多极化天线MIMO信道的研究.pdf
《多极化天线MIMO信道的研究.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《多极化天线MIMO信道的研究.pdf(48页珍藏版)》请在三一文库上搜索。
1、南京邮电大学硕士研究生学位论文 摘要 I 摘摘摘摘 要要要要 MIMO 技术是当前无线通信领域中研究的热点问题。当研究和分析 MIMO 信道时,必须谨慎考虑天线之间的相关性,天线相关性严重影响了信道容量和特 征。要保证较小的相关性,在移动电话等小型终端使用空间分集的方法是不可取 的。因此,采用极化分集用以降低天线阵列总体占用空间是可行的办法之一。 本文在设定窄带平衰落信道的基础上,建立三种模型研究多极化 MIMO 信 道,主要内容如下: 一、建立单次反射模型,研究室外环境信道相关特征,通过变化收发两端天 线的极化夹角来分析信道容量与极化夹角的变化曲线, 同时与空间分集方法相比 较,讨论极化分集
2、的可行性; 二、通过射线跟踪方法进行建模仿真,研究特定的室内环境信道相关特征, 如单次反射模型中的分析, 探讨信道容量与极化夹角的关系, 然后验证了 MIMO 技术的优越性; 三、介绍了 Kronecker 乘积模型的建模过程,利用射线跟踪技术方法得到的 原始数据构建统计模型,并与原先模型相互比较,并提出了修正后的统计模型, 以逼近理论分析。 经过分析,不论是单次反射模型还是镜像法模型,其信道容量在极化天线垂 直极化的时候达到最大,进一步论证了极化分集可以作为 MIMO 技术的一种分 集资源,这将使得 MIMO 技术在小型终端上的应用成为可能,为 MIMO 技术的 广泛应用提供了重要的理论依据
3、。 关键词关键词关键词关键词:多极化,多输入多输出,模型,极化夹角,信道容量 南京邮电大学硕士研究生学位论文 Abstract II Abstract MIMO technology is a hot issue in the wireless communication fields. When designing and analyzing practical wireless MIMO systems, the correlation among antennas has to be considered carefully. The capacity and performance o
4、f the MIMO system is often highly dependent on this correlation. To ensure the low correlation, spatial diversity can not well apply in small terminals, such as mobile phone, etc. Thus, it is desirable to be able to use polarization diversity in order to keep the overall size of the antenna array do
5、wn. The thesis,which is based on the assumption of narrow-band flat fading channel,establishes three models for the research of multi-polarized MIMO channel. The main contents of this thesis are as follows: Firstly, we establish a single reflection model for outdoor micro-cell environment to analyze
6、 the relevant characters. We analyze the curve of channel capacity and the polarization angle by varying the antenna polarization angle of both ends. At the mean time, we discuss the feasibility of polarization diversity which compared to spatial diversity. Secondly, by ray-tracing method, we model
7、and simulate the specific indoor environment, and analyze the relevant characters. We also analyze the curve of channel capacity and the polarization, and then, verify the advantages of MIMO technology. Thirdly, we introduce the model process of Kronecker product model, establish the statistical mod
8、el according to the relevant parameters by Ray-Tracing, and make a comparison between the two. Importantly, we put forward to the revised statistical model to approach the theory analysis. According to analysis, the channel capacity of vertical polarization achieves the maximum in both models, fully
9、 demonstrates that the polarization diversity can be used as a diversity resource, which is possible to apply MIMO technology in the small terminal, and also provides an important theoretical basis for the broad application of MIMO technology. Keywords: Multi-polarized, MIMO, Model, Polarization Ang
10、le, Channel Capacity 南京邮电大学硕士研究生学位论文 目录 III 目目目目 录录录录 摘 要.I Abstract.II 目 录III 第一章 绪 论1 1.1 MIMO 系统概述.1 1.2 MIMO 系统模型.2 1.3 MIMO 系统的复用和分集.2 1.3.1 复用增益2 1.3.2 分集增益3 1.4 空时调制和编码4 1.5 本论文研究内容4 第二章 基于单反射模型的室外微小区信道研究6 2.1 室外微小区信道简介6 2.2 建立单反射模型6 2.3 仿真过程8 2.4 仿真结果分析9 2.4.1 容量与极化夹角的关系9 2.4.2 MIMO 系统信道容量比较
11、.10 2.5 两种分集方法的结合使用12 2.6 本章小结14 第三章 基于镜像法的室内微小区信道研究15 3.1 室内微小区 MIMO 信道简介15 3.2 信号场强的矢量分析15 3.3 模型参数设置17 3.4 信道建模17 3.5 建模仿真过程中需要注意的几个主要问题19 3.5.1 路径损耗19 南京邮电大学硕士研究生学位论文 目录 IV 3.5.2 时延19 3.5.3 反射系数20 3.5.4 散射21 3.6 仿真结果分析22 3.6.1 容量与极化夹角的关系22 3.6.2 信道容量的横向比较29 3.7 本章小结30 第四章 基于镜像模型的统计模型31 4.1 统计模型概
12、述31 4.2 Kronecker 模型31 4.3 信道协方差矩阵33 4.4 建立统计模型33 4.5 仿真结果分析35 4.5.1 直接生成的统计模型36 4.5.2 修正后的统计模型37 4.6 本章小结39 第五章 结束语40 致 谢41 参考文献42 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章 绪论 1 第一章第一章第一章第一章 绪绪绪绪 论论论论 自上世纪后期开始,无线移动通信技术开始快速发展。当前世界许多国家都在投入巨额 资金进行这方面的研究。随着频谱资源日趋紧张,必然要求最大可能地利用现有的频段,提 高频谱利用率,而 MIMO 技术就能很好的实现这一目标。因此,MIMO 系统巨大
13、的优势,使 得其在无线通信系统中将发挥重要的作用。 1.1 MIMO 系统系统系统系统概述概述概述概述 MIMO(Multi-Input Multi-Output)系统,顾名思义,就是在基站和移动终端均配有多根 天线。多天线系统可以综合利用复用和分集技术。确切地说,MIMO 最初引起人们关注是因 为 Winters 、Foschini 、Gans 和 Telatar 等人预言说,发送端和接收端配置多根天线能显著提 高频谱效率18。 获得这些频谱效率增益, 一般要求接收端, 甚至发送端都需要精确已知 CSI。 通过 MIMO 技术获得性能增益的代价是增加了多维信号处理的复杂度,再就是增加安装多个
14、 天线所需要的空间和功耗,后者对于小型的手持终端来说是个相当大的挑战。在这个基础上, 采用多极化天线的方法就应运而生。文献19指出,多极化天线 MIMO 系统的容量与相应条 件下采用空间分集方法的 MIMO 系统容量相当。 这说明极化分集也可以作为一种提高 MIMO 系统性能的方法。 在研究 MIMO 模型时,因带宽原因会导致问题复杂化。在本文中主要考虑窄带平衰落模 型。事实上对于宽带衰落模型来说,信道中将会产生 ISI,这一点于 SISO 信道相类似。为解 决 MIMO 信道中的 ISI,一是通过信道均衡来实现。该方法的不足之处在于过于复杂,在均 衡时域的同时也要均衡频域。不过在特殊情况下,
15、可以利用码字的结构特性将 MIMO 均衡问 题转化为 SISO 均衡问题,从而能利用成熟的 SISO 均衡器20-21。另一种解决频率选择性衰 落问题的方法是采用多载波调制或正交频分复用(orthogonal frequency division multiplexing, OFDM) 。OFDM 技术将宽带的 MIMO 信道分解成一组窄带的 MIMO 信道,这就回归到了窄 带平衰落信道的问题上了。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章 绪论 2 1.2 MIMO 系统模型系统模型系统模型系统模型 考虑一个窄带慢衰落 MIMO 信道, 发射端发送一个1N 的信号X, 信道是一个MN的 矩阵H
16、,每个元素相对应收发两端的天线,由于噪声的影响,噪声 NOISE 是一个1M 的信 号矢量。如图 1.1: 图 1.1 MIMO 系统 该信道的接收信号就可以表示为 RHxNOISE=+ (1.1) 根据文献22,可知其容量为: 2 logdet/ H M SNR CIH Hbits s Hz N =+ ? ? (1.2) 其中: SNR 为接收天线上的信噪比, H H为矩阵H的厄密矩阵, 即对矩阵H进行求逆矩阵后再转置。 1.3 MIMO 系统的系统的系统的系统的复用复用复用复用和和和和分集分集分集分集 1.3.1 复用增益 MIMO 的复用增益(multiplexing gain)来自对
17、H 矩阵的分析。考虑图 1.2 中的系统模型, 收发两端均已知信道边信息 CSI。若()Rank HR=,则奇异值分解(SVD)H 矩阵如下: H HU V= (1.3) 上式中,酉阵 U 和 V 分别为MM和NN的矩阵,H 矩阵的奇异值分列在的对角线上。 因为 H 矩阵的秩为 R,则有 R 个非零的特征值,R 即复用增益。 H V是矩阵V的厄密矩阵。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章 绪论 3 通过上述分析,就可以利用发送预编码(transmit precoding)以及接收成形(receiver shaping)来实现复用增益。如图 1.2 所示: 图 1.2 复用增益实现框图 1.
18、3.2 分集增益 MIMO 波束成形(Beam forming)技术能得到阵列增益以及分集增益。与上节类似,所 不同的是将上节中收发两端的变化演变成了列向量:Uu=,Vv=,同时归一化为1uv=, 如图 1.3 所示: 图 1.3 波束成形的 MIMO 信道 那么接收信号为 HH ru Hvxu n=+ (1.4) 上述两种方法各有优劣。MIMO 系统中如何适当使用分集和复用,其实就是在容量、错 误率和复杂度之间进行折中考量。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章 绪论 4 1.4 空时调制和编码空时调制和编码空时调制和编码空时调制和编码 对于 MIMO 系统来说,因为是多发多收的天线,因此
19、发射信号的调制和编码问题就与传 统的单发单收天线系统有很大的差距。简单地从数学的角度来说,在一个码元间隔内,传统 的 SISO 系统发射和接收的是一个标量,而 MIMO 系统却是矢量,同时鉴于传统的编码技术 不能满足 MIMO 技术的需求,AT&T 实验室研究人员提出空时码概念。 空时码,即 Space-Time Coding,简称 STC,它将信道编码技术有效地融入了 MIMO 技术 中。空时码把发射信号编码成与时间和空间都相关的二维信号,使得数据传输率也有所提高, 可以获得编码增益。该编码技术在北美 cdma2000 和欧洲 WCDMA 系统中广泛运用。 空时码主要有两种,一种是空时格码(
20、Space-Time Trellis Code, STTC) ,一种是空时分组 码(Space-Time Block Code, STBC)。不论对于哪种,在接收端一般采取最大似然检测。在一个 tr MM的 MIMO 系统中,设定在一个码元周期内,发送信号为矩阵X,接收端最大似然发 送矩阵为X uu r , X DXX= uu r 为上述两个矩阵之差,那么将发送信号X错判为X uu r 的成对错误率 ()p XX uu r 在高信噪比(1?)条件下满足9: 1 ()( )(0.25 ) r r M R R M k k p XX = (1.5) 式中,(1/ ) H XX P D D=, 2 /
21、P=是信噪比,( )表示非零特征值,同时要求( )rankR =, r M 为接收天线的数目。 为了降低误码率,由式(1.5)中导得两个基本准则:秩准则27和行列式准则28。成对错 误率随 r R M 减小,最佳情况就是将矩阵设计为满秩 t M ,这就是秩准则的由来。行列式准 则则要求所有输入矩阵中,最小的那个行列式最大化。 两种编码方式各有优劣,空时格码有良好的分集和编码增益,但译码的复杂度较高;空 时分组码译码复杂度较低,能获得分集增益,但没有编码增益。对空时码的研究也是今后无 线通信技术的重要组成部分。 1.5 本论文研究内容本论文研究内容本论文研究内容本论文研究内容 本文的研究是国家自
22、然科学基金会 973 项目“MIMO 无线通信系统”其中的部分工作。本 文通过镜像法模型、 单反射模型和统计模型对室内室外微小区信道模型进行仿真, 探讨 MIMO 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章 绪论 5 系统的容量以及其他相关特性。 本文通过五章分析多极化天线 MIMO 信道: 第一章是绪论,简单回顾了 MIMO 系统的基本理论,MIMO 系统模型,MIMO 系统的分 集和复用等基础知识,引出极化 MIMO 信道的概念以及应用领域,并介绍了本论文的研究背 景以及论文的基本结构; 第二章建立的是一个单次反射模型,在散射体随机分布的基础上研究室外微小区系统, 分析了极化天线信道系统的容量
23、,探讨了信道容量与极化夹角的关系,简单介绍了天线间距 与天线相关性的影响,仿真了空间分集 MIMO 系统的容量并与单次反射模型的容量进行分析 比较; 第三章采用镜像法对室内微小区模型进行仿真,探讨了信道容量的相关特征,论述了信 道容量和极化夹角之间的相互关系,并将多极化天线 MIMO 信道容量与 SISO、SIMO、MISO 以及采用空间分集的 MIMO 信道容量进行比对分析,阐述了理论的正确性; 第四章主要介绍了统计模型的基本情况,着重介绍了统计模型的建模过程,着重是建立 统计模型,通过镜像法模型得到原始数据进行分析进而生成的,最后是提出了一个修正统计 模型的方案,并与实际进行横向分析; 第
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 多极化 天线 MIMO 信道 研究
链接地址:https://www.31doc.com/p-3581624.html