无线MIMO信道建模与仿真技术研究及考虑互耦效应的信道特性分析

论文摘要

应用阵列天线技术的无线MIMO通信系统在提高频谱利用率上表现出了前所未有的优越性,具有广阔的发展前景。无线MIMO信道对于MIMO系统的性能起着决定性的作用,另外,随着小型化的发展趋势,阵元之间的互耦效应已经不能忽略,因此研究无线MIMO信道建模与仿真技术以及阵列的互耦效应对信道特性的影响对于无线MIMO系统的设计、性能分析及性能测试具有重要的理论意义与实际意义。本文首先在深刻理解无线传输的物理本质基础上,从统计性的角度出发,给出了一个具有直观物理意义的随机MIMO信道模型。模型考虑了传播环境对信号产生的各种影响,能全面、准确地描述期望得到的无线信道特性;简单的线性叠加和抽头延迟线结构易于实现,并具有较低的计算复杂度;模型参数由信道的统计特性决定,参数的产生方法独立于具体的传播环境,使模型具有广泛的适用性。在随机MIMO信道模型的基础上,详细地分析了MIMO信道的空间相关特性、时间相关特性以及空-时联合相关特性,并针对典型的角度功率谱推导了相关系数的闭合表达式。分析与计算的结果表明,MIMO信道的空间相关特性由角度谱、阵元的方向图、阵元间距以及阵列几何结构决定,并且当发射端与接收端的空间统计特性相互独立时,MIMO信道的空间相关矩阵可以表示为发射阵列空间相关矩阵与接收阵列空间相关矩阵的Kronecker乘积:信道的时间相关仅与MS端的角度谱、阵元方向图以及MS的运动速度有关,通过对信道时间相关的物理本质的研究,说明了时间相关与MS端空间相关的等价性;MIMO信道的空-时联合相关特性在BS端和MS端具有不同的特点,当发射端与接收端的空间统计特性相互独立时,BS端的空间相关与时间相关是独立的,而由于信道的时间相关与MS端的空间相关具有相同的物理本质,MS端的空间相关与时间相关不是独立的。详细阐述了基于Matlab的无线MIMO信道仿真方法并针对不同的传播环境给出了相应的仿真结果。仿真的信道能够准确地描述期望得到的信道特性,并且信道参数的产生方法以及仿真过程都适于在Matlab平台上实现。提出了一种简单而新颖的利用定向天线测量无线信道角度功率谱的方法。由测量数据估计角度谱可以归结为求解第一类Fredholm积分方程的问题。通过等间隔方位角扫描测量,可以将积分方程转化为循环卷积,从而可以利用离散Fourier变换来解卷积得到角度谱的估计。利用低通滤波器对观测数据的预处理可以克服解卷积的病态问题,结合最小均方误差准则选择滤波器的参数,可以得到最小均方误差意义下的角度谱估计。角度谱的估计精度取决于天线的方向性,天线方向性越强,对角度谱的估计越准确。仿真结果验证了该方法的有效性。分析了互耦效应对无线MIMO信道特性的影响。分别利用阻抗矩阵和散射参数推导了考虑互耦效应的阵列空间相关矩阵的闭合表达式以及阵列的功率传输特性,并在此基础上分析了互耦效应对MIMO信道容量的影响。结果表明,发射阵列的互耦效应和接收阵列的互耦效应对于MIMO信道的影响在各个方面都表现出明显的差异;由于互耦效应的存在,使得阵元在阵列中的位置以及天线系统的阻抗匹配特性都成为影响信道特性的因素:综合考虑各种影响后,互耦效应对无线MIMO系统的性能将产生消极的影响。

论文目录

• 目录
• 图目录
• 缩略语表
• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 概述
• 1.1.1 无线信道的研究内容
• 1.1.2 无线信道的研究历程
• 1.1.3 理论基础
• 1.2 信道建模与仿真技术的发展现状
• 1.2.1 传播预测模型
• 1.2.2 多径衰落模型
• 1.3 课题的意义
• 1.4 本文主要研究内容
• 第二章 随机MIMO信道模型
• 2.1 三个基本假设
• 2.2 信道的谱密度函数
• 2.2.1 多普勒功率谱
• 2.2.2 角度功率谱
• 2.2.3 时延功率谱
• 2.2.4 角度扩展与时延扩展的相关性
• 2.3 随机信道模型
• 2.3.1 信道的频率选择性
• 2.3.2 频率非选择性信道模型
• 2.3.3 频率选择性信道模型
• 2.4 小结
• 第三章 MIMO信道相关特性分析
• 3.1 空间相关特性
• 3.1.1 空间相关系数
• 3.1.2 典型角度谱条件下的空间相关系数
• 3.1.3 空间相关矩阵
• 3.2 时间相关特性
• 3.2.1 时间相关系数
• 3.2.2 多普勒功率谱
• 3.3 空-时联合相关特性
• 3.3.1 BS端空-时联合相关特性
• 3.3.2 MS端空-时联合相关特性
• 3.4 小结
• 第四章 无线MIMO信道仿真
• 4.1 关键参数产生方法
• 4.1.1 具有相关性的角度扩展与时延扩展参数的产生
• 4.1.2 角度功率谱的产生
• 4.1.3 时延功率谱的产生
• 4.2 仿真步骤
• 4.2.1 环境参数和系统参数的产生
• 4.2.2 路径损失和阴影衰落的产生
• 4.2.3 多径参数的产生
• 4.3 仿真结果
• 4.3.1 关键参数的分布特性
• 4.3.2 信道的相关特性
• 4.3.3 信道的快衰落特性
• 4.4 小结
• 第五章 无线信道角度功率谱测量方法
• 5.1 测量方程
• 5.2 估计角度功率谱
• 5.2.1 积分方程的离散化
• 5.2.2 预滤波法克服病态问题
• 5.2.3 利用最小均方误差准则估计角度谱
• 5.3 影响估计精度的因素及仿真验证
• 5.3.1 影响角度谱估计精度的因素
• 5.3.2 Monte Carlo仿真结果
• 5.3.3 关于天线背瓣的说明
• 5.4 小结
• 第六章 互耦效应对MIMO信道的影响
• 6.1 互耦效应对阵列空间相关特性的影响
• 6.1.1 阵列的互耦效应
• 6.1.2 考虑互耦的阵列空间相关特性
• 6.1.3 高频分析方法获得阵列阻抗矩阵
• 6.1.4 计算结果及分析
• 6.2 互耦效应对阵列天线系统功率传输特性的影响
• 6.2.1 阵列天线系统的散射参数表示
• 6.2.2 发射阵列系统的功率传输特性
• 6.2.3 接收阵列系统的功率传输特性
• 6.3 互耦效应对MIMO信道容量的影响
• 6.4 小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者攻读博士学位期间取得的成果