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格式不同传输的环境下MIMO信道的空间相关性的研究
不同传输环境下MIMO信道的空间相关性的研究
第30卷第11期
2008年l1月
电子与信息
JournalofElectronics&InformationTechnology
Vo1.30No.11
NOV.2008
不同传输环境下MIMO信道的空间相关性的研究
孙君袁东风
f山东大学信息科学与工程学院济南250100)
f东南大学移动通信国家重点实验室南京210096)
摘要:
基于宏小区及微小区MIMO信道模型,比较了MIMO信道在两种传输环境巾的空间相关特性,通过数值分
析方法得到了两类信道空间相关性随发送端,接收端天线阵列的分布而变化的特征曲线,并分析比较了信道参数,
即到达角的角度扩展,对空间相关性的影响.在此基础上,讨论了空间相关系数对系统功率有效性和频带有效性的
影响,找到了在不同传输环境下,影响系统BER性能的空间相关系数的门限.
关键词:
MIMO信道模型;窄问相关;信道参数;系统性能
中图分类号:
TN92文献标识码:
A文章编号:
1009—5896(2008)11—2580—04
TheResearchontheSpaceCorrelationinMIMOSystems
SunJunYuanDong—feng
(SchoolofInformationScienceandEngineering,ShandongUniv.,Jinan250100,China)
(StateKeyLab.onMobileCommunication,SoutheastUniv.,Nanjing210096,China)
Abstract:
ThespacecorrelationisanalyzedindifferentpropagationconditionsincludingtheMIMOmacro—celland
micro—cellapplications.Thecharacteristicscurvesdescribingthespacecorrelationversusthedistanceofantennas
areobtainedaccordingtothenumericalanalysis.Theeffectofthespreadoftheangleofarrivalonthespace
correlationisalsoinvestigated.Besidesjtheimpactofthespacecorrelationonthesystemperformancesisdiscussed
here.ThethresholdsofthespacecorrelationcoefficientsinfluencingBERperformanceunderdifierent
propagationsarealsofoundbyBERanalysis.
Keywords:
MIMOchannelmodels;Spacecorrelation:
1引言
近年来,关于MIM0系统的研究引起越来越多的关注.
一
方面,MIMO系统能有效地提高系统的容量l卜;另一方
面,由于天线间隔引起的空间相关性给MIMO系统带来不同
程度的负面影响[2-41.因此,关于MIMO信道空间相关特性
的研究备受关注.本文关注的是两类MIMO信道,一类是适
用于宏小区环境的圆环模型one—ringmodel’,另一类是
适用于微小区的椭圆模型_7Jc两种模型的空间相关特性因其
几何模型的不同而各异,在文献『81中作者探讨了宏小区窄带
信道的相关性.而文献『9]中作者探讨了微小区窄带信道的相
关性.纵观现有的研究成果,很少有对两类信道的空间相关
性的比较以及其对系统性能影响的文献,本文从几何角度分
析并比较了两类信道的空间相关特性,此外还分析了一个重
要的信道参数,到达角fAOA)的角度扩展,对空间相关性的
影响.进而分析比较了空间相关系数对系统功率有效性的影
响.
2信道模型
假设发送端(BaseStation,BS)有n个天线因子,接收
2007.03—29收到,2007—09—24改回
国家自然科学基金(60672036)~glL东省重点科技~(Z2006G04)资
助课题
Channelparameters;Systemperformances
端(MobileTerminal,MT)有n日个天线因子.若发射的信号
矩阵为,接收的信号矩阵为y,衰落信道矩阵为日,加性
噪声矩阵为,则有表达式:
Y=HX+W
(1)
矩阵H中的元素,i=1,…,nR,J=1,…,n是服从
Nakagami—m分布的复数随机衰落因子.若函数h~j(r,t)表示
MIMO中一个典型的线性窄带准静态多经衰落信道的冲击
响应
(,t)
£=g()exp[J[.(t)(M…T{】_
参数Iq()表示在一m衰落信道中m个相互独立的
衰落路,径ij
的簇里第
Na
个
ka
簇
ga
中
m
i
q有,()个不可分辨的路径.
所有这些路径的延迟用一个具有代表性的延迟7_(£)表示.
参数gvq()和.(£)分别表示第q个散射簇中第p个散射路径
的幅度和相位.篇.()和f()分别表示BS的第i根天线
达到散射点的距离和MT的第J根天线达到散射点的距离.
若散射路径到达MT的到达角,根据文献f6],信道hi.与
hl问的空间相关性表示为
一rn1
=
~exPl一.zT-)(9MT)d(3Pvi’aJ),_~exp[一Jij,z0…)一)d(3)
『
m
∑
∑
第11期孙君等:
不同传输环境下MIMO信道的空问相关性的研究2581
这里设定参数满足以下关系:
=
E)=q=lp:
l
EI)=(4)
且
MT)=(MT)一(MT)+MT)一(MT)
(5)
参量~rr)表示BS的第i个天线因子到达几何图形上某
一
散射点的距离且该散射点的AOA为MT.其他各个参量
意义相似.函数(MT)表示A0A的概率密度函数(PDF).
3信道的空间相关-陛
根据数值拟合原理,式(3)可以写成:
rLrn一1,
p洲≈l∑exp—)l()l(6)l=
1n,
其中=一7r+△f,A:
27r/L,L是区间[一7r,丌]内的采
样点数.此处以2×2MIMO系统为例,设BS天线阵列间的
间隔为dB,MT天线阵列问的间隔为dMT,BS天线阵列方
向与水平方向的夹角为,MT天线阵列方向与水平方向
的夹角为~rr.BS天线阵列的中心点到达散射点的距离为
fBs,∈与水平方向的夹角为Bs,都是M的函数.同
样地,MT天线阵列的中心点到达散射点的距离为fM,也
是西MT的函数.圆环和椭圆模型可以参见文献IS,9]的视图.
从式(6)可以看出,空间相关系数取决于三,M)的取值,
而三.,(MT)的值跟几何模型中的距离参数有关.首先,考
虑文献Is1中给出的圆环模型.假设圆环的半径为R,MT与
BS间的距离为D,则式f5)中各距离参量的表达式为
其中
厚
T
…a
nf器]
邯:
面
(8)
与圆环模型不同的是,椭圆模型中需要引入一个新的量,离
心率(eccentricityparameter)【
//’=2a/D(9)
参数a表示椭圆的长半轴长度.从几何关系上,椭圆模型中
距离参量的计算公式与(6)相同,不同的是发射角的定义,根
据文献f71,发射角的定义为
西Bs
(MT),0<MT≯
(MT)+7r,西<MT2丌一
(MT)+2丌,27r一<≯MT≤27r
(10)
(MT)arc叫器](11)
一arctan
ll(12)
4空间相关性的数值分析
图1是根据式(6)一式(8)计算得到的圆环信道模型的空问
相关系数随BS以及MT天线阵列间隔变化的曲线图.图2
是根据式(6),式(7),式(10)一式(12)计算得到的椭圆信道模
型的空间相关系数随BS以及MT天线阵列间隔变化的曲线
图.各参数的取值如下:
=
1;A=arctan(R/D)=7v/16;Bs=7r/4;
MT=37r/4;:
1.5;(MT)=1/(2~)(13)
1
图1=0圆环模型相关
特性随阵列间距变化曲线
图2=0椭圆模型相关
特性随阵列间距变化曲线
比较两图可知,圆环信道模型的空间相关随天线距离呈
Bessel函数分布;而椭圆信道模型的空间相关随天线距离呈
Gaussian形状分布;两种模型下,相关性都随天线距离的增
加而有不同程度的减弱.同时,空间相关性还受AOA扩展
影响.根据文献[10]AOA的PDF表达式:
(咖M)=兰兰旦三,M∈[-Tr~71-)(14)
参数≥0决定了到达角雌的扩展范围,越大,AOA扩
展范围越窄.的变化反映了散射体的分布情况,越大,
散射体分布越紧密,因此,波束问的空间相关性越大.当
一0时,MT∈f一丌.7r).当=∞时,妒MT=.表
示到达角的平均方向.为了研究对信道相关性的影响,令
=
5,根据式(14),式(6)一式(12),得到空间相关性曲线如
图3和图4.从图中可以看出,当信道的AOA扩展宽度变
窄的时候,圆环模型在相同的发射天线问隔条件下(/A
<4),空间相关性明显增加,且零点出现次数减少.而椭圆
模型的空间相关性变化更平滑,峰值更突出,在相关性明显
的区域内,相关性增加的变化更突出,比较图2和图4得到
相关系数在相应的峰脊处大约增加0.4,如在dR/A<5,
dMT/A<1范围,图2峰脊处的相关系数约为0.4,而图4
在同样的天线距离范围内的峰脊处的相关系数大于0.8.
5空间相关性对功率有效性的影响
为了进一步探讨研究空间相关性的意义,分析一个
2×2MIMO系统在以上信道环境中的BER性能.该系统模
型同时采用空时分组码(STBC),天线间距采用归一化距离
2582电子与信息第30卷
o
1
图3=5时圆环
模型的相关特性
图4=5时椭圆
模型的相关特性
dMT/或dBs/A.根据文献【l1】,QPSK调制时STBC系统
的平均BER表达式为
≈卿(15)
函数(?
)是系统信噪L~,(Signal—to—NoiseRatio,SNR),y的
特征函数J,定义为
fr),一m
吼(z)=detl+I(16)
其中A=【】,彳是系统平均SNR.
图5给出了当MT天线阵列间的距离满足d/=0.3
时,系统BER式(15)随Bs天线阵列间距变化的曲线.式(16)
中相关系数根据式(6)一式(12)得到.图中字母”E”表示系统
的信道是椭圆模型,”O”表示系统的信道是圆环模型.观察
图5,发现当BS天线阵列间距s/>1时,空间相关性对
系统的BER性能没有明显的影响,但是,当dBs/入l时,
平均BER性能有了明显的变化,说明同样
说明天线间距的缩d,2n强了空间相关性,进而降低了系统的
F均信噪比((1B)
十E—dA=10
—
*-E—d=1
-
O-E-d–0.1
--
O-O—dA=10
一
O—dA=I
--
O-O—d–0.1
图5BS天线阵列间距
对系统的BER性能影响
平均信噪比fdB)
--
O--E-dA=03
_*-E-dA=01
-
O-E.dA=o.03
---
O-O.d–0.3
一
O.d–0.1
-
O-O.d–003
图6MT天线阵列间距
对系统的BER性能影响
纠错能力.该结论可以用来作为MIMO天线阵列设计的参
考.
以上结论是基于=0的假设得到的.当=5时,得
到图7的曲线.为比较的影响,令dBs/=5,dMT/
:
0.3.可以看出,对不同信道模型下的系统平均BER性
能的影响是不一样的.对椭圆模型的信道系统而言,增加,
平均BER性能变差,但是对圆环模型的信道系统而言,增
加,平均BER性能变好.这可以用图卜图4来解释,从图
1和图3中可以看出,对圆环模型而言,当s/=5,嘛iT
/=0.3时,圆环模型在:
5时的相关系数小于=0时
的相关系数.因此,增加,BER性能变好.从图2和图4
来看,对椭圆模型而言,当d日s/=5,dMT/=0.3时,椭
圆模型在=5时的相关系数大于=0时的相关系数.因
此,增加,平均BER性能变差.从而验证了,空间相关
性降低了系统BER性能的结论.说明,对不同的传输环境
而言,可以通过控制一定的天线距离来给系统的平均BER
性能带来正的增益,克服空间相关性的影响.
平均信噪比(dB)
图7=5时两种系统的BER性能比较
6结束语
综上所述,在对MIMO信道相关性的研究和比较中,
可以得到以下结论:
(1)对不同的传输环境而言,即使是相同的天线阵列结
构,由于散射的几何形状不同,其空间相关特性也呈现不同
的特性.例如,圆环模型和椭圆模型的空间相关特性分别呈
现Bessel和Gaussian函数特性;
(2)信道参数对空间相关特性有不同的影响,如AOA扩
展的缩小使得散射体分布紧密,对圆环模型而言,其空间相
关性在特定天线距离范围内明显增加,且零点出现次数减
少,而椭圆模型的空间相关性的变化趋向平滑,峰脊突出,
变化平缓,在相关性较强的区域内,相关性增加更突出;
(3)对不同的传输环境,天线阵列间距都存在一个门限,
该门限决定了空间相关性是否会对系统的BER产生影响.
通过对AOA扩展对BER性能影响的研究,发现对不同的传
输环境而言,可以通过控制一定的天线距离来给系统的BER
性能带来正的增益,克服空间相关性的影响;
参考文献
【1】LuJ,WjhungTT,andChaiCC.Errorprobability
一
:
}}
第l1期孙君等:
不同传输环境下MIMO信道的空间相关性的研究2583
5
6
performanceofL—branchdiversityreceptionofMQAMin
Rayleighfading[J].IEEETrans.onCommun.,1998,46
(1):
179—181.
ShiuDS,FoschiniGJ,andGansMJ.Fadingcorrelationand
itseffectoncapacityofmulti—elementantennasystems[J].
IEEETrans.OnCommun.,2000,48(3):
502—513.
SandhuSandPaulrajA.Spacetimeblockcod~:
Acapacity
perspective[J].IEEECommun.Lett.,2000,4(12):
384—386.
ZhangHandGulliverTA.Ontheprobabilityoferrorfor
orthogonalspace-timeblockcodesovercorrelatedRayleigh
andNakagami-mfadingchannels[A].InProc.IEEE6thCAS
Symp.OnEmergingTechnologies:
MobileandWireless
Commun.,Shangai,China,2004:
579—582.
李焱,张璐等.基于移动端多天线系统的无线衰落信道模
型.电波科学,2003,18(6):
712—716.
LiYangandZhangLu.Wirelessfadingvectorchannelmodel
formulti—antennasystematmobileterminals.Chinese
JournalRadioScience,2003,l8(6):
712—716.
GuillenFemenias.BERperformanceoflinearSTBCfrom
orthogonaldesignsoverMIM0correlatedNakagami-m
fadingchannels[J].IEEETrans.onVehicularTechnology,
2004,53
(1):
307—317.
HogstadBO,PatzoldM,andChopraA.Astudyonthe
capacityofnarrow-andwidebandMIMOchannelmodels.In
Proc.15thISTMobile&CommunicationsSummit.IST2006
Myconos,Greece,June2006.
王自力,龚耀寰.MIMO宏小区窄带信道模型的相关性能分析
电波科学,2005,20
(1):
37—42.
WangZi—liandGongYao-huan.Correlationcharacteristic
analysisofMIM0macro-cellnarrowbandchannelmode1.
ChineseJournalofRadioScience,2005,20
(1):
37—42.
魏曼,龚耀寰,李国才.MIMO中微小区空时相关信道模型的
相关性分析.系统工程与电子技术,2006,28(7):
973—984.
WeiMin,Gongrao-huan,andLiGuo-cai.Analyzethe
correlationinspace-timecorrelationchannelmodelforMIM0
SystemsEngineeringandElectronics,2006,28(7):
973—984.
AbdiA,BargerJA,andKavehM.Aparametricmodelfor
thedistributionoftheangleofarrivalandtheassociated
correlationfunctionandpowerspectrumatthemobile
station[J].IEEETrans.onVeh.Techno1.,2002,51
(1):
425—
434.
LeilaM,MischaD,RezaNM,andHamidAA.Closed-form
capacityexpressionsoforthogonalizedcorrelatedMIMO
channels[J].IEEECommun.Lett.,2004,8(6):
365—367.
孙君
袁东风:
女,1980年生,博士生,研究方向为信道建模,信道估
计,系统性能分析和优化,STBCMIMO系统研究,跨
层设计等等.
男,1958年生,博士,教授,博士生导师,主要研究方
向为多级编码,时空编码,OFDM,LDPC,TurboCode,
自组织网络,跨层优化等.
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