学 号夭律城建女禽
毕业设计（论文）开题报告
（基于 matlab
（基于 matlab
的MIMO信道模型仿真）
学
生
姓
名
胡剑
专
业
名
称
电子信息工程
指
导
教
师
王燕
计算机与信息工程学院
2014年3月21日
毕业论文开题报告
题目名称：基于mat lab的MIMO信道模型仿真
课题研究立项依据
课题来源：
近年来，随着无线通信的迅猛发展，多输入多输出(Multiple-InputMultiple- Output, MIMO)技术已逐渐成为核心技术之一。它在不增加带宽和额外发射功率的前提 下，就能够实现高速率传输，使得在有限的频带上能实现更高速率信息的传输,这对于 解决当今越来越紧缺的频谱资源提供了有力的技术条件，因此该技术在移动通信系统 中有着很广阔的应用前景。然而，在实际通信环境中MIMO的通信性能常常受到无线信 道衰落特性的影响，因此MIMO的大规模应用还面临着大量有待解决的问题。故需要对 无线MIMO衰落信道的空间特性进行硏究，建立合适的无线衰落信道模型，推动MIMO技 术的发展。
科学意义和目的：
系统利用无线信道的多径传播，开发空间资源，建立空间并行矩阵传输通道, 利用空时联合处理提高无线通信系统的容量与可靠性。然而，决定空时处理性能的关 键因素在于无线传播信道的空时特性。研究表明，只有在无线信道散射传播的多径分 量足够丰富的条件下，各对发-收天线单元间的多径衰落才趋于独立，信道矩阵才趋于 满秩；如果散射不够丰富或天线单元间距较小等，多径衰落将不完全独立，信道矩阵 也非满秩，MIMO信道的空间优势得不到充分发挥，系统传输方案的性能将下降， 即信道传播条件决定了 系统的信道容量。进行信道模型仿真，有利于模拟
各种实际信道条件、评估各种空时处理算法的相对性能、优化设计高性能的通信系统。
对于提高频谱效率实现高速率无线通信也具有重要意义。近年来，随着无线通信的迅猛 发展，多输入多输出(Multiple-InputMultiple-Output, MIMO)技术已逐渐成为核心技 术之一。它在不增加带宽和额外发射功率的前提下，就能够实现高速率传输，使得在有 限的频带上能实现更高速率信息的传输,这对于解决半今越来越紧缺的频谱资源提供 了有力的技术条件,因此该技术在移动通信系统中有着很广阔的应用前景。然而，在实 际通信环境中MIMO的通信性能常常受到无线信道衰落特性的影响，因此MIMO的大规模 应用还面临着大量有待解决的问题。故需要对无线MIMO衰落信道的空间特性进行研究, 建立合适的无线衰落信道模型，推动技术的发展。
国内外研究现状：
实际上MIMO技术并不是近些年才有的，最早在1908年马可尼就提出MIMO技术。
但技术真正对无线移动通信形成一定的影响是上世纪90年代。在AT&TBell实验 室学者的带动下，MIMO技术才进入一个崭新的阶段迅速发展起来。
鉴于技术的巨大优势和应用前景，现在越来越多的国内外研究机构都把目光 放到MIMO信道建模上及相关技术上，以便走在MIMO技术的前端。
(2)
(2)
课题研究的基本内容及预期目标或成果
方案基本内容
一、 无线信道的数学模型计算
二、 瑞丽衰落信道模型计算、仿真
三、 莱斯衰落信道模型计算、仿真
可行性验证。
了解瑞丽衰落信道和莱斯衰落信道的相关性质。把仿真后得到的结果与两种信道 的相关性质相比较。反过来验证设计的信道是否正确。
mat lab 仿真。
利用matlab软件编写界面，设计瑞丽衰落信道、莱斯衰落信道并仿真。观察总结 相关性质。掌握在mat lab的开发环境中，控制多个文件和图形窗口，函数嵌套，有条 件中断等；对于mat lab对许多专门的领域开发的功能强大的模块集和工具箱。并且通 过大量练习实现灵活应用。
总结。
完成了设计、论证、仿真工作后，对本次课题设计进行一个全面深入的总结，论 述该系统的应用价值，及在设计过程中存在的缺陷。同时论述本次设计中应用到的思 想方法有何借鉴意义。
课题的研究方案
研究思想
通过建立衰落信道模型并仿真，得到衰落信道特性，与参照标准做对 比。
研究方案
1.无线信道的数学模型
为了便于具体分析空时信道，有必要从数学模型的角度对多径进行分析。一 个带通信号如下：
?(F) = Re“(F)/2%}
式中孑⑴一一等效低通信号；
fc一一载频。
假设信道包含L条路径，则接收到的带通信号和等效低通信号可以表示成
忑(r) = Re{x(r)e/2<</ }
a
a = Qr + j5 =(你 i +冻)+ j(5 + ?/) (20)
(11)
(5)
(5)
(6)
(7)
(8)
⑼
(10)
X ⑴= 2p((少疋 ','s(t-Tl ⑴)+ “(r)
- (3)
式中 A——第/条路径的衰减系数；
%)——第/路径的相移；
r,(t)——第/路径的时延。
%) = 2型(『)一2机￡ +力)皿) (4)
式中fl——第/路径的多普勒频移。
第一项是山多普勒频移产生的相移，第二项是山时延产生的相移。我们将引入瑞利衰 落模型和莱斯衰落模型来描述窄带多径环境(非频率选择性)中的信号变化。对于非 频率选择性信道，时延扩展相对于码元周期很小，因此有如下假设：
5(r-r/(r))
如果信道中有L条多径存在，则接收信号可以表示为：
如“⑴土加心加+处)
/-I
定义复乘系数为：
/-I
则有 a(f) = aR(t) + jat (/) =
L
你⑴=工门⑴cos(q(r))
/-I
"/⑴=工 pQsin? ⑴)
瑞利衰落信道模型
如果满足路径的数量很多，没有视距路径的条件，根据中心极限定理，式(9)(10) 所定义的你⑴和①⑴可以近似看成独立高斯随机过程，则接收信号可以表示成：
式中d（f）——零均值复高斯随机变量，以你、如表示对你⑴、勺⑴中的采样,
a（t） = aK（t） + = Q 即有你?/V（O,cr2）和如?N（0C 于是，a 可以描述
成零均值复高斯随机变量。
r z 、 1 了 “r + a厂、
引入（u、（f））,以 a = +ci]2 （Ova vs）表示衰落幅发（包络），^ = arct 落相位。用雅克比变换将（血,叮）转换成 W 得:
(13)
通过两个随机变量分别求边缘概率密度有:
几@）=「九（心血=『总冈（一冷皿=4exp（-^）
(14)
2
% 9)=昇 —^― exp(—X/tz =二
2加， 2b_ 2兀
(15)
两个变量分别服从瑞利分布和均匀分布。
这就是瑞利衰落，多发生在城市地区的陆地移动通信环境（有许多障碍物, 视距路径）中。一个服从瑞利分布的随机变量，其平均功率为：
P = E\cr\=2a2
对于归一化平均功率（P二1）有:
儿乎没有
(16)
￡ (a)=辛 exp(一 务)
(17)
￡(a) = 2acxp(_/)
(18)
3.莱斯衰落信道模型
如果视距路径存在（或者有一条路径占主导地位），就需要重新考虑高斯近似，不 失一般性，将视距路径定义为第一条路径，式（7）可以写成
a =工 Re" = p严 = aRl + jah +aR + ja, （19）
/=， ^~LOs" /=2
假设伽，你是定值，则a是非零均值复高斯过程，令你「a
门分别取值心和“八则:
5 xN(〃恥 b‘) a, ocN(“八 b‘)
2 2
(Qr 一PrY +(Q/ -
2?
(21)
(22)
/ a 5~ & = nrctunt -—)
定义附， 心，用雅克比变换式将(％勺)转化为30)得:
￡?°(5 =
cr + p1 -2g/?cos9-0)
2b?
(23)
其边缘概率密度为:
(24)
1 ^2/T
式中/0(x) 第一类零阶修正贝塞尔函数。/0(x)=——f exp{-xcos&}〃&。
2/rJ() 这就是莱斯衰落，主要发生在郊区的陆地移动信道和卫星信道。定义莱斯参数为
LOS功率和散射分量功率之比，即：
(25)
对于一个服从莱斯的随机变量，平均功率为:
P = E\x2 = /?2 +2cr2
(26)
p1 = ￡ P 2cr2 = —!— P
式中 1 + ￡ , 1 + ￡ ,将莱斯分布以莱斯参数的形式表达为:
同样，对于归一化的平均叨率(P二1),有
fa (d) = 2d(l + /) exp{—$ - (1 + / W }/()(2aj￡(l + w))
(27)
(28)
4?研究进度安排
3月24日至3月28日(1周)熟悉了解任务书，明确设计任务目的；搜集资 料：阅读相关资料。
3月31日至4月11日(2周)结合设计任务的具体要求，进行初步设计，并 对方案进行论证。
4月14日至4月25日（2周）研究和掌握MIMO信道模型仿真的原理，准确 画出原理图，确定各模块参数。
4月28日至5月9日（2周）熟悉开发平台软件，并设计出各模块的软件程 序流程图，编写程序。
5月12日至5月23日（2周）对所编写程序进行调试和完善。
5月26日至5月30日（1周）对所设计中设计的内容进行总结概括，并撰写 初稿。
6月2日至6月6日（1周）修改说明书初稿，完成并提交毕业设计说明书。
6月9日至6月13日（1周）将毕业设计说明书及设计中资料整理完整，准 备答辩。
5.参考文献
C. Oberli, B. Daneshrad. Maximum likelihood tracking algorithms for MIM0-0FDM [J] Communications, 2004 , （6）.
FarhanKhalid . Advances in MIMO Technique For Mobile Communication-A Survey
[J]. Scient辻ic Research, 2010.
孟令哲.无线MIMO系统的仿真与实践[D].大连.大连理工大学，2010.
任立刚等.移动通信系统中的MIMO技术[J].现代电信科技，2004, 42-45.
宋梅等.MIMO+OFDM:新一代移动通信核心技术[J].中国数据通信，2003, 102-105.
刘学勇.详解Mat lab通信系统建模与仿真[M].电子工业出版社.2011. 11. 344-362.
刘卫国.Mat lab程序设计与应用[M].高等教育出版社.2006. 12. 39-84.
指导教师意见（对本课题的深度、广度、工作量、研究方案及进度安排的意见）
指导教师（签字）：_ _ 2014 年 3月 24日 教研室审查意见（是否同意指导教师意见）
教研室/系主任（签字）： 2014 年 3月25日
设计（研究）进度计划表
序号
起止日期
计划完成内容
实际完成情况
检查人签名 检查日期
1
3月24日至3 月28 0（1周）
熟悉了解任务书，明确设计任 务目的；搜集资料；阅读相关 资料。
2
3月31日至4 月11日（2周）
结合设计任务的具体要求，进 行初步设计，并对方案进行论 证。
3
4月14 H至4 月25日（2周）
研究和掌握MIM0信道模型仿 真的原理，准确画出原理图， 确定各模块参数。
4
4月28日至5 月9日（2周）
熟悉开发平台软件，并设计出 各模块的软件程序流程图，编 写程序。
5
5月12日至5 月23日（2周）
对所编写程序进行调试和完 善。
6
5月26日至5 月30日（1周）
对所设计中设计的内容进行 总结概括，并撰写初稿。
7
6月2日至6 月6日（1周）
修改说明书初稿，完成并提交 毕业设计说明书
8
6月9日至6 月13日（1周）
将毕业设计说明书及设计中 资料整理完整，准备答辩。
9
10
指导教师批准，并签名： 2014年3月24日