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增加带宽。若各发射和接收天线间的通道响应独立，则多入多出系统可以创造多个并行空间信道[13]。通过这些并行空间信道独立地传输信息，数据率必然可以提高。因此，数据子流的独立性和数据在各个天线间的分配方式是影响系统性能的关键因素。独立数据子流的数目，由天线链路间的衰落相关性决定，因此在MIMO系统中，天线链路间的衰落相关性成为影响MIMO系统的关键因素之一。MIMO系统能够充分的利用信号的所有空时频域的特性，具有如下的优点[2]：
（1）利用或者减少多径衰落：MIMO技术能够充分采用多径的各种发射/合成技术，提高无线通信系统的性能；
（2）消除共道干扰：MIMO系统能够采用自适应波束形成技术或多用户检测技术对共道干扰进行有效抑制或删除；
（3）提高频谱利用率：由于阵列天线可以降低共道干扰和多径衰落的影响，因而在一定的信干噪比条件下可以降低误码率，或者在一定的误码率下可以降低检测所需要的信噪比。MIMO系统能够抑制或消除共道干扰以及码间干扰，同时利用分级技术提高接收信号的信噪比，因此基站和移动端的发射功率可以得到一定程度的降低，同时间小空间电磁干扰的影响、延长移动终端电池使用时间、减小对生态环境的影响、降低系统对功率控制精度和器件的要求。
MIMO技术的使用可以追溯到20世纪的马可尼时代，早在1908年马可尼就提出用它来抗衰落。人们研究发现，多副天线构成的接收阵列可以有效地克服无线蜂窝系统中的共道干扰。二次世界大战后，对雷达系统中天线阵列的研究尤为活跃。到20世纪70年代，由于军事上的原因，数字信号处理技术得到了快速发展，这使得更多的关于天线阵列的研究的自适应信号处理技术的实现成为可能，从而进一步提高了分集性能，降低了干扰[3]。到20世纪90年代初，人们发现使用多天线可以增加无线信道的容量[4]。接下来，Bell实验室在20世纪90年代中后期一系列研究成果的出台[5]，对MIMO技术的研究起了很大的推动作用，开创了无线通信的一场新的技术革命。 1.1.2信道建模的必要性
随着无线通信技术的不断发展，用户对数据传输速率和多种无线业务的需求也在不断增加，除了传统的语音业务外，人们期望能以较低的价格和更高的数据速率获取Internet接入和多媒体服务。此外，以GSM(Global System for MobileCommunication)为代表的第二代蜂窝移动通信系统频谱利用率较低，可利用的无线频谱资源又日趋紧张，无线通信系统在系统容量、网络覆盖、运营成本等方面出现了一些新的问题和矛盾。上述两个方面的需求不断地推动着新型无线通信技术的诞生、发展和应用。尤其近几年来，无线数据和移动Internet业务需
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求的持续增长，使得如何实现高频谱利用率并支持分组业务的高速数据传输成为迫切需要解决的根本问题，这对未来一代无线通信网络和无线传输技术提出了巨大挑战。从技术角度看，解决这一问题需要研究全新的无线网络结构和新型的无线传输技术[6]。
在过去十年里，无线通信中受到较多关注的新兴技术主要有：码分多址(CDMA,CodeDivisionMultipleAccess)、正交频分复用(OFDM)、智能天线(SmartAntenna)、UWB(UltraWideBand，超宽带)技术、多入多出(MIMO,Multiple-Input Multiple-Output)技术[7]、软件无线电技术以及认知无线电(Cognitive Radio)等。在上述的这几种技术中，以MIMO为代表的多天线技术在无线通信中的应用显得更为广泛，正扮演着越来越重要的角色。
MIMO技术的核心是空时信号处理，利用在空间中分布的多个天线将时间域和空间域结合起来进行信号处理，有效地利用了信道的随机衰落和多径传播来成倍的提高传输速率，改善传输质量和提高系统容量，能在不额外增加信号带宽的前提下带来无线通信性能上几个数量级的提高。目前对MIMO技术的应用主要集中在以空时编码(STC,Space-Time Codes)为典型的空间分集(diversity)和以BLAST(Bell LAyered Space-Time architecture)为典型的空间复用(multiplexing)两个方面。MIMO作为未来一代宽带无线通信系统的框架技术，是实现充分利用空间资源以提高频谱利用率的一个必然途径，基于MIMO的无线通信理论和传输技术显示了巨大的潜力和发展前景。
然而，MIMO系统大容量的实现和系统其它性能的提高以及MIMO系统中使用的各种信号处理算法的性能优劣都极大地依赖于MIMO信道的特性，特别是各个天线之间的相关性。最初对MIMO系统性能的研究与仿真通常都是在独立信道的假设下进行的，这与实际的MIMO信道大多数情况下具有一定的空间相关性是不太符合的。MIMO系统的性能在很大程度上会受到信道相关性的影响。因此，建立有效的能反映MIMO信道空间相关特性的MIMO信道模型以选择合适的处理算法并评估系统性能就变得相当重要了。
1.2选题意义和研究内容
MIMO技术由于能够在不增加传输信道带宽的条件下成倍的提高无线信道的容量，因而被认为是现代通信技术中的重大突破之一，越来越成为无线通信领域的研究热点。MIMO技术是未来无线通信系统中实现高数据速率传输、改善传输质量、提高系统容量的重要途径。MIMO信道模型无论是在MIMO技术的理论研究阶段还是在MIMO系统的应用阶段都是必需的。因此，MIMO信道的建模是MIMO理论研究中的重要内容。
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本文在研究了MIMO理论、无线信道的特性以及无线信道的数学模型的基础上，综合考虑了MIMO信道的各种衰落特性，提出了合理的、实现复杂度低的通用的MIMO空时信道模型，比较全面的反映了MIMO无线通信系统中信道的空间衰落特性，即信道的空间相关性特性。通过分析收发两端天线阵列间的空间相关性及其与天线间距、波的到达角度、角度扩展等空间参数的关系，提出了对此信道仿真的方法，并建立了相应的MIMO信道模型的仿真，得出仿真结果并进行了分析。
1.3本文的结构
第一章 绪论，简单的介绍MIMO技术以及它的研究现状，指出了MIMO技术的优势和信道建模的必要性，指明了本文的出发点。
第二章 MIMO无线信道的特点，本章是进行MIMO信道建模的基础。MIMO信道首先也是一种无线信道，因此本章先介绍了无线信道的特性，包括它的传播方式、衰落特性包括大尺度衰落和小尺度衰落以及由时延扩展、多普勒扩展、角度扩展引起的衰落类型，并对无线信道的特性作了总结，还介绍了无线信道的数学模型，包括瑞利衰落信道和莱斯衰落信道的数学模型，最后简单的介绍了MIMO无线信道的各种参数。
第三章 MIMO信道建模，这一章是本文的重点和核心部分。首先概括性的介绍了MIMO信道建模的方法，然后提出了基于统计特性的信道模型。建模的过程中，首先介绍了影响该模型的主要参数，之后给出了模型的数学描述。接着从相关矩阵和相关系数两方面重点研究了MIMO信道的相关性。
第四章 信道模型的仿真，本章首先阐述了第三章所提出的MIMO无线信道模型的仿真设计思路、方法，介绍了仿真的处理流程以及相关衰落的产生，并给出相应的流程图，最后对仿真的结果进行分析。
第五章 总结，对全文进行了概括性的总结，明确了今后需要进一步研究的问题。
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2 MIMO无线信道的特点
对MIMO信道进行建模离不开对无线信道特性的分析，只有在充分理解了无线信道的各种特性之后，才能更进一步，找到用于描述MIMO信道的合适的数学模型。与传统的单入单出(SISO,Single-Input Single-Output)信道所不同的是，对于MIMO信道，信道信息从原来的二维(时间、频率)扩充到了包含时间、频率和空间的三维信息。因此，为准确地描述MIMO信道的统计特性，必须引入空间维度。在了解传统无线信道的多径、时延扩展、多普勒扩展等统计变量的同时，还必须了解信道的空间特性，比如到达角(AOA,Angle ofArrival)、离开角(AOD,Angle of Departure)、角度扩展(AS,Azimuth Spread)和角度功率谱(PAS,Power Azimuth Spectrum)等。本章首先介绍无线信道的特性，再对无线信道的各种特性和分类做一个总结，最后介绍MIMO无线信道的参数特点，为下一部分对MIMO信道的建模作基础。
2.1信号传播方式
在无线传播环境下进行通信，信号可能要经过许多的障碍物，如大楼、街道、树木以及移动的汽车等。信号的传播途径大致可分为四种：
（1）直线传播 在较开阔的地区，如郊区或农村。然而在城市环境中，直线传播很少见。
（2）反射 信号往往经过大的建筑物、平坦的地面和高山反射。反射是信号传播的一种重要途径。
（3）折射 信号经过障碍物的边界时，经折射绕过障碍物而到达目的地，信号经折射后衰减很大。因此，在无线信道模型中，一般忽略这种传播途径。 （4）散射 当信号遇到一个或多个较小的障碍物时，出现散射现象，即信号分成了许多个随机方向的信号。散射在城市通信中为最重要的一种传播方式。信号经散射后很难预测，因此理论上的建模往往建立在统计分析的基础上。
在实际环境中，信号利用障碍物的反射、散射或直线传播等，经多条路经到达接收端，即多径传播，从而形成了多径信道。
2.2信道衰落
无线信道的传播模型可分为大尺度传播模型和小尺度传播模型两种。大尺度模型主要用于描述发射机与接收机之间长距离几百或几千米上的信号强度变化。但这两种模型并不是相互独立的，在同一个无线信道中，即存在大尺度衰落，也
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存在小尺度衰落。一般而言，大尺度表征了接收信号在一定时间内的均值随传播距离的环境变化而呈现的缓慢变化，小尺度衰落表征接收信号短时间内的快速波动。因此实际的无线信道衰落因子可表示为：
?(t)??(t)?(t) （2.1）
式中，?(t)表示衰落因子；?(t)表示小尺度衰落；?(t)表示大尺度衰落。 2.2.1大尺度衰落特性
大尺度衰落是用于描述发射机与接收机之间长距离几百或几千米上的信号强度变化。实际上，大尺度衰落?(t)不仅与时间有关，还与距离和载波频率有关。为了表达方便，上式中省略了距离因子d和载频fc。基于理论和测试的传播模型指出，无论室内还是室外信道，平均接收信号功率随距离的对数而衰减。
?(t,d)?(
dn)d0 (2.2)
或
?(t,d)[dB]??(t,d0)[dB]?10nlog(
d)d0 (2.3)
式中，n为路径损耗指数，表明路径损耗随距离增长的速率；d0是近地参考距离，由测试决定；d为发射机和接收机距离。在自由空间传播时，n为2，当有障碍物时，n变大。
但此式没有考虑在相同距离情况下，不同位置的周围环境差别非常。测试表明，对于任意d，特定位置的路径损耗?(t,d)又服从随机正态分布，即：
?(t,d)[dB]??(t,d0)[dB]?10nlog(
d)???(t)d0 (2.4)
式中，??为0均值的高斯分布随机变量，标准偏差为?，单位为db。对数正态
分布描述了在传播路径上，具有相同距离时，不同的随机阴影效应。这种现象叫对数正态阴影。 2.2.2小尺度衰落特性
简称衰落，是指无线信号在经过短时间或短距离传播后其幅度快速衰落，以致大尺度路径衰落的影响可以忽略不计。这种衰落是由于同一传输信号沿两个或多个路径传播，以微小的时间差到达接收机的信号相互干涉所引起的。这些被称