移动通信环境下大规模天线信道特性研究

第1页移动通信环境下大规模天线信道特性研究姓名：梁佳健学号：11211157班级：通信1107班第1页摘要当前，高速铁路建设已经取得了巨大成就，但是在高速移动环境下仍能满足高速数据业务传输需求，实现起来仍比较困难。在高速移动的环境中，信道变化十分迅速，多普勒效应明显，因此，建立个精确，合理，有效的高速移动信道模型是十分重要的。MIMO系统的优势在于，充分利用了信号的空进传播特性，在不增加系统带宽和天线总发射功率的情况下成倍的提高无线通信系统的频谱效率和容量，并能提高传输质量，实现高速数据传输。本文先阐述了一般移动无线信道传播特性；接着指明空间相关性是影响系统容量重要因素，接下来对无线信道各参数对空间相关性的影响进行了研究，最后研究高速移动性对系统的影响。关键词：MIMO，高速移动环境，相关性，信道特性，衰落AbstractAtpresent,thehigh-speedrailwayconstructionhasmadegreatachievements,butstillmeetthedemandofhigh-speeddatatransmissionserviceinhigh-speedmobileenvironment,itisstilldifficulttoachieve.Inthehigh-speedmobileenvironment,channelchangesveryrapidly,theDopplereffectisobvious,therefore,toestablishareasonable,accurate,high-speedmobilechannelmodelisveryimportant.TheadvantageofMIMOsystemismakefulluseofthesignalspaceintothepropagationcharacteristics,withoutincreasingthesystembandwidthandtransmittingpowersituationimprovespectrumefficiencyandcapacityofthewirelesscommunicationsystem,andcanimprovethetransmissionquality,realizehighspeeddatatransmission.Thispaperfirstdescribesthegeneralmobileradiochannelpropagationcharacteristics;andthenpointsoutthespatialcorrelationisanimportantfactoraffectingthecapacityofthesystem,theeffectofvariousparametersonthewirelesschannelspatialcorrelationisstudied,theinfluenceonthesystemattheendofhighmobility.Keywords:MIMO，high-speedmobile，Relevance，channelcharacteristics，Decline第2页1.无线信道传播特性..........................................................................31.1.无线信道特性............................................................................31.2.大尺度衰落................................................................................41.2.1.一般路径损耗模型...............................................................41.2.2.对数正太阴影衰落模型........................................................41.2.3.Okumura/Hata模型..............................................................41.3.小尺度衰落................................................................................51.3.1.时间色散引起的衰落—频率选择性衰落................................51.3.2.频率色散引起的衰落—时间选择性衰落................................71.3.3.角度色散一起的衰落—空间选择性衰落................................91.3.4.小尺度衰落的典型模型......................................................102.MIMO信道建模................................................................................112.1.MIMO无线信道概述.................................................................112.2.MIMO无线信道容量.................................................................122.3.MIMO无线信道主要参数.........................................................143.移动性对ＭＩＭＯ系统的影响.................................................184.参考文献..........................................................................................21第3页1.无线信道传播特性1.1.无线信道特性在无线通信中，无线传播是指无线电波从发射机到接收机的行为。无线通信信道是研究所有无线通信技术和系统首要解决的问题，也是整个无线通信理论中最基础但最复杂的问题。无线信道相比于有线信道，具有复杂、多变、随机性等特点，并且不可预见。无线信道的一个典型特征是“衰落”现象，即信号幅度在时间和频率上的波动。加性噪声是信号恶化的最普遍来源，衰落是另一种来源。与加性噪声不同的是，衰落在无线信道中引起非加性信号扰动。衰落也可以由多径传播引起（称之为多径衰落），或者由障碍物的遮蔽引起（称之为阴影衰落）。衰落现象大致可以分为以下两种不同的类型:大尺度衰落和小尺度衰落。当移动台运动了较大的距离后，例如与小区尺寸相当的距离时就会出现大尺度衰落。这是由于传播信号受到路径损耗和像建筑物、不规则地形地貌和草地等大物体阻碍产生的阴影效应而造成的。阴影衰落是慢衰落过程，主要特征表现为在中等尺度范围内接收信号的平均路径损耗的变化。所以，大尺度衰落的特征是平均路径损耗和阴影衰落。另一方面，小尺度衰落指的是当移动台移动了很短的距离时，无线信号在多径传播的影响下引起信号电平快速变化。根据每一径的衰落特性，用信道的频率选择性(如:频率选择性和频率平坦性)来描述小尺度衰落的特征。同时，由于接收机和发射机之间的相对运动而引起的时变信道(其特点是多普勒扩展)，短期衰落也可被分为快衰落和慢衰落。衰落信道大尺度衰落小尺度衰落路径衰落阴影衰落多径衰落时变衰落频率选择性衰落平坦衰落快衰落慢衰落第4页1.2.大尺度衰落1.2.1.一般路径损耗模型自由空间传播模型用于预测视距环境中接收信号的强度。卫星通信系统中经常采用这个模型。令d表示发射机和接收机之间的距离（单位：m）。当使用各向异性的天线时，发射天线的增益为Gt，接收天线的增益为Gr，则距离d的接收信号功率Pr（d），可以由著名的Friis公式表示为LdGGPdrtt222r)4()(P其中发射Pt发射功率（单位：w），为发射发射波长（单位：m），L为与传播环境无关的系统损耗系数。从式可以看出，接收功率随距离d呈指数规律衰减。1.2.2.对数正太阴影衰落模型令X表示均值为零，方差为的高斯随机变量。对数整体阴影模型衰落模型为：XddndPLXdPLdBdPLF)(log10)()(])[(0100该模型允许在相同距离d处的接收机具有不同的路径损耗，并且随着随机阴影X而变化。1.2.3.Okumura/Hata模型Okumura模型是通过广泛的实验得到的应用于移动通信系统的信道模型，而且这种模型考虑了天线高度和地区覆盖问题。在预测城市地区路径损耗的所有模型中，Okumura模型是被采用最多的一种，主要适用于载波范围500M—1500MHz，小区半径1—100Km，天线高度30—1000m的移动通信系统。Okumura中的路径损耗可以表示为AREATxRxMUFOKGGGdfAPLdBdPL),(])[(其中，),(dfAUM为频率f处的中等起伏衰减因子，RxG和TxG分别为接收和发射天线的增益，AREAG为具体传播环境增益。这里，天线增益RxG和TxG仅仅是天线高度的函数，兵不考虑天线方向图等其他影响。因此，Okumura实测得到经验图中可以查的第5页),(dfAUM和AREAG。Hata模型将Okumura模型扩展到各种传播环境，包括城市，郊区和开阔地。实际上，Hata模型是当今在常用的路径损耗模型。对于发射天线高度为][mhTx，载波频率为cf[MHz]，距离为d[m]，在市区环境中Hata模型路径损耗为dhChfdBdPLTxRxTxcUHata10101010,log)log55.69.44(log82.13log16.2655.69])[(其中，RxC为与接收天线相关的系数，取决于覆盖范围的大小。对于郊区和开阔地，Hata模型分别表示为郊区4.5)28(log2)(])[(210,,cUHataSUHatafdPLdBdPL开阔地97.40log33.18)(log78.4)(])[(10210,,ccUHataOHataffdPLdBdPL1.3.小尺度衰落小尺度衰落是指短期内的衰落，具体指移动台移动一个较小的距离时，接收信号再短期内的快速波动。当多径信号一可变相位到达接收天线时会引起相位干涉。换句话说，来自本地散射的大量信号的相对相位关系决定了接收信号的电平波动。而且，每一多径信号都可能发生变化，这种变化依赖于移动台和周围物体的速度。总之，小尺度衰落由以下因素决定：多径传播，移动台速度，周围物体的速度和信号的传输带宽.无线移动通信系统的信道收到小尺度衰落的影响，分别在时间上，频率上和角度上都产生了色散，发射端的信号经过无线信道后会相应的出现频率选择性衰落，时间选择性衰落和空间选择性衰落。因此小尺度衰落包括了基于时间色散的频率选择性衰落，基于频率色散参数的时间选择性衰落和基于角度色散的空间选择性衰落。1.3.1.时间色散引起的衰落—频率选择性衰落在无线信号的传输过程中，由于不同时延的多径信号相互叠加，产生码间干扰，体现在时域上就是时间色散，体现在频域上就是频率选择性衰落，这两种效应是同时出现的，反映了信道的同一特性。时延扩展(DelaySpread)和相干带宽(CoherenceBandwidth)是描述无线信道多径效应的两个重要参数。时间色散就是指电波经过反射、折射和散射等多条路径传播到达接收机的多路信号在时间上有先有后，使得接