摘要 多入多出(MIMO)技術(shù)由于可以提高頻譜利用率、系統(tǒng)容量和通信質(zhì)量而被3G和B3G/4G系統(tǒng)所采用,選擇合適的信道仿真模型對于測試MIMO技術(shù)在系統(tǒng)中的性能也就越來越重要。本文介紹了MIMO信道各種仿真與建模方法。
1、引言
新一代移動通信(B3G/4G,)將可以提供高達100Mbit/s甚至更高的數(shù)據(jù)傳輸速率,支持的業(yè)務(wù)從語音到多媒體,包括實時的流媒體業(yè)務(wù)。數(shù)據(jù)傳輸速率可以根據(jù)這些業(yè)務(wù)的需要而動態(tài)調(diào)整。但是又要求所花費用盡可能的低,這就需要提高頻譜利用率,在有限的頻譜上實現(xiàn)通信的高速率、大容量和高質(zhì)量。MIMO技術(shù)充分開發(fā)了無線信道的空間特性,可以在不增加頻譜資源和發(fā)射功率的情況下,大幅度地提高頻帶利用率、系統(tǒng)容量和業(yè)務(wù)的可靠性,F(xiàn)在,MIMO技術(shù)已經(jīng)被3GPP的高速下行分組接入技術(shù)(HSDPA)、無線局域網(wǎng)(WLAN)IEEE 802.11和無線城域網(wǎng)(WMAN)IEEE 802.16標準所采用。
任何無線通信系統(tǒng)的標準都需要指定一個信道模型作為性能評估和比較的基礎(chǔ),而該模型必須充分體現(xiàn)出目標應(yīng)用信道的各種特性。由于MIMO技術(shù)優(yōu)勢是建立在空間特性的利用上,所以MIMO的信道模型必須充分模擬信道的各種空間特性。
2、MIMO信道模型的發(fā)展
在早期MIMO信道模型研究中,為簡化分析,通常假設(shè)天線陣列周圍存在大量散射物,且天線元間距大于半波長,不同天線的信道衰落是不相關(guān)的。在仿真中通常利用3GPP中的TU信道來模擬MIMO信道,各個TU信道是獨立產(chǎn)生,相互之間獨立,即相關(guān)系數(shù)為零。
隨著MIMO信道研究的發(fā)展和趨于成熟,人們發(fā)現(xiàn)隨著MIMO信道相關(guān)性逐漸增強,MIMO信道的容量將急劇下降。當信道存在相關(guān)性時,早期部分將MIMO技術(shù)研究成果應(yīng)用于無線通信系統(tǒng)中時,性能將急劇降低甚至于不能正常工作,而在現(xiàn)實環(huán)境中具有相關(guān)性或相關(guān)性強的MIMO信道環(huán)境又大量存在,所以在MIMO信道的研究中要考慮建立接近實際信道環(huán)境的MIMO信道模型。下面簡要介紹在3G以及B3G/4G系統(tǒng)中采用的MIMO信道模型。
3GPP在TR25.996中提出的SCM信道模型是為載頻2GHz、帶寬5MHz系統(tǒng)設(shè)計的,它是基于散射隨機假設(shè)建立的信道模型,基本原理是利用通過統(tǒng)計得到的信道特性,如時延擴展、角度擴展等來得到信道系數(shù)并通過在公式中引入天線間距得到信道之間的相關(guān)性。主要定義了3種場景,即市郊宏小區(qū)、市區(qū)宏小區(qū)和市區(qū)微小區(qū)。在3GPP LTE中采用的也是這種SCM信道模型,只不過實現(xiàn)方法從原來的基于幾何統(tǒng)計法簡化成為相關(guān)矩陣法。
在未來B3G/4G系統(tǒng)中所采用的SCME信道模型是SCM信道模型的擴展。擴展保持簡便性和向后兼容性,即SCME信道模型要能夠向后兼容SCM,這樣就保持了模型的一致性和可比性。信道擴展是因為在IMT-Advanced系統(tǒng)中帶寬擴大到20~100MHz,所需要的抽樣頻率也大大提高,每條鏈路能分辨的延遲數(shù)目也隨之增大,SCM模型6條延遲路徑不再滿足系統(tǒng)的需要。
在歐盟WINNER項目中,采用的是WINNER信道模型。它的原理以及建模方法同SCME一樣,采用的是射線疊加法。它利用信道的統(tǒng)計特性在移動臺和基站周圍撒散射體組,來模擬實際電磁波的反射、折射等,從而實現(xiàn)對實際信道的模擬。
在丹佛舉行的第20次ITU-R WP 8F會議上討論并通過了由愛立信、諾基亞和西門子聯(lián)合提交的關(guān)于IMT-Advanced MIMO信道模型。此信道模型是從WINNER信道模型發(fā)展而來,只是對于應(yīng)用場景進行了重新的定義以及各個場景的參數(shù)做了相應(yīng)的改動,其基本的建模方法并沒有發(fā)生變化,采用的是基于幾何統(tǒng)計建模方法。
在未來MIMO信道的建模中,在靜態(tài)考慮各個信道之間的相關(guān)性的基礎(chǔ)上,還會引入移動臺以及散射體移動對信道的影響,也就是所說的動態(tài)MIMO信道建模。隨著移動臺和散射物體的移動,接收和發(fā)射角度(即DOA和AOA)會時時發(fā)生變化,信道的角度功率譜的改變會使信道之間的相關(guān)性發(fā)生相應(yīng)地改變,動態(tài)建模就是要跟蹤這種變化從而更加精確地模擬實際環(huán)境中MIMO信道。