MIMO通道
MIMO通道
MIMO系統由於在空間中具有多個發送和接收天線，因此其通道模型也具有其特有的複雜性。儘管具有這種複雜性，對MIMO通道進行建模仍然十分必要。因為在MIMO傳輸技術的研發過程中，需要對新技術進行鏈路級或系統級的模擬，以此評估各種傳輸技術的實際性能。而只有對MIMO通道進行了足夠精確的建模，並將通道模型應用在計算機模擬中，才能進行貼近實際的性能評估，得出有參考價值的評估結果，為傳輸技術的研髮指明正確的道路。
無線通信系統的性能主要受到移動無線通道的制約。在無線通信系統中，發射機和接收機之間的傳播路徑是非常複雜的，並且具有極度的時變隨機性，特別難以分析。為此，人們建立了多種數學及實驗模型來分析無線通道對電信號所引起的衰落特性。通常主要將無線通道分為兩類：第一類是由於通信鏈路距離、地形地貌等所引起的衰落，稱之為大尺度衰落的無線路徑損耗模型。大尺度衰落隨距離變化緩慢，並且不隨時間發生變化，通過大量的工程實驗的數據可以比較好的描述，因此被廣泛地應用於無線網路系統規劃和系統實現中。這類模型的典型模型包括：Okumura模型，Hata模型，COST系列模型等。第二類模型主要是由於電波散射，接收機的快速移動等引起的衰落，稱之為小尺度衰落模型。這類模型通過定義衰落的統計特徵，來描述信號通過通道所經歷的變化。
在實際系統設計中，無線通道的大尺度衰落大多數是通過分析和實驗相結合而獲得的。通過實驗的方法找尋數據去和解析式進行擬合，已經有了一些經典的用於預測大尺度覆蓋的傳播模型，在系統工作前，用於估計系統容量和鏈路預算等。
1．平均路徑衰落損耗（PathLoss）
2．對數正態陰影
3．平均路徑損耗與對數正態陰影的組合
1．平坦通道
相對於由於距離、地形地貌等所引起的大尺度衰落，小尺度衰落是指由同一傳輸信號沿兩個或多個路徑傳播，以微小的時間差到達接收機的信號互相干涉所引起。小尺度衰落根據通道響應帶寬、信號帶寬及接收機移動速度等具有多種情形，本文只討論最常見的一種，即移動無線通道帶寬大於發送信號的帶寬，且在帶寬範圍內具有恆定增益和線性相位，這被稱為平坦衰落過程。
2．頻率選擇通道
上一部分介紹了平坦的衰落通道，通道衝激響應在時間上不是連續的一連串響應，而僅僅是一個標量。然而在實際環境中，由於各個時延徑的傳播路程不同，到達接收機的時間有先後之分。因此在接收機中可以分辨出幾個相互分開的時延徑，每個時延徑由若干個不可分辨的射線疊加而成。
根據之前所描述的大尺度及小尺度衰落模型，可以得到移動通信系統中一個完整的收、發信機之間鏈路的通道響應表達式。
（2.14）
其中，無線通道衝激響應為：
（2.15）
對一個有Nt個發送天線和Nr個接收天線的平坦MIMO通道，MIMO通道模型可以表示為
（2.16）
其中，為發送信號，為通道矩陣，為高斯白雜訊，為接收信號。通道矩陣的第i行第j列表示從第i個發送天線到第j個接收天線的復通道增益。
假定通道增益來源於多條射線的疊加，每條射線被不同的散射體散射，經由不同的路徑到達接收機。於是通道矩陣的每個元素可以表示為
（2.17）
由於射線傳播的路徑遠遠大於載波波長，因此可以合理地假定每條射線到達接收機的相位獨立同分佈於0到2π之間的均勻分佈。因此 為一個循環對稱的復隨機變數，不同射線之間相互獨立。通道增益的實部為大量獨立實隨機變數之和，根據中心極限定理，為零均值實高斯隨機變數。由於相位均勻分佈，因此對於任意固定的f，為方差相同的零均值實高斯隨機變數。於是，服從的循環對稱復高斯分佈。通道增益的模服從瑞利分佈。如果通道環境中除了大量的散射體外，還存在一個很強的直視徑（LOS），則通道增益的模服從萊斯分佈。
無線通信領域內許多國際組織和大型項目都嘗試開發接近現實的MIMO空間通道模型。其中比較有代表意義，也是比較通用的MIMO空間通道模型包括3GPP開發的空間通道模型（SCM）和ITU的國際移動通信系統演進（IMT-Advanced）通道模型。
這兩種通道模型都是基於幾何學的隨機通道模型，用於MIMO通信系統的鏈路級或系統級模擬。基於幾何學的隨機通道模型的主要思想是，假定一定數量的散射體依照某種隨機分佈存在於通道環境中，每個散射體都將反射發送天線發射的射線，通過將所有散射體產生的射線累加起來，就可以得出所需的通道增益。
2.13GPP/3GPP2空間通道模型（SCM）
2003年9月，3GPP/3GPP2的點對點（AdHoc）組發布了SCM通道模型的首個版本。此通道模型定位於中心頻率2GHz、帶寬5MHz的通道模擬。
SCM通道模型中，散射體聚集成N個散射簇，每個散射簇產生一個可分辨的時延路徑，每個路徑的時延和功率由一定的方法各自隨機產生。每個路徑由M個子路徑構成，每個子路徑具有不同的發射角、到達角和相位，不同的子路徑疊加起來可能增強或者削弱這條路徑的功率。路徑、子路徑以及相關的角度參數如圖1所示。
MIMO通道
各個參數定義如下：
基站天線陣列朝向，定義為基站天線寬邊方向（Broadside）與正北方向的夾角。
直視徑相對於基站天線寬邊方向的發射角（AoD）。
第n個路徑相對於直視徑的發射角。
第n個路徑中第m個子路徑相對於的發射角偏移。
第n個路徑中第m個子路徑相對於基站天線寬邊方向的絕對發射角。
移動台天線陣列朝向，定義為移動台天線寬邊方向與正北方向的夾角。
直視徑相對於基站天線寬邊方向的到達角（AoA）。
第n個路徑相對於直視徑的到達角。
第n個路徑中第m個子路徑相對於dn,AoA的到達角偏移。
第n個路徑中第m個子路徑相對於基站天線寬邊方向的絕對到達角。
ν 移動台速度矢量。
移動台速度矢量方向相對於天線寬邊方向的角度。
其中，圖上以順時針方向測量的角度量應為負值。
在典型的系統級模擬中，循環運行單次模擬得到所需的性能結果，每個單次模擬稱為一個快照（Drop），每個快照持續一段連續的時間。通常情況下，在所有快照中，小區布置和基站位置保持不變，而移動台的位置則在每個快照的開頭隨機生成。在一個快照中，大尺度參數保持不變，例如角度擴展、時延擴展和陰影衰落等，而通道每條路徑的小尺度衰落則根據移動台的移動速度隨時間變化。
2.2IMT-AdvancedMIMO通道模型（IMT-AdvMCM）
隨著移動通信技術的發展，ITU對下一代移動通信技術IMT-Advanced提出了更高的技術要求，為此，IMT-Advanced引入了許多新的無線介面技術（RIT）。為了給這些技術確立標準統一的評估方法和準則，2008年11月，ITU發布了IMT-AdvancedMIMO通道模型（以下簡稱為IMT-A通道模型）。IMT-A通道模型定位於中心頻率2～6GHz、帶寬100MHz的通道模擬。
作為基於幾何學的隨機通道模型，IMT-A通道模型的生成方法與3GPPSCM通道模型類似：產生各個路徑和子路徑的參數，將它們疊加起來產生通道響應。注意IMT-A通道與SCM通道對一些概念的稱呼不同，SCM通道中的路徑和子路徑在IMT-A通道中被稱為射線簇和射線。
IMT-A通道模型的主要功能模塊劃分如圖2所示。
IMT-A通道模型由主模塊和擴展模塊組成。主模塊包含5種用於評估IMT-Advanced候選無線介面技術的場景，當使用主模塊時，通道模型使用已有的一些參數生成通道參數和通道響應。此外，IMT-A通道模型還提供擴展模塊，用於對其他各種模擬場景建立通道。擴展模塊可以靈活地生成各種通道參數，用於產生通道響應，這極大地擴展了IMT-A通道模型的適用範圍。
MIMO通道
主模塊通道產生過程：IMT-A通道主模塊用於產生前文所述5種場景下的通道，其具體過程如下：
（1）選定基本參數。
選擇場景，確定基站和移動台的數量、位置和天線參數，確定移動台運動速率和方向，確定系統中心頻率。
（2）確定每條鏈路是否存在直視徑。
（3）計算每條鏈路的路徑損耗。
（4）確定相關的大尺度參數。
（5）確定N個射線簇的時延。
（6）確定N個射線簇的功率Pn。
（7）確定N個射線簇的到達角。
（8）確定N個射線簇中M個射線的到達角。
（9）確定個射線簇中個射線的發射角。
（10）配對射線。
（11）確定條射線4種極化組合的相位。
（12）產生通道係數。
（13）最後將路徑損耗和陰影衰落作用到通道係數中。IMT-A通道生成完畢。
以上就是IMT-A通道模型主模塊的過程。