无线mimo信道建模与信道容量分析

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1、2无线MIMO信道建模与信道容量研究处的空间角谱分布和周围散射体的几何分布。但是MIMO信道模型的多天线的拓扑结构和摆放方式已不仅局限于阵列形式，还包括小尺度范围的分集形式和扩展到大尺度的分散布置形式。此外，影响MIMO信道衰落特征的因素将同时包括接收和发送端周围的空间和时间的衰落统计特性，这导致了从理论上描述MIMO信道空时衰落特征的统计特性的困难，也引发了MIMO信道建模的合理性、准确性和复杂度等问题。文献【7】详细介绍了MIMO移动通信系统信道模型的研究现状。因此，如何构建准确的MIMO信道模型来仿真现实的信道环境成为目前研究的重点。1．3本文的主要研究内容和贡献本文通过

2、比较目前常见的各种信道建模方法，从研究SCM信道模型的建模方法出发，详细介绍了SCM信道模型的建模步骤，并且在协议的基础上给出了一种直达径场景下可支持互极化天线形态信道系数表达式的改进方案。验证了协议中的信道系数形式是改进后方案的一种特殊形式。通过统计生成的用户时延、功率和角度等参数信息，分析了不同场景下的衰落信道特性的差异，并且验证了理论分析模型和仿真结果是一致的。最后在SCM信道模型的基础上，研究了信道相关性对MIMO信道容量的影响。1．4论文结构及内容安排本文首先介绍了论文的研究背景，回顾了MIMO信道模型的发展现状，然后简要概括了论文研究的主要内容和贡献，从而明确了论文

3、的研究思路和研究方向。在第二章中，主要介绍了无线衰落信道的基本特征，无线通信系统的大尺度衰落和小尺度衰落的类型，并且给出了发生频率选择性衰落、时间选择性衰落和空间选择性衰落的条件，以及慢衰落和快衰落的概念。在第三章中，主要介绍了MIMO系统信道模型的种类，基于相关矩阵法和基于射线法的信道建模步骤，扩展的SCME信道模型和WINNER信道模型，并且对这三种模型作了比较。然后，给出了一种直达径场景下的信道系数改进方案，改进后的信道系数表示形式支持互极化天线形态。在第四章中，主要从可分辨时延径、时延扩展、角度扩展、功率动态范围和信道系数幅度特性等5个方面，对SCM信道模型实现的信道特

4、性进行了全面的仿真与分析。在第五章中，研究了SCM信道模型的空时相关性，信道特征值分布特性，并从角度扩展、天线间隔和分集作用等三个方面详细仿真研究了信道相关性对MIMO信道容量的影响。第二章无线衰落信道的基本特征一切无线通信都是基于电磁波在空间的传播来实现信息传输的。电磁波在自由空间中的传播主要有直射、反射、散射和衍射4种方式，其结果是到达接收机的接收信号与发射信号相比产生了一些变化。无线信道对信号传输的影响主要有大尺度衰落和小尺度衰落两种，其中大尺度衰落包括路径损耗和阴影衰落，小尺度衰落包括多径传播引起的频域选择性衰落、时变性引起的时间选择性衰落以及角度扩展引起的空间选择性衰

5、落等。这两种衰落并不是独立的，在同一个无线信道中，既存在大尺度衰落，也存在小尺度衰落。2．1大尺度衰落大尺度模型主要用于描述发射机与接收机之间长距离(几百或几千米)内的信号强度变化。一般而言，大尺度衰落表征接收信号在一定时间内的均值随传播距离和环境的变化呈现的缓慢变化。路径损耗与阴影衰落合并在一起反映了无线信道在大尺度上对传输信号的影响。．2．1．1路径损耗基于理论和测试的传播模型指出，当发射机与接收机之间的距离在较大尺度上(数百米或数千米)变化时，无论室内或室外信道，接收信号的平均功率值与信号传播距离d的n次方成反比。对于任意收发距离，大尺度路径损耗表示为[91。一，，J、P

6、L(a)[dB]=PL(d。)+10以109I手l(2·1)＼“o／其中，n称为路径损耗指数，表明路径损耗随距离增长地速率，n值的大小由具体的传输环境决定。对于自由空间的电波传播，指数n一般取2。以为近地参考距离，d为收发距离。式(2．1)中的上划线表示给定d值的所有可能的路径损耗的综合平均。2．1．2阴影衰落电磁波在空间传播时受到地形起伏、高大建筑物的阻挡，在这些障碍物后面会产生电磁场的阴影，造成场强中值的变化，从而引起信号衰减，称作阴影衰落。阴影衰落是以较大的空间尺度来衡量的，其统计特性通常符合对数正态分布。式(2．1)中没有考虑在相同收发距离情况下，不同位置的周围环境差异

7、。测试表明，对任意d值，特定位置的路径损耗又服从随机正态分布。即4无线MIMO信道建模与信道容量研究ez(d)[妇】=瓦(成)+t。玎-。g(丢]+以(，)(2．2)式中，E为零均值的高斯分布随机变量，单位为dB；tlr为标准差，单位也是dB。对数正态分布描述了在传播路径上，具有相同收发距离时不同的随机阴影效应。2．2小尺度衰落在无线通信中，由于电波经过多条路径的距离不同，因而各条路径中的发射波到达接收机的时间、相位都不相同。不同相位的多个信号在接收机端叠加，如果同相叠加则会使信号幅度增强，