MIMO-OFDM无线通信技术及MATLAB实现（3）MIMO信道模型

目录

MIMO统计信道模型

空间相关性

PAS模型 

多簇 

I－METRAMIMO信道 

 相关MIMO衰落信道的统计模型

 相关MIMO信道系数的产生

 I－METRAMIMO信道  

 多普勒谱  

莱斯衰落  

方向矩阵 

SCM MIMO信道模型 

 SCM链路级信道参数

SCM链路级信道建模 

 基于射线的信道模型的空间相关性

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通过空间相关矩阵可以实现基于相关性的信道模型，然而必须使用特定的多普勒谱来实现时间相关性。另一方面，通过合并多径能够实现基于射线的信道模型，其中每一径分布在给定功率方位谱（PAS）的角域中。这样做既不需要多普勒谱，也不需要空间相关矩阵，只涉及一系列复数运算。

MIMO统计信道模型

在发送机和接收机采用多根天线的MIMO系统中，发射天线和接收天线之间的相关性是MIMO信道的一个重要方面。MIMO信道的空间相关性取决于每个多径分量的到达角度（AOA）。

ULA：均匀线性阵列

下图为ULA的SIMO信道，M根天线以距离ｄ等间隔排列．AOA为入射路径与天线单元的垂直方向之间的夹角．需要指出的是，每根接收天线上的每条路径的接收信号是由大量无法分辨的信号组成的，而这些信号分布在平均AOA的周围．在移动台（MS）处，对于距离为波长／２的等间隔天线阵列，其空间相关性几乎为０.为了保证在基站处具有较小的空间相关性，天线的间隔大概要保持在１０＊波长～４０＊波长．此外，通常将时延扩展的PDF近似为一个指数函数．

ｂ：可分辨径的路径的功率分布，PDS或PDP，通常服从指数分布

ｃ：AOA的功率分布(PAS)服从拉普拉斯分布,尽管它会随小区环境的而改变而改变,单AOA的特性不同于PAS的分布．换句话来说，尽管PAS用来描述AOA的功率分布,但是AOA的分布并没有考虑每一径的功率

d:在微蜂窝或宏蜂窝环境中,这些不可分辨子径的AOA均服从高斯分布．

空间相关性

对于来自不同天线的每一条路径的接收信号，它们可能是空间相关的，空间相关性取决于路径传播的距离差．

 天线的空间相关性主要取决于平均AOA.PAS和天线间的距离.当PAS（功率方位谱）的AS(方位角扩展)很小时，组成每一条路径的大部分子径以相同的角度到达每一根天线．这表明由于两个信号的幅值大小相等，它们之间相互关联，而由于AOA不同，它们的相位也不同．由于两根天线之间的相关性增大时，信道容量和分集增益会减小，因此必须保证足够大的天线间隔以减小其相关性．

PAS模型 

对空间相关性进行数学分析时，需要实际环境的PAS分布．根据不同信道环境（如室内或室外，宏蜂窝或微蜂窝）的实际测量值，可以得到各种形式的PAS模型.PAS的样式主要取决于本地散射分量的分布, 根据小区中不同的地形特点,在BS处能够观测到不同的PAS,而且PAS通常具有很小的AS．在微微蜂窝或者室内环境中，在BS处的PAS仍然是均匀分布的

多簇 

除了本地散射分量外，在MS附近还存在主散射分量，则MS将接收到具有不同到达角和PAS的多簇信号．可以在室内环境中观察到这种典型现象．多簇信号的空间相关性可以表示为每一簇信号的空间相关系数之和．

I－METRAMIMO信道 

 相关MIMO衰落信道的统计模型

 

 基于相关矩阵的MIMO信道是在可以分离发射机和接收机的相关矩阵的假设下建模的.对于大多数的无线通信环境来说.当发射机的天线间隔和接收机的天线间隔比发射机和接收机之间的距离小很多时,这一特殊假设成立.通过调整相关矩阵,可以产生各种类型的MIMO信道.当接收天线和发射天线的相关矩阵是单位矩阵时,可以产生一个完全的i.i.d(独立同分布)信道.

 考虑下行MIMO系统.当Tx和Rx分开得足够远时,BS的天线间隔相对较小，MS天线间的空间相关性不再依赖Ｔx天线.换句话来说,MS天线间的空间相关性和BS天线是相对独立的

 

 

 

 

 相关MIMO信道系数的产生

 I－METRAMIMO信道  

 多普勒谱  

通过任何的SISO信道模型,可以独立地产生一个衰落过程.在生成独立衰落过程的众多方法中,FWGN信道是最为有用和简单的,因为它适用于各种类型的多普勒谱

莱斯衰落  

与SISO信道的莱斯衰落不同,在建模MIMO系电脑的莱斯衰落的过程中，必须考虑不同天线间每条LOS路径的相位变化．莱斯衰落可以建模为两个矩阵的和，每个矩阵分别由LOS信号和散射信号的功率加权.

方向矩阵 

AOA为每个独立的多径分量的到达角,而平均DOA(到达方向,用表示)是指这些AOA的均值.当DOA不等于0时 ,入射场的平均DOA与天线阵列的垂直方向不一致,天线辐射图将导致两个相邻天线单元的相位差为.在波束成形系统中,在信道模型中必须反映出两个天线单元之间的相位差.

SCM MIMO信道模型 

基于射线的信道模型,在PDP,PAS和天线阵列结构的基础上叠加子径.

基于射线的模型适用于SISO和MIMO信道建模,具有如下优势:

• 能够对MIMO信道的统计特性直接建模
• 保持时间,空间和频域的统计特性
• 实现简单
• 能够灵活改变PDP和PAS的类型
• 支持LOS和NLOS信道
• 信道矩阵H的秩取决于每一路径的子径数 

 SCM链路级信道参数

 由于链路级信道模型仅能捕获信道特征的一个快照,所以链路级仿真不能完全解释系统的典型行为和评估系统级的性能,例如不能通过链路级仿真表示系统级特有的调度和HARQ过程,也不能通过链路级仿真评估平均系统吞吐量和中断速率.实际上链路级仿真的目的时校准,对于不同的算法实现,比较其性能结果. 

SCM链路级信道建模 

 基于射线的信道模型的空间相关性

总的来说 ,两个天线单元的信道系数在时域和空域是相关的.空间相关性是指空间上分开的两个天线单元接收同源信号的互相关.