多天線無線信道仿真與建模方法

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(duì)于測(cè)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(dòng)通信（B3G/4G，）將可以提供高達(dá)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(shí)時(shí)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(dòng)態(tài)調(diào)整。但是又要求所花費(fèi)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(shí)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(biāo)準(zhǔn)所采用。

任何無線通信系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)都需要指定一個(gè)信道模型作為性能評(píng)估和比較的基礎(chǔ)，而該模型必須充分體現(xiàn)出目標(biāo)應(yīng)用信道的各種特性。由于MIMO技術(shù)優(yōu)勢(shì)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(gè)TU信道是獨(dú)立產(chǎn)生，相互之間獨(dú)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(qiáng)，MIMO信道的容量將急劇下降。當(dāng)信道存在相關(guān)性時(shí)，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(shí)，性能將急劇降低甚至于不能正常工作，而在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中具有相關(guān)性或相關(guān)性強(qiáng)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(shí)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(jì)的，它是基于散射隨機(jī)假設(shè)建立的信道模型，基本原理是利用通過統(tǒng)計(jì)得到的信道特性，如時(shí)延擴(kuò)展、角度擴(kuò)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(chǎng)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(shí)現(xiàn)方法從原來的基于幾何統(tǒng)計(jì)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(kuò)展。擴(kuò)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(kuò)展是因?yàn)樵贗MT-Advanced系統(tǒng)中帶寬擴(kuò)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(xiàng)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(jì)特性在移動(dòng)臺(tái)和基站周圍撒散射體組，來模擬實(shí)際電磁波的反射、折射等，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)際信道的模擬。

在丹佛舉行的第20次ITU-R WP 8F會(huì)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(duì)于應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行了重新的定義以及各個(gè)場(chǎng)景的參數(shù)做了相應(yīng)的改動(dòng)，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(jì)建模方法。

在未來MIMO信道的建模中，在靜態(tài)考慮各個(gè)信道之間的相關(guān)性的基礎(chǔ)上，還會(huì)引入移動(dòng)臺(tái)以及散射體移動(dòng)對(duì)信道的影響，也就是所說的動(dòng)態(tài)MIMO信道建模。隨著移動(dòng)臺(tái)和散射物體的移動(dòng)，接收和發(fā)射角度（即DOA和AOA）會(huì)時(shí)時(shí)發(fā)生變化，信道的角度功率譜的改變會(huì)使信道之間的相關(guān)性發(fā)生相應(yīng)地改變，動(dòng)態(tài)建模就是要跟蹤這種變化從而更加精確地模擬實(shí)際環(huán)境中MIMO信道。