摘 要

MIMO（多输入多输出）技术是近年来无线通信领域中理论研究的一项重大突破，该技术能够在不增加系统带宽和发射功率的前提下成倍的提高系统容量和频带利用率。MIMO信道模型的研究无论是理论阶段还是应用阶段都是重要的。本文根据相关的信道传播理论，结合各种衰落因素对MIMO信道的模型进行仿真。

论文首先介绍了MIMO无线信道的特点，集中在衰落特性方面并且给出了常见的无线信道的数学模型，讨论其中的一些参数，接着根据发射端和接收端天线分布结构、到达角离开角、角度扩展、角度功率谱等空间参数提出了一个准确且易实现的MIMO无线信道的模型。详细研究了信道相关特性的问题并提出了对MIMO信道模型的仿真方法和具体流程，最后分析仿真的结果。

本文的特色在于：在明确了MIMO信道相关特性对信道性能的作用下，探究MIMO传播环境中信道空间参数对相关特性的影响。

关键词：MIMO无线信道；空间参数；相关特性；信道建模仿真

Abstract

MIMO technology is a major breakthrough in theoretical research in the field of wireless communication in recent years. The technology can improve the system capacity and bandwidth utilization without increasing the system bandwidth and transmit power. The research of MIMO channel model is important both in theory and in application. In this paper, based on the relevant theory of channel communication, combined with various fading factors, the model of MIMO channel is simulated.

In this paper, we first introduce the characteristics of MIMO wireless channel, concentrated in the fading characteristics and gives the mathematical model of the wireless channel, and discuss the parameters, then according to the transmitter and receiver antenna structure, the distribution of angle of arrival angle of departure, angle spread, angle of power spectrum and the parameter space presents an accurate and easy to realize MIMO wireless channel model. The channel correlation characteristic is studied in detail and the simulation method and the specific process of the MIMO channel model are presented.

The characteristics of this paper are: To explore the effect of MIMO on the performance of the channel, and explore the influence of the spatial parameters of the channel on the characteristics of the MIMO communication environment.

Key Words：MIMO wireless channel；spatial parameter；correlation；channel modeling and simulation

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 本文的研究背景 1

1.2 研究的目的和意义 2

1.3 本文的结构 3

第2章 MIMO无线信道的特性 4

2.1 概述 4

2.2 信号的传播损耗和阴影衰落 4

2.2.1 简化的传播损耗模型 5

2.2.2 阴影衰落 5

2.2.3 传播损耗和阴影衰落的混合模型 6

2.3 信号的小尺度衰落特性 6

2.4 信道的色散 7

2.4.1 时延扩展和频率选择性 8

2.4.2 多普勒扩展和时间选择性 8

2.4.3 角度扩展与空间选择性衰落 9

第3章 MIMO信道建模 10

3.1 MIMO信道建模的研究现状 10

3.2 信道模型参数定义 11

3.3 信道模型的数学描述 12

3.4 天线相关系数的研究 14

3.4.1 相关性的定义 14

3.4.2 相关矩阵 14

3.4.3 相关系数的产生 16

第4章 信道模型的仿真与性能分析 18

4.1 搭建MATLAB仿真平台 18

4.2 仿真结果分析 19

4.2.1 角度扩展与天线间距对相关性的影响 20

4.2.2 到达角与离开角对相关性的影响 21

第5章 总结 22

参考文献 23

致 谢 24

第1章 绪论

1.1 本文的研究背景

从上个世纪八九十年代以来，随着硅晶体集成技术和计算机技术的发展，无线通信技术也不断推陈出新，尤其是近些年移动通讯日新月异的发展，早在3G（第三代移动通信技术）中就提出移动宽带多媒体业务，到了4G更是以OFDM（正交频分复用）为主要技术，从而实现更优质的通讯服务^[1]。现在无线通讯产业扮演着全球各个国家信息领域相关的基建中非常重要的角色。我国由于庞大的人口基数，近几年个人移动用户数目不断激增，通讯行业欣欣向荣，成为经济发展的支柱型产业。

目前人们不断提高对通讯系统中的传输速率的要求，4G需要极高的频谱利用率技术来实现更高的传输速率，然而其核心技术OFDM毕竟只能有限地提升频带使用率，这就需要在OFDM的基础上合理开发空间资源。解决频带使用率不足的难题要求提出新的网络拓扑结构和无线传播技术。

近年来通讯领域中相继提出的技术主要有：码分多址（CDMA，Code Division Multiple Access）、正交频分复用（OFDM，Orthogonal Frequency Division Multiplexing）、智能天线（Smart Antenna）、超宽带（UWB，Ultra Wide Band）、多入多出技术（MIMO，Multiple-Input Multiple-Output）、协同通信技术（CC，Cooperative Communications）、软件无线电技术（Software Radio Technology）以及认知无线电（Cognitive Radio）等，在资源的充分调度和利用，综合处理能力的提高，传输能力和性能的改善等方面作用十分突出。其中普遍使用的是MIMO为主的多天线技术，已经成为通讯系统中非常重要的一部分。目前MIMO技术已经在前面提到的通讯系统的两大分支——网络移动通讯系统和无线网络接入系统中普遍应用，如3G、B3G、4G、IEEE802.16和IEEE802.11n等系统。

MIMO在通信系统中的定义为无线信道的收发两端分别使用多接收和发射信号的天线，信号由多天线发射和接收从而降低信道衰落的通信结构。在MIMO技术中，信道容量是伴随天线数目的增加而呈现出线性的提高，频带使用率倍增而不需要额外的带宽和加大发送功率。根据收发两端天线数量，相对于传统的SISO（单入单出）系统，SIMO（单入多出）系统和MISO（多入单出）系统也都属于MIMO的范畴。原理图见图1.1。MIMO无线通信的技术重点是空时信号处理，通过具有规律结构的多天线阵列，以时间维与空间维复用的方式加工信号。