通過(guò)無(wú)線(xiàn)信道傳播的信號(hào)沿著大量不同的路徑到達(dá)目的地，這些不同路徑稱(chēng)為多徑。圖 1 是一位沿公路駕車(chē)的典型移動(dòng)用戶(hù)的圖形。該圖描述了從發(fā)射機(jī)到接收機(jī)的眾多信號(hào)路徑中的三條。這些路徑源自環(huán)境中物體對(duì)輻射能的散射、反射和衍射或者媒介中的折射。各種傳播機(jī)制對(duì)路徑損耗和衰落模型產(chǎn)生不同的影響。

接收信號(hào)的功率會(huì)因?yàn)槿N效應(yīng)而發(fā)生變化: 平均傳播 (路徑) 損耗、宏觀(guān) (大型或 "緩慢") 衰落和微觀(guān) (小型或 "快速") 衰落，如圖 2 中所示。平均傳播損耗與距離有關(guān)，由水、植物的吸收以及地面的反射效應(yīng)產(chǎn)生。宏觀(guān)衰落是由于建筑物和自然地物的陰影效應(yīng)所產(chǎn)生的。微觀(guān)衰落是由于多徑的相長(zhǎng)、相消組合所產(chǎn)生，由于微觀(guān)衰落的幅度波動(dòng)快于宏觀(guān)衰落的幅度波動(dòng)，所以也將其稱(chēng)為快衰落。

無(wú)線(xiàn)傳播特性

平均傳播損耗

信號(hào)強(qiáng)度的總平均損耗是距離的函數(shù)，它遵循 1/d n 律，其中 d 是發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的距離，n 是取值范圍為 2 至 6 的斜度指標(biāo)，其具體取值與環(huán)境有關(guān)。例如，在自由空間， n = 2，斜度為 20 dB/10 倍程。在陸地環(huán)境中，典型值為 n = 4，導(dǎo)致 40 dB/10 倍程信號(hào)衰落，它是距離的函數(shù)。在這一陸地設(shè)置中，將距離從 100 英尺更改為 1000 英尺 (一個(gè) 10 倍程) 將導(dǎo)致信號(hào)功率平均衰減 40 dB。

宏觀(guān) (慢) 衰落

宏觀(guān)衰落 (慢衰落) 是由于建筑物和自然地物的陰影效應(yīng)所導(dǎo)致，接收信號(hào)在大約 20 倍波長(zhǎng)距離內(nèi)的局部平均值可以確定此衰落值。宏觀(guān)衰落分布受天線(xiàn)高度、工作頻率和特定類(lèi)型環(huán)境的影響。慢衰落偏離平均傳播損耗值的偏差值被看作一個(gè)隨機(jī)變量，如果以分貝 (dB) 表示，其接近正態(tài)分布，可以認(rèn)為它是一種對(duì)數(shù)正態(tài)分布，其概率密度函數(shù)(PDF) 如下所示。

在上式中，x (單位為 dB) 是一個(gè)隨機(jī)變量，表示信號(hào)功率電平的大幅波動(dòng)。變量 μ 和 σ 分別是 x 的均值和標(biāo)準(zhǔn)差。μ 和 σ 均用 dB 表示。均值 μ 等于前節(jié)中所討論的平均傳播損耗。對(duì)于城市環(huán)境，標(biāo)準(zhǔn)差 σ 的取值可高達(dá) 8 dB。

微觀(guān) (快) 衰落

微觀(guān)衰落 (快衰落) 是因?yàn)閺闹車(chē)h(huán)境接收的大量多徑信號(hào)相長(zhǎng)、相消干擾而造成的。當(dāng)距離變化大約二分之一波長(zhǎng)時(shí)，接收信號(hào)的強(qiáng)度可能會(huì)發(fā)生快速變化，所以將這一特性命名為 "快" 衰落。如果要在大約 20 波長(zhǎng)的較短距離上研究接收功率的衰落特性，則可以將疊加信號(hào)的同相 (I) 分量和正交 (Q) 分量模型設(shè)定為獨(dú)立的零均值高斯過(guò)程。這一模型假定散射分量的數(shù)目很大，而且相互獨(dú)立。因此，接收信號(hào)的電壓振幅包絡(luò)為瑞利分布，其 PDF 給出如下

其中，x 是一個(gè)隨機(jī)變量，這里取作接收電壓的振幅，σ 是標(biāo)準(zhǔn)差。對(duì)于靜態(tài)用戶(hù)，由于該用戶(hù)鄰近區(qū)域中的散射體存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，所以也存在類(lèi)似的響應(yīng)，它是時(shí)間的函數(shù)。峰值與零陷之間的功率電平相對(duì)變化通常為 15-20 dB，但在某些信道條件下可能高達(dá) 50 dB。

如果發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間存在直接路徑，那么信號(hào)包絡(luò)不再是瑞利分布，信號(hào)幅度的統(tǒng)計(jì)特性將服從萊斯分布。萊斯衰落由瑞利分布信號(hào)與直接或者視線(xiàn) (LOS) 信號(hào)之和形成。萊斯衰落環(huán)境具有一條很強(qiáng)的直接路徑，它到達(dá)接收機(jī)的時(shí)間時(shí)延與來(lái)自本地散射體的多徑到達(dá)時(shí)延大致相同。萊斯分布的電壓幅度包絡(luò)具有如下 PDF

其中，x 是一個(gè)隨機(jī)變量，這里取作所接收的電壓幅度，σ 是標(biāo)準(zhǔn)差。I 0 ( ) 項(xiàng)是第 一類(lèi)零階修正貝塞爾函數(shù)。由于 I 0 ( ) = 1，所以當(dāng) K = 0 時(shí)，萊斯分布簡(jiǎn)化為瑞利分布。萊斯分布由這個(gè) K 因子定義，對(duì)于無(wú)線(xiàn)環(huán)境來(lái)說(shuō)，K 因子定義為 LOS 分量與散射分量的功率比。

MIMO技術(shù)回顧

許多無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)如 IEEE 802.11n WLAN、基于 IEEE 802.16e 的 Mobile WiMAXTM Wave 2 和長(zhǎng)期演進(jìn) (LTE) 等移動(dòng)無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)近來(lái)已經(jīng)采用了 MIMO技術(shù)和多天線(xiàn)技術(shù)。MIMO技術(shù)通過(guò)提高頻譜效率實(shí)現(xiàn)了更高數(shù)據(jù)速率的承諾。

MIMO 具有增強(qiáng)信號(hào)魯棒性和提高容量的潛力，但是 MIMO器件與系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和測(cè)試需要一些高級(jí)信道仿真工具。

本文首先回顧 MIMO技術(shù)和無(wú)線(xiàn)信道的基本特性，然后介紹空間相關(guān)概念及其對(duì) MIMO性能的影響。還包括對(duì) MIMO信道空間特性建模的示范，并描述如何使用商用儀表 (例如信號(hào)源) 對(duì)這些復(fù)雜信道進(jìn)行仿真。

SIMO（Single-Input Multiple-Output）單輸入多輸出

單發(fā)多收：雖然有2路信號(hào)，但是這2路信號(hào)是從同一個(gè)發(fā)射天線(xiàn)發(fā)出的，所以發(fā)送的數(shù)據(jù)是相同的，傳輸?shù)娜匀恢挥?路信號(hào)。這樣，當(dāng)某一路信號(hào)有部分丟失也沒(méi)關(guān)系，只要終端能從另一路信號(hào)中收到完整數(shù)據(jù)即可。雖然最 大容量還是1條路徑，但是可靠性卻提高了1倍。這種方式叫作接收分集。

MISO（Multiple-Input Single-Output）多輸入單輸出

因?yàn)榻邮仗炀€(xiàn)只有1個(gè)，所以這兩路最終還是要合成1路，這就導(dǎo)致發(fā)射天線(xiàn)只能發(fā)送相同的數(shù)據(jù)，傳輸?shù)倪€是只有1路信號(hào)。這樣做其實(shí)可以達(dá)到和SIMO相同的效果，這種傳輸系統(tǒng)叫作多輸入單輸出，即MISO。這種方式也叫發(fā)射分集。

什么是MIMO技術(shù)？

那么什么是MIMO技術(shù)呢？通俗的說(shuō)就是為了提升無(wú)線(xiàn)信號(hào)的傳輸質(zhì)量，而利用多個(gè)天線(xiàn)將無(wú)線(xiàn)信號(hào)進(jìn)行同步收發(fā)的無(wú)線(xiàn)技術(shù)。能利用發(fā)射端的多個(gè)天線(xiàn)各自獨(dú)立發(fā)送信號(hào)，同時(shí)在接收端用多個(gè)天線(xiàn)接收并恢復(fù)原信息。

MIMO技術(shù)采用空間復(fù)用技術(shù)對(duì)無(wú)線(xiàn)信號(hào)進(jìn)行處理后，數(shù)據(jù)通過(guò)多重切割之后轉(zhuǎn)換成多個(gè)平行的數(shù)據(jù)子流，數(shù)據(jù)子流經(jīng)過(guò)多副天線(xiàn)同步傳輸，在空中產(chǎn)生獨(dú)立的并行信道傳送這些信號(hào)流；為了避免被切割的信號(hào)不一致，在接收端也采用多個(gè)天線(xiàn)同時(shí)接收，根據(jù)時(shí)間差的因素將分開(kāi)的各信號(hào)重新組合，還原出原本的數(shù)據(jù)。

MIMO技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

MIMO技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是通過(guò)增大天線(xiàn)的數(shù)量來(lái)傳輸信息子流，將多個(gè)數(shù)據(jù)子流同時(shí)發(fā)送到信道上，各發(fā)射信號(hào)占用同一頻帶，從而在不增加頻帶寬度的情況下增加頻譜利用率。使用MIMO技術(shù)后，可以令無(wú)線(xiàn)信號(hào)的傳輸距離、天線(xiàn)的接受范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，信號(hào)抗干擾性更強(qiáng)，無(wú)線(xiàn)傳輸更為精準(zhǔn)快速。

MIMO與傳統(tǒng)的單天線(xiàn)系統(tǒng)相比多個(gè)發(fā)射和接收天線(xiàn)為無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者打開(kāi)了一個(gè)新的維度--空間自由度。信號(hào)在多對(duì)收發(fā)天線(xiàn)間經(jīng)歷不同的信道衰落，如果這些衰落的統(tǒng)計(jì)特性互相獨(dú)立，就相當(dāng)于在通信系統(tǒng)中引入了多個(gè)傳輸通道。這和增加系統(tǒng)傳輸帶寬幾乎可以達(dá)到同樣的效果。

垂直方向的波束賦形可以使波形具有更強(qiáng)的方向性，垂直方向上的波束分離使基站可以同時(shí)服務(wù)多個(gè)終端且保證終端之間的干擾為最小

按照天線(xiàn)的空間分配可以分為空分復(fù)用(Spatial multiplexing)和空間分集(Spatial diversity)

空分復(fù)用(Spatial multiplexing)通過(guò)在不同天線(xiàn)上傳輸不同的數(shù)據(jù)流來(lái)提高系統(tǒng)的吞吐?？臻g分集(Spatial diversity)通過(guò)利用多根天線(xiàn)帶來(lái)的信道多樣性，在不增加發(fā)射功率的前下提高接收信噪比降低誤碼率。

按照數(shù)據(jù)流到天線(xiàn)端口，天線(xiàn)單元的映射方式可以分為：預(yù)編碼(precoding)和波束賦形(beamforming)，預(yù)編碼也常被稱(chēng)作數(shù)字波束賦形(digital beamforming)。

盡管預(yù)編碼和波束賦型是分別在數(shù)字域和模擬域的操作，但兩種技術(shù)的本質(zhì)都是試圖改變信道的指向，使能量聚集到信號(hào)需要進(jìn)行傳輸?shù)姆较颉?/span>