与分析 3GPP组织对MMO系统的链路级信道模型所提出的信道参数如表1所示 表13 GPP MIMO信道Case2宏小区参数 PDP ITU Pedestrian 多普勒谱 Classical 第一径 Ricean因子 K=6dB 速度(km/h) 40120] UE 天线结构 0.5入归一化间距 PAS 均匀分布 AOAAOD 22.5 NodeB 大线结构 UA1)0.5元归一化间距 2)4归一化间距 拉普拉斯分布AS AOAAOD 20.50 在实现MIMO信道建模的时候,设定移动台端两根天线,基站端两根天线。两端的天 印国科花论文在线 http://www.paperedu.cn 线皆为均匀线性阵列,大线间距皆为半个波长。选择典型的城区坏境和下行链路,相应的在 矩阵分解时对Rm作 Cholesky分解。载频215GHz,移动台的速度120km/h。按上表中的 参数来输入仿真参数。其中第一径应加入LOS的 Ricean因子 信道的时域衰落特性曲线如图5所小,功率时延分布如图6所小,多普勒功率谱曲线如 图7所小,空间相关性如图8所小。 Tx#1- Rx#1 x#-R#2 10 EE YAANANAAAYAYNA +丰王工 0.00500100150020.025.030.035 0.005c.010.0150.020.0250030.035 Time Ix:2-R K#1 Tκ#2·R#2 RLAVAEYANAAYE 0YY全m 读A悲 0 干工 00.0050010.0150020.0250030.035 005C.010.0150.020.0250.080035 me Isl 图5时域衰落特性曲线 Tx1·Rx#1 Sun PDP=3001 TxN1. Rx#2- Surn PDP =1.8234 Tx#2·RK#· Sum PDP=39577 Tx#2. Rx#2-Sum PDP =1. 7465 1.5 1.5 图6功率时延分布 印国科花论文在线 http://www.paper.edu.cn h2 h12 o h 21 h3 h 人人人人人 0.05 Tap h h22 00 人人-人人人人 图7多普勒功率谱出线 h h 1.5 0.5 人 0.5 0.5 以 仿真值 h h 理论值 C.5 k-112+ 图8空间相关性 在图5中,由于Case2规定了4条多径,所以图中共有4条衰落曲线,仿真出的信道衰 落曲线与 Rayleigh衰落吻合。在图6中,圆形的点表示Case2所规定的功率时延值, 方形的点表示由仿真得到的值。4径中,有的两者图形重合,有的存在很小的一点偏差,从 整体上说,仿真值与标准规定的参数值有着很好的吻合。该仿真模型较好的反呹和再现了信 道的功率吋延分布,即信道的时间色散特性。在图7中,由上面的仿真条件(载频25(Hz, 移动台的速度120km/h),可以得到信道的最大多普勒频移为239Hz。从图中可以看出,仿真 -8 印国科花论文在线 http://www.paperedu.cn 岀的最大多普勒频栘与计算岀的理论值柞吻合,并且随着频率徧移的増加,功率分配密度越 大,这完全符合经典功率谱(‘U’形谱)的特性。仿真模型很好的反映了信道的频率色散特 性。在图8屮,上面的图为立体图,下面的为平面图,实线为理论计算值,虚线为由仿真出 的信道矩阵所计算的相关性值。从图屮可以看出,仿真模型也很好的再现了信道的空间相关 性om 综合上面的仿真结果与分析,该仿真模型较好的反映和雨现了3 GPP MIMO信道的各种 衰落特性 4总结及展望 本文总结了目前MIMO信道建模方法和现冇的MMO信道模型,指出了各自的优缺点。 并在此基础上,提岀了合理的、实现复杂度较低的统计MIMO空时无线信道模型。该统计 MIM○信道模型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 以作为硏究MIMO无线通信系统的一个通用的空时信道模型,用于MMO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。本文还分析了收发两端天线阵列间的空间相关 性及其与角度功率谱、大线间距等空间参数的关系,并基」 MATLAB仿真软件,验证了所 提出的信道模型的有效性,得出了大量有用的仿真结果 步有待进行的L作和木来的一些研究方向:本文在对MIMO无线信道的相关性进 行建模时,只考虑了均匀线性阵列的相关系数的计算方法,而没有考虑使用其它天线阵列结 构时相关性的计算。另外,本文所提出的MMO信道模型没有考虑使用定向天线以及不同 的天线极化方式的情形。这些问题将在以后的工作中完成 参考文献 1l王恰茔,王云生,萨方等MMO无线技术的硏究现状.中国新通信(技术版)第23期2006年12月:5-56. [2]李忻新一代无线通信系统中的MMO信道建模与多天线没计研究[学位论文]电子科技大学2005 3]杜江,彭启琮空时MIMO无线通信系统随杋信道模型的仿真硏究与实现.系统工程与电子技杺第26卷第 10期2004年10月:1518-1519 [4]杨人成移动传播环境—理论基础、分析方法和建模技术.北京:机槭工业出版社.2003:151-176. [5]贺中堂,张力军,李军科.一种无线移动信道建模与仿真改进方法.南京邶电大学学报(自然科学版)第26 卷第4期2006年8月:53-56 [6]Yahong, Rosa Zheng and Chengshan Xiao Simulation Models with Correct Statistical Properties for Rayleigh Fading Chanels. IEEE Trans on Communications 2003, 51(6):920-928 [7P. Dent, G. E. Bottomley and T. Croft. Jakes Fading Model Revisited. Electronics Letters, 1993 29(13):1162-1163 [8]3GPP Spatial Channcl Modcl for MIMO Simulations. 3GPP TR25996V 6.1.0, 2003 9]Klaus I. Pedersen, Jorgen Bach Andersen, Jean Philippe Kennoa, Preben Mogensen. A Stochastic Multiple-Input-Multiple-Output Radio Channel Model for Evaluation of Space-Time Coding Algorithms. VTO 2000.893-897 0潘德胜无线MIMO信道的建模与仿真研究山西电子技术.2007年第4期.2007年1月15-16. 「11徐晓建,任修坤,李兆训等MIMO无线信道建模及性能泙估.南昌大学学报(理科版)第30卷第1期.2006 年2月:73-76 -9 印国科花论文在线 http://www.paperedu.cn MIMO Radio Channel modeling Zhao Tingting Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing(100876) Abstract The Multiple-Input Multiple-Output(MIMO)technology is considered as one of the most promising breakthrough technology to improve system performance, enhance the capacity and spectrum efficiency. Although, the high performance promised by mimo technology is highly dependent on the propagation channels. Meanwhile, we need to establish MIMO radio channel models and corresponding simulations to research key technologies and algorithms in MIMO systems and to evaluate the system performance. Based on such reasons, in this paper, some research on MIMo radio channel modeling was done, and we proposed a stochastic Mimo channel model which could serve as a generalized MIMo radio channel model in MIMO technology research. The computer-aided simulation models of mimo radio channels in 3 GPP were established. a lot of useful simulation results were obtained based on these simulation models Keywords: Multiple-inputMultiple-output; ChannelModeling; Power Azimuth Spectrum Azimuth Spread; d Ispersion 10

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