10MIMO及无线信道建模

本应用说明首先回顾MIMO技术和无线信道的基本特性，然后介绍空间相关概念及其对MIMO性能的影响，以及对MIMO信道空间特性建模的示范，并描述如何使用仪表(例如安捷伦N5106APXBMIMO接收机测试仪)对这些复杂信道进行仿真。应对MIMO信道建模和仿真测试遇到的挑战应用说明简介.......................................................................................................3回顾MIMO技术.....................................................................................4多天线技术.........................................................................................5无线标准中的MIMO.........................................................................12信道相关对MIMO性能的影响..........................................................13在仿真MIMO信道时遇到的挑战.......................................................14MIMO信道概述....................................................................................16无线传播特性....................................................................................17宏观(慢)衰落....................................................................................18MIMO信道相关...................................................................................35空间相关...........................................................................................35天线极化相关....................................................................................37空间相关与天线极化相关的组合.......................................................40按路径相关与按信道相关..................................................................44MIMO的理论信道容量......................................................................45配置信道仿真仪以实现所需的相关...................................................46将信噪比应用于MIMO信道..............................................................48使用PXB配置符合标准的MIMO信道................................................52相关文献..............................................................................................54附录A:MIMO信道容量的理论模型.....................................................55附录B:不相关、相关MIMO信道的信噪比(SNR)..............................58目录2多入多出(MIMO)技术通过提高频谱效率实现了更高数据速率的承诺。由于系统性能的潜在改进以及数字信号处理的发展，许多无线系统如IEEE802.11nWLAN，基于IEEE802.16e的MobileWiMAXTMWave2和LTE(Long-TermEvolution)等移动无线系统近来已经采用了MIMO和多天线技术。所有这些商用无线系统都工作在高度多径环境下，正是这种多径环境保证了在使用多天线配置时的性能改善。尽管在多径丰富的环境下运行时，MIMO具有增强信号鲁棒性和提高容量的潜力，但是MIMO器件与系统的开发和测试需要一些高级信道仿真工具，这些工具应当易于配置，并可以准确地表示实际无线信道和条件。本应用说明首先回顾MIMO技术和无线信道的基本特性，然后介绍空间相关概念及其对MIMO性能的影响。还包括对MIMO信道空间特性建模的示范，并描述如何使用仪表(例如安捷伦N5106APXBMIMO接收机测试仪)对这些复杂信道进行仿真。在本文档的后续部分，将此测试仪简称为PXB。简介3通过充分利用无线信道的空间特性，可以使用布置在无线通信系统中发射机和/或接收机处的多根天线，实质性地提高系统性能。这些系统，现在广泛称为多入多出(MIMO)，即在发射机和接收机处设置两根或更多根天线。在MIMO技术中，输入和输出是相对于无线信道来说的。在这些系统中，多台发射机同时将其信号输入到无线信道中，然后同时将这些信号组合从无线信道输出到多台接收机，从而获得性能增益。在一个实际的下行通信系统中，单一基站(BS)包含连接到多根天线的多台发射机，单一移动站(MS)包含连接到多台接收机的多根天线。在上行链路中也可以使用这种相同的配置。图1给出几种基本的多天线组合图，这些方框图使用多根天线将无线系统中的每台发射机连接到每台接收机。每个箭头表示两根天线之间所有信号路径的组合，包括直接视线(LOS)路径(应当存在一个)，以及由于周围环境的反射、散射和折射产生的大量多径信号。例如，单入单出(SISO)是无线电广播、电视广播以及早期第一代蜂窝电话的传统配置。这种单一信道包括无线链路上出现的LOS路径和所有多径。单入多出(SIMO)和多入单出(MISO)配置需要在发射机或者接收机上使用单天线。将上行数据从具有单天线的移动设备传输到包含两根以上天线的蜂窝基站或者无线局域网(WLAN)接入点时，SIMO情形可能非常有用。另外，MISO情形可以表示用于采用发射分集进行下行数据传输的配置。图1还给出了一种2x2MIMO配置，在此配置中，在具有两个独立发射信道的发射机处放置两根天线，在具有两个独立接收信道的接收机处放置两根天线。在本应用说明中，将以此配置作为主要示例进行讨论。显然，另外存在许多使用其他多天线对组合的MIMO配置，例如3x3和4x4。MIMO操作并不需要发射机和接收机处的天数数目相同，即一个位置的天数数目可以多于另一位置的天线数目，例如MxN配置，其中M与N不相等，M为发射天线数，N为接收天线数。回顾MIMO技术图1.SISO、SIMO、MISO和MIMO(2x2)系统的天线、信道配置4多天线技术多天线系统通过在密集多径散射环境中放置分离天线而充分利用空间分集。这些系统可以采用许多不同方法来实现，以获得用于对抗信号衰落的分集增益，或者用于实现容量改善。一般来说，存在三类多天线技术。第一类旨在通过使空间分集最大化来提高功率效率。这类技术包括延迟分集、空时分组码(STBC)和空时网格码(STTC)。第二种类型使用空间复用，定义为MIMO，当采用这一技术时，在散射丰富的环境中，同时经由不同天线传输相互独立的数据流，以提高有效数据传输率。第三类多天线系统的发射机充分利用信道的信息，也称为波束成形。这种系统利用信道信息建立波束成形矩阵，作为发射机和接收机端的前置和后置滤波器，以实现容量增益。空间分集在多径丰富的环境中，无线信道中的信号功率随时间和距离快速波动。当接收机端的信号功率显著下降时，则称该信道处于多径衰落中。在无线信道中经常使用分集来应对这种衰落效应。天线分集通过组合来自两个或更多个独立衰落信道的信号来抵抗衰落。例如，在SIMO系统中，如果接收机能够优化组合独立天线的信号，使合成信号的幅度变化相对于任一天线的信号都比较小时，接收天线分集即可提高系统性能。人们通常使用独立衰落信道数来描述分集的特征，这一数目也称为分集阶数，等于SIMO配置系统中的接收天线数。需要注意的是，如果衰落信道不独立，换言之，它们之间具有相关性，则天线分集可能不会提高系统性能，这一点非常重要。发射分集适用于MISO信道，并且已经成为备受关注的研究领域。如果每根发射天线到单一接收天线的信道具有独立的衰落特性，则分集阶数等于发射天线数。如果发射机不能得到有关信道特性的信息，则需要适当地设计发射信号，以便在接收机处实现分集增益。一种最近广受关注的发射分集技术就是空时编码(STC)。这种技术在不同时间向两根发射天线发送相同的用户数据，用于提高成功恢复所需数据的概率。STC技术在空间和时间上均有效地对数据进行编码。5一种使用AlamoutiSTC的简化方框图如图2所示。在此系统中，于任意符号周期期间，同时从两个不同天线发送两个不同符号。在第一个时间周期内，从上部天线#1发送序列中的第一个符号s0，同时从下部天线#2发送第二个符号s1。在下一个符号时间内，从上部天线发送信号-s1*，从下部天线发送信号s0*。注意()*是复共轭运算。需要记住的是，数据符号是与所选调制方案相关的复数，例如，当使用QPSK调制时，数据符号代表IQ向量图中的四个星座点。在接收机处，单天线接收通过多径环境传送后两个传送信号的组合。信道系数h0表示发射天线#1与接收天线之间传输路径的幅度和相位。信道系数h1表示发射天线#2与接收天线之间的路径。注意，信道系数h0和h1是表示各自信道总幅度和相位的复数，包括所有多径效应。在如图2所示的第一个符号时间内，所接收的信号r0是两个符号s0和s1的组合，但是用信道系数h0和h1进行了修正。在下一个符号周期内，接收机接收到包含修正版s0和s1的r1。所接收的信号r0和r1是发射信号和信道系数的函数，可将其表示如下:图2.简化的Alamouti空时编码(STC)方框图(2)(1)6为了恢复实际发射的符号s0和s1，接收机需要有关信道系数h0和h1的信息。通常通过测量发射波形中加入的已知信号，在接收机处估计这些信道系数。例如，在WiMAXWave2信号中，设计OFDM波形，使得在一个发射机信道上传输的导频子载波在时间上不会与其他发射机信道上传输的导频子载波发生重叠。如果在接收机处已知导频波形，则可以从相关的接收机测量中估计出信道系数。一旦接收机精确地知道了信道系数，则可以重新整理式1和式2，以得到所要的s0，s1。因此，接收机可以通过下列两式，使用在两个连续符号时间上测量的接收信号r0和r1，正确地解码所需的符号。需要注意的是，这种分集技术并未提高系统数据传输率，而是提高了信号质量。如图2所示的序列使用的是在空间和时间上进行编码(空时编码)的序列。这种序列也可以在空间和频域进行编码。在此情形下，可以使用两个频率载波(空频编码)，而不是从两根独立天线发射两个连续符号周期。在MIMO中的分集需要上述发射和接收分集的组合。如果每个发射-接收天线对之间的信道衰落相互独立，则分集阶数等于发射天线数与接收天线数的乘积。(3)(4)(5)7空间复用如果空间复用使用