矢量信道建模及其仿真

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1、297第8章矢量信道建模及其仿真第八章矢量信道建模及其仿真采用多天线可以有效地提高无线频谱利用率。因此，多天线在无线通信中的应用受到了广泛关注[1]。本章分为四部分：首先我们对矢量信道进行简单的介绍，并对现有矢量信道模型作一简要总结。在此基础上我们在第二节中对包含空间角度信息的无线信道的统计特性给出理论分析，着重体现空间衰落（spacefading）的概念。第三节对一种比较流行的基于单反射的信道模型GBSBEM（GeometricallyBasedSingleBounceEllipticalModel）给出介绍。在第四节中

2、，我们则着重讨论多输入-多输出（MIMO,Multiple-Input-Multiple-Output）信道模型的建模方法。在本章的公式推导过程中，和分别表示的转置和共扼转置。8.1建立矢量信道模型的意义及现有模型总结近来多天线在无线通信中的应用受到了越来越多的重视。随着数字信号处理技术的发展，我们可以利用多天线以提高频谱利用率[1]。在多天线的应用中，利用信号在空间不同方向上的不同传播特性成为众多研究机构的研究热点。因此，与单天线的研究不同，在对多天线的研究中，尤其是与空间角度信息相关的波束成型算法的研究中，我们就不仅需

3、要了解无线信道的衰落、时延等变量的统计特性，还必须了解有关角度的统计特性，如到达角度和离开角度等。图8-1-1给出了一个简化的两个移动台的多径环境。（a）侧视图297第8章矢量信道建模及其仿真（b）俯视图图8-1-1矢量信道示意图图8-1-2给出了当移动台1和2同时发送窄带脉冲时经过无线信道到达基站的接收信号，以及天线阵列对移动台1的输出信号示意图。图8-1-2空间域信号处理（a）基站收到的移动台1的信号（b）基站收到的移动台2的信号（c）移动台1和移动台2的信号之和（d）当基站对移动台1采用波束成型时的接收信号由上例可以

4、看出基站处天线阵列对移动台1采用波束成型时天线阵列的输出信号的改善。通过对比图8-1-2（c）和（d）,297第8章矢量信道建模及其仿真我们可以发现波束成型可以大大降低移动台2的信号对移动台1的干扰，达到减少用户间干扰的目的。而波束成型算法从某种意义上讲，都是与到达角度信息密切相关的。因此，在这类算法的研究中，特别是对算法的计算机仿真中，必须准确反映信道的信息，尤其是角度信息。正如参考文献[2]中所述，不同传播环境的信道冲击响应是不同的。为了保证算法评估的公平性，国际上的标准化组织都在实地测量数据的基础上给出了适合于各种传

5、播环境的信道模型[3][4]。这些信道模型大都给出了多径数目、每一径的相对强度和相对时延以及多普勒类型。这些公认的、普遍被应用的信道模型中并没有包含空间角度信息，因此不适合于多天线的仿真（需要特别指出的是：本章中“多天线”并不包含衰落完全不相关的分集情形的多天线。当多天线间距在10λ量级时，通常认为各天线衰落相互独立，此时信道建模中可以忽略空间角度信息[5]。)。与其他信道参数一样，空间角度信息在不同传播环境中也是不同的，必须通过典型实测数据分析而得。我们以宏蜂窝情形为例给出一个简单的说明。图8-1-3给出宏蜂窝中下行链路

6、信道示意图。（a）侧视图（b）俯视图图8-1-3宏蜂窝中下行链路信道示意图在该模型中，假设移动台附近的散射物的高度等于或高于移动台。这意味着移动台接收的信号是散射物反射的所有方向上的信号的叠加。在这个假设下，认为到达角（AOA，AngleofArrival）在上均匀分布是合理的。然而，基站处接收信号的到达角的分布是完全不同的。297第8章矢量信道建模及其仿真图8-1-4宏蜂窝上行链路传播示意图在典型的宏蜂窝环境中，基站的高度远高于周围的散射物。因此，基站接收的信号是由移动台区域的散射过程引起的，如图8-1-4示。基站处的多

7、径分量集中在一个很小的角度区域内，实测数据表明：到达角度的分布也不再是均匀分布了。在上面的叙述中，我们示意性地分析了无线环境中信号传播，尤其是其空间信息的特点。这些信息在算法的计算机仿真中占有重要地位。由于篇幅所限，我们不能对所有模型进行详细叙述，表8-1-1仅对现有的矢量信道模型作一简单总结，重点在于说明不同模型的特点，有兴趣的读者可以根据参考文献进行深入研究。表8-1-1几种信道模型名称图示特点Lee模型[6]（Lee’sModel）l有效散射体均匀分布在移动台附近的圆周上l可用离散AOA模型计算不同接收天线的相关系数

8、离散均匀分布模型[7]（DiscreteUniformDistributionModel）lN个散射体在到达角度AOA*范围内均匀分布l用离散AOA模型计算不同接收天线的相关系数l相关系数的下降趋势比Lee模型快297第8章矢量信道建模及其仿真高斯广义平稳不相关散射模型[10]（GaussianWide