MIMO信道建模(本科毕业论文)

摘要MIMO技术由于能够在不增加传输信道带宽的条件下成倍的提高无线信道的容量，因而被认为是现代通信技术中的重大突破之一，越来越成为无线通信领域的研究热点。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。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。本文综合考虑了多种因素提出了合理的MIMO信道模型。本文首先总结了无线信道的特点，包括它的传播方式、衰落特性，并给出了两种常见的无线信道的数学模型和MIMO信道中的一些参数的介绍。在此基础上，根据发射端和接收端天线的阵列结构、发射信号的离开角与角度扩展、接收信号的到达角与角度扩展、角度功率谱、多普勒功率谱等参数，提出了一个合理的MIMO无线信道模型。还详细描述了信道相关性的问题。最后提出了对信道模型进行仿真的方法、流程图，并对仿真结果进行了分析。关键词：无线信道；MIMO；信道建模；相关性；信道仿真ABSTRACTTheMultiple-InputMultiple-Output(MIMO)technologyisconsideredasoneofthemostpromisingbreakthroughtechnologyinmodernmobilecommunicationsestem,Itisanimpotentapproachtoimprovesystemperformance,enhancethecapacityandspectrumefficiency.MIMOchannelmodelisnecessarybothatthephaseofresearchMIMOtechnologyandthecommercialapplicationoftheMIMOwirelesscommunicationsestem.therefore,themodelingofMIMOchannelplayaveryimportantroleinrelevantresearch.inthisdissertation,weintegratedawidebandMIMOchannelmodelbasedonmanyfactor.Inthisdissertation,atfirstwesum-upthecharacteristicofthewirelesschannel,IncludingthespreadmannerandintroducetwofamiliarmathematicalmodelofwirelesschannelandsomeparameterofMIMOchannel.Then,basedontheexistingmethodsofMIMOwirelesschannelmodelingandavarietyofpresentMIMOwirelesschannelmodels,weintegratedawidebandMIMOchannelmodel.It’sofstochastictypeandusestheangleofarrival,angleofdeparture,azimuthspread,thetopologyofbothtransmitterandreceiver,theDopplerspectrum,thepowerdelayprofile,etc.asitsparameters.AtlastwefindamethodofMIMOsimulation,givetheflowchart,andanalysethesimulationresult.Keywords:wirelesschannel;MIMO;channelmodeling;correlation;channelsimulation目录1绪论............................................................11.1课题的研究背景............................................11.1.1MIMO技术简介........................................11.1.2信道建模的必要性....................................21.2选题意义和研究内容........................................31.3本文的结构................................................42MIMO无线信道的特点.............................................52.1信号传播方式..............................................52.2信道衰落..................................................52.2.1大尺度衰落特性......................................62.2.2小尺度衰落特性......................................62.3信道扩展..................................................82.3.1多径（时延）扩展....................................82.3.2多普勒扩展..........................................92.3.3角度扩展............................................92.4无线信道的数学模型.......................................102.4.1瑞利衰落信道.......................................122.4.2莱斯衰落信道.......................................132.5MIMO无线信道的参数特点...................................143MIMO信道建模..................................................163.1概述.....................................................163.2模型的主要参数...........................................173.3模型的数学描述...........................................183.4相关性的研究.............................................213.4.1相关性的定义.......................................213.4.2相关矩阵...........................................223.4.3相关系数的产生.....................................233.5本章小结.................................................264信道模型的仿真.................................................284.1仿真方法.................................................284.2仿真流程.................................................294.3MATLAB实现................................................314.4结果分析.................................................334.4.1天线间距对相关性的影响.............................344.4.2角度扩展对相关性的影响.............................354.4.3角度对相关性的影响.................................365总结...........................................................38参考文献.........................................................39翻译..............................................错误!未定义书签。英文原文......................................错误!未定义书签。中文译文......................................错误!未定义书签。致谢..............................................错误!未定义书签。第1页1绪论1.1课题的研究背景1.1.1MIMO技术简介近年来，移动通信和因特网飞速发展，在第三代蜂窝移动通信中已经部分地引人了无线因特网和多媒体数据业务。而在未来的移动通信系统中，人们对传输速率提出了更高的要求，这就需要采用更先进的技术来实现更高的传输速率。然而频谱资源总是有限的，要支持高速率就要开发具有极高频谱利用率的无线通信技术。MIMO技术是无线移动通信领域智能天线技术的重大突破。该技术能在不增加带宽的情况下成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率，因此MIMO技术被普遍认为是新一代移动通信系统必须采用的关键技术之一。图1.1MIMO系统示意图MIMO系统是利用多天线来实现空域复用。根据收发两端天线数量，相对于普通的SISO(Single-InputSingle-Output)系统，MIMO还可以包括SIMO(Single-InputMultiple-Output)系统和MISO(Multiple-InputSingle-Output)系统。MIMO系统的框图如图1-1所示。通常，多径要引起衰落，因而被视为有害因素。然而研究结果表明，对于MIMO系统来说，多径可以作为一个有利因素来加以利用。MIMO系统在发射和接收端均采用多天线（或阵列天线）和多通道，MIMO的多入多出是针对多径无线信道来说的。传输信息流s(k)经过空时编码形成N个信息子流ic(k),i=1,…，N。这N个子流由N个天线发射出去，经空间信道后由M个接收天线接收。多天线接收机利用先进的空时编码处理能够分开并解码这些数据子流，从而实现最佳的处理[1]。这N个子流同时发送到信道，各发射信号占用同一频带，因而并为第2页增加带宽。若各发射和接收天线间的通道响应独立，则多入多出系统可以创造多个并行空间信道[13]。通过这些并行空间信道独立地传输信息，数据率必然可以提高。因此，数据子流的独立性和数据在各个天线间的分配方式是影响系统性能的关键因素。独立数据子流的数目，由天线链路间的衰落相关性决定，因此在MIMO系统中，天线链路间的衰落相关性成为影响MIMO系统的关键因素之一。MIMO系统能够充分的利用信号的所有空时频域的特性，具有如下的优点[2]：（1）利用或者减少多径衰落：MIMO技术能够充分采用多径的各种发射/合成技术，提高无线通信系统的性能；（2）消除共道干扰：MIMO系统能够采用自适应波束形成技术或多用户检测技术对共道干扰进行有效抑制或删除；（3）提高频谱利用率：由于阵列天线可以降低共道干扰和多径衰落的影响，因而在一定的信干