多天線無線信道仿真與建模方法
訊石光通訊網(wǎng)
2008/2/1 9:07:54
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(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(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(biāo)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(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，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(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)特性在移動臺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)對實(shí)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(jìn)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(jì)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(shí)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(jì)性模型（經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停⒋_定性模型和半確定性模型。
3.1 統(tǒng)計(jì)性模型
統(tǒng)計(jì)性模型是基于信道各種統(tǒng)計(jì)特性建立的信道模型。在實(shí)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(jìn)行實(shí)際測量，歸納出信道各種重要的統(tǒng)計(jì)特性（如時延擴(kuò)展、角度擴(kuò)展等）及信道參數(shù)的概率密度分布，利用這些統(tǒng)計(jì)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(yàn)測量的沖激響應(yīng)法，這是一種完全隨機(jī)的方法。
統(tǒng)計(jì)性模型的優(yōu)點(diǎn)在于模型的復(fù)雜度較低，具有一定的通用性；缺點(diǎn)是和實(shí)際的信道有較大偏差，這是因?yàn)槟Ｐ偷母鞣N參數(shù)是用各自統(tǒng)計(jì)特性隨機(jī)生成，隨機(jī)生成的參數(shù)和實(shí)際測量的參數(shù)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(guān)散射模型等。
3.2 確定性模型
隨著移動用戶和移動業(yè)務(wù)的增加，微蜂窩、微微蜂窩系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用，這些系統(tǒng)的小區(qū)半徑大大減小，小區(qū)間的統(tǒng)計(jì)相似性消失，從而使傳統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)模型失效。因此，必須建立有效的、精確的電波傳播預(yù)測模型來分析這些系統(tǒng)內(nèi)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(shí)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(xì)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(xì)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(diǎn)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(shí)現(xiàn)方法主要有射線跟蹤技術(shù)、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(yùn)用最為廣泛的是基于幾何光學(xué)和一致性幾何繞射理論的射線跟蹤技術(shù)。射線跟蹤的基本思想是：將發(fā)射點(diǎn)視為點(diǎn)源，其發(fā)射的電磁波作為向各個方向傳輸?shù)纳渚€，對每條射線進(jìn)行跟蹤，在遇到阻礙物時按反射、折射或繞射來進(jìn)行場強(qiáng)計(jì)算，在接收點(diǎn)將到達(dá)該點(diǎn)的各條射線合并，從而實(shí)現(xiàn)傳播預(yù)測。射線跟蹤可以得到每條路徑的幅度、時間延遲和到達(dá)角，以預(yù)測信號電平、時域色散和信道沖激響應(yīng)，隨之一系列參數(shù)如功率延遲譜、均方根延遲擴(kuò)展和相關(guān)帶寬等就可確定。射線追蹤技術(shù)還能夠結(jié)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(jì)算無線電傳播特征，建立數(shù)據(jù)庫，供仿真程序調(diào)用，這就會造成沉重的計(jì)算負(fù)擔(dān)，并且實(shí)際中難于獲得詳細(xì)的地形和建筑的數(shù)據(jù)庫，從而使射線追蹤法實(shí)現(xiàn)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(shù)和射線管的射線跟蹤技術(shù)等。
3.3 半確定性模型
由于統(tǒng)計(jì)性模型誤差較大而確定性模型復(fù)雜性較高，實(shí)現(xiàn)較為困難等原因，出現(xiàn)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(diǎn)發(fā)展起來的一種低復(fù)雜性、又能較好符合于實(shí)際環(huán)境的一種信道模型。半確定性模型的實(shí)現(xiàn)主要有兩種方法，即基于幾何統(tǒng)計(jì)的信道實(shí)現(xiàn)方法和相關(guān)矩陣法。
3.3.1 基于幾何統(tǒng)計(jì)法
基于幾何統(tǒng)計(jì)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(xì)知道信道環(huán)境和對特定的環(huán)境生成電子地圖，它根據(jù)一定的統(tǒng)計(jì)特性在基站和移動臺周圍隨機(jī)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(jì)出來特定角度延遲功率譜（ADPS），每個散射體組對應(yīng)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(shù)；在接收端將這些射線迭加起來就得到了信道沖激響應(yīng)。迭加公式如下：
?。?）基于幾何統(tǒng)計(jì)法的優(yōu)點(diǎn)
●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(kuò)展，角度擴(kuò)展和正態(tài)陰影衰落的相互關(guān)系，包括各自內(nèi)部的關(guān)系。
●模型受到載頻和幾何結(jié)構(gòu)的限制很少，并且可以根據(jù)信道參數(shù)的變化做出及時改變。
●通過固定信道參數(shù)可以簡化模型，也容易產(chǎn)生信道相關(guān)矩陣，向信道相關(guān)矩陣法過渡。
?。?）基于幾何統(tǒng)計(jì)法的缺點(diǎn)
●由于大量隨機(jī)參數(shù)的存在，需要大量仿真來獲得足夠和準(zhǔn)確的統(tǒng)計(jì)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(jìn)行建模。
基于幾何統(tǒng)計(jì)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(guān)矩陣法
相關(guān)矩陣法體現(xiàn)了空間信道之間的相關(guān)性，它利用實(shí)際測量的數(shù)據(jù)或信道統(tǒng)計(jì)信息得到空間信道的各種參數(shù)（路徑時延、出/入射角等），然后由這些參數(shù)推出信道空間相關(guān)矩陣。
假設(shè)MIMO的實(shí)際信道矩陣為H，那么信道間相關(guān)矩陣為：R=E{HHH），H表示矩陣Hermitan轉(zhuǎn)置。如果通過R得到引入模型的相關(guān)性矩陣Hcorr，根據(jù)矩陣論相關(guān)知識可以得到：Ccorr=Cholesky（R），將該矩陣乘以獨(dú)立衰落隨機(jī)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(guān)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(guān)性意義上H與Hcorr是等價的，由上面推導(dǎo)也可以看出相關(guān)矩陣法建立的信道模型能很好地體現(xiàn)出信道相關(guān)性。
建立信道的相關(guān)矩陣主要有兩種方式，即功率相關(guān)矩陣法和信道協(xié)方差矩陣法。
?。?）相關(guān)矩陣法的優(yōu)點(diǎn)
●模型可以更加緊湊地表示，因?yàn)樵S多影響信道的變量被信道相關(guān)矩陣包含，只留下少量變量需要考慮。
●由于相關(guān)矩陣已經(jīng)包含了許多的影響信道因素，在計(jì)算相關(guān)矩陣之前這些因素已經(jīng)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(shí)現(xiàn)的過程中隨機(jī)產(chǎn)生。
●信道相關(guān)矩陣在模型中只需計(jì)算一次，有效減少了計(jì)算量。
（2）相關(guān)矩陣法缺點(diǎn)
●必須為每種天線結(jié)構(gòu)構(gòu)造出相關(guān)矩陣，因?yàn)樘炀€結(jié)構(gòu)不同，相關(guān)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(guān)性和空間相關(guān)性相獨(dú)立，兩者之間共同的統(tǒng)計(jì)特性沒有保留。
●大范圍參數(shù)（像時延擴(kuò)展、角度擴(kuò)展等）隨時間變化，這在模型中難于表現(xiàn)，因?yàn)檫@些參數(shù)在模型中包含在信道相關(guān)矩陣中，并沒有表現(xiàn)出來，所以改變比較困難。
相關(guān)矩陣法模型主要有3GPP LTE信道模型和IEEE 802.11n信道模型。
在實(shí)際的仿真評估中，除了那些對于空間角度特別敏感的技術(shù)，相關(guān)矩陣法產(chǎn)生的信道模型能滿足大多數(shù)技術(shù)的需求，對技術(shù)性能也能做出較好的評估。
4、結(jié)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(diǎn)和各種方法在各個標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)用方式將起到至關(guān)重要的作用。
新聞來源：電信網(wǎng)技術(shù)