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摘要 多入多出（MIMO）技術由于可以提高頻譜利用率、系統(tǒng)容量和通信質量而被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甚至更高的數據傳輸速率，支持的業(yè)務從語音到多媒體，包括實時的流媒體業(yè)務。數據傳輸速率可以根據這些業(yè)務的需要而動態(tài)調整。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通信的高速率、大容量和高質量。MIMO技術充分開發(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)務的可靠性。現在，MIMO技術已經被3GPP的高速下行分組接入技術（HSDPA）、無線局域網（WLAN）IEEE 802.11和無線城域網（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，而該模型必須充分體現出目標應用信道的各種特性。由于MIMO技術優(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信道是獨立產生，相互之間獨立，即相關系數為零。
隨著MIMO信道研究的發(fā)展和趨于成熟，人們發(fā)現隨著MIMO信道相關性逐漸增強，MIMO信道的容量將急劇下降。當信道存在相關性時，早期部分將MIMO技術研究成果應用于無線通信系統(tǒng)中時，性能將急劇降低甚至于不能正常工作，而在現實環(huán)境中具有相關性或相關性強的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)設計的，它是基于散射隨機假設建立的信道模型，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并通過在公式中引入天線間距得到信道之間的相關性。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，只不過實現方法從原來的基于幾何統(tǒng)計法簡化成為相關矩陣法。
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，只是對于應用場景進行了重新的定義以及各個場景的參數做了相應的改動，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性的基礎上，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性發(fā)生相應地改變，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。
3、仿真模型建立方法
MIMO信道模型主要分3類，即統(tǒng)計性模型（經驗模型）、確定性模型和半確定性模型。
3.1 統(tǒng)計性模型
統(tǒng)計性模型是基于信道各種統(tǒng)計特性建立的信道模型。在實際傳播環(huán)境中，存在著大量具有相同或相似傳播特性的小區(qū)，對這些小區(qū)進行實際測量，歸納出信道各種重要的統(tǒng)計特性（如時延擴展、角度擴展等）及信道參數的概率密度分布，利用這些統(tǒng)計信息建立適用范圍較廣的空間信道模型。典型方法如基于試驗測量的沖激響應法，這是一種完全隨機的方法。
統(tǒng)計性模型的優(yōu)點在于模型的復雜度較低，具有一定的通用性；缺點是和實際的信道有較大偏差，這是因為模型的各種參數是用各自統(tǒng)計特性隨機生成，隨機生成的參數和實際測量的參數可能會有比較大的差別。
這類模型主要有李氏模型、離散均勻分布模型、高斯廣義穩(wěn)態(tài)非相關散射模型等。
3.2 確定性模型
隨著移動用戶和移動業(yè)務的增加，微蜂窩、微微蜂窩系統(tǒng)得到廣泛應用，這些系統(tǒng)的小區(qū)半徑大大減小，小區(qū)間的統(tǒng)計相似性消失，從而使傳統(tǒng)的統(tǒng)計模型失效。因此，必須建立有效的、精確的電波傳播預測模型來分析這些系統(tǒng)內電波傳播特性。確定性模型就是為了滿足這種需求建立起來的。
確定性模型是基于實際環(huán)境測量建立的信道模型。它要求得到信道環(huán)境的詳細信息，如建筑物和自然界物體（石頭、樹木等）精確的位置、大小以及分布等。確定性模型的基本思想就是如果傳播環(huán)境的詳細信息可以得到，那么無線傳播就可以看成一個確定過程；它可以確定空間任一點的各種空時特性。這類信道模型主要用于小區(qū)規(guī)劃。
確定性模型實現方法主要有射線跟蹤技術、幾何繞射和一致性劈繞射理論的方法，以及時域有限差分（FDTD）法。目前，運用最為廣泛的是基于幾何光學和一致性幾何繞射理論的射線跟蹤技術。射線跟蹤的基本思想是：將發(fā)射點視為點源，其發(fā)射的電磁波作為向各個方向傳輸的射線，對每條射線進行跟蹤，在遇到阻礙物時按反射、折射或繞射來進行場強計算，在接收點將到達該點的各條射線合并，從而實現傳播預測。射線跟蹤可以得到每條路徑的幅度、時間延遲和到達角，以預測信號電平、時域色散和信道沖激響應，隨之一系列參數如功率延遲譜、均方根延遲擴展和相關帶寬等就可確定。射線追蹤技術還能夠結合天線的輻射圖，分別考慮輻射圖對每條射線的影響。
射線追蹤法雖然能很精確地模擬出空間信道，但是它需要對特定的環(huán)境生成電子地圖，然后對每個位置計算無線電傳播特征，建立數據庫，供仿真程序調用，這就會造成沉重的計算負擔，并且實際中難于獲得詳細的地形和建筑的數據庫，從而使射線追蹤法實現困難。
射線追蹤法主要有鏡像法、射線發(fā)射的射線追蹤技術和射線管的射線跟蹤技術等。
3.3 半確定性模型
由于統(tǒng)計性模型誤差較大而確定性模型復雜性較高，實現較為困難等原因，出現了介于兩種模型之間的半確定性模型，半確定性模型是綜合上述兩種模型優(yōu)點發(fā)展起來的一種低復雜性、又能較好符合于實際環(huán)境的一種信道模型。半確定性模型的實現主要有兩種方法，即基于幾何統(tǒng)計的信道實現方法和相關矩陣法。
3.3.1 基于幾何統(tǒng)計法
基于幾何統(tǒng)計法是對確定性模型中的射線追蹤法的一種簡化，它不需要詳細知道信道環(huán)境和對特定的環(huán)境生成電子地圖，它根據一定的統(tǒng)計特性在基站和移動臺周圍隨機散布散射體組，對于每一個散射體組中散射體要符合測量統(tǒng)計出來特定角度延遲功率譜（ADPS），每個散射體組對應信道模型中的一條路徑，而組中散射體反射、散射和繞射到接收端的射線就組成路徑中的各條子路徑。用射線跟蹤法來確定每條射線的角度、時延等信道參數；在接收端將這些射線迭加起來就得到了信道沖激響應。迭加公式如下：
（1）基于幾何統(tǒng)計法的優(yōu)點
●通過增加還是移出直射路徑可以很方便地在LOS和NLOS之間切換。
●考慮了時延擴展，角度擴展和正態(tài)陰影衰落的相互關系，包括各自內部的關系。
●模型受到載頻和幾何結構的限制很少，并且可以根據信道參數的變化做出及時改變。
●通過固定信道參數可以簡化模型，也容易產生信道相關矩陣，向信道相關矩陣法過渡。
（2）基于幾何統(tǒng)計法的缺點
●由于大量隨機參數的存在，需要大量仿真來獲得足夠和準確的統(tǒng)計特性。
●模型是基于片段的，它不能對信道特性動態(tài)變化的信道進行建模。
基于幾何統(tǒng)計法的信道模型有SCM信道模型、SCME信道模型、WINNER信道模型。
3.3.2 相關矩陣法
相關矩陣法體現了空間信道之間的相關性，它利用實際測量的數據或信道統(tǒng)計信息得到空間信道的各種參數（路徑時延、出/入射角等），然后由這些參數推出信道空間相關矩陣。
假設MIMO的實際信道矩陣為H，那么信道間相關矩陣為：R=E{HHH），H表示矩陣Hermitan轉置。如果通過R得到引入模型的相關性矩陣Hcorr，根據矩陣論相關知識可以得到：Ccorr=Cholesky（R），將該矩陣乘以獨立衰落隨機變量D組成的列矢量得到模型信道：Hcorr=CcorrD，那么該信道的相關陣為：Rcorr=E（CcorrDDHCHcorr）=CcorrICHcorr=R。
其中，I表示單位陣。從該等式上可以看出，就相關性意義上H與Hcorr是等價的，由上面推導也可以看出相關矩陣法建立的信道模型能很好地體現出信道相關性。
建立信道的相關矩陣主要有兩種方式，即功率相關矩陣法和信道協(xié)方差矩陣法。
（1）相關矩陣法的優(yōu)點
●模型可以更加緊湊地表示，因為許多影響信道的變量被信道相關矩陣包含，只留下少量變量需要考慮。
●由于相關矩陣已經包含了許多的影響信道因素，在計算相關矩陣之前這些因素已經確定，只有少量變量（如陰影衰落、小尺度衰落等）需要在每次實現的過程中隨機產生。
●信道相關矩陣在模型中只需計算一次，有效減少了計算量。
（2）相關矩陣法缺點
●必須為每種天線結構構造出相關矩陣，因為天線結構不同，相關矩陣也不同。
●LOS和NLOS信道矩陣相差較大，沒法平滑過渡。
●時間相關性和空間相關性相獨立，兩者之間共同的統(tǒng)計特性沒有保留。
●大范圍參數（像時延擴展、角度擴展等）隨時間變化，這在模型中難于表現，因為這些參數在模型中包含在信道相關矩陣中，并沒有表現出來，所以改變比較困難。
相關矩陣法模型主要有3GPP LTE信道模型和IEEE 802.11n信道模型。
在實際的仿真評估中，除了那些對于空間角度特別敏感的技術，相關矩陣法產生的信道模型能滿足大多數技術的需求，對技術性能也能做出較好的評估。
4、結束語
本文主要介紹了MIMO模型建模方法，并說明了各種方法的優(yōu)缺點和各種方法在各個標準組織中的使用情況。MIMO由于自身的優(yōu)勢在未來的移動通信系統(tǒng)必然起到越來越重要的作用，選擇合適的信道模型對于研究系統(tǒng)性能以及MIMO在系統(tǒng)中的應用方式將起到至關重要的作用。
