基于卡尔曼滤波的大规模MIMO信道估计研究
摘 要
考虑一个数字通信系统，其基本形式由发射机、信道和接收机连接组成。发射机的作用是把数字源(例如计算机)产生的0、1符号序列组成的消息信号变换成为适合于信道上传送的波形。而由于符号间干扰和噪声的存在，信道输出端收到的信号是含有噪声的或失真的发送信号。接收机的作用是，操作接收信号并把原消息信号的一个可靠估值传递给系统输出端的某个用户。随着通信系统复杂度的提高，对原消息信号的还原成为通信系统中最为重要的环节，而噪声是接收端需要排除的最主要的干扰，人们也设计出了针对各种不同条件应用的滤波器，其中最速下降算法是一种古老的最优化技术，而卡尔曼滤波器随着应用条件的精简成为了普适性的高效滤波器。
本文首先总结了无线信道的特点，包括它的传播方式、衰落特性，并给出了两种常见的无线信道的数学模型和MIMO信道中的一些参数的介绍。在此基础上，根据发射端和接收端天线的阵列结构、发射信号的离开角与角度扩展、接收信号的到达角与角度扩展、角度功率谱、多普勒功率谱等参数，提出了一个合理的MIMO无线信道模型。还详细描述了信道相关性的问题。最后提出了对信道模型进行仿真的方法、流程图，并对仿真结果进行了分析。
关键词：卡尔曼滤波；无线信道；MIMO；信道建模；相关性；matlab仿真
ABSTRACT
A digital communication system is considered, its basic form is composed of transmitter, channel and receiver connection. The function of a transmitter is to transform a message signal composed of a 0, 1 symbol sequence generated by a digital source, such as a computer, to a waveform that is suitable for transmission on the channel. Due to the existence of intersymbol interference and noise, the signal received by the channel is a signal that contains noise or distortion. The function of a receiver is to operate a received signal and transmit a reliable estimate of the original message signal to a user at the output end of the system. With the increase of the degree of complex communication system, the original message signal reduction is the most important link in the communication system, and noise is the receiver to get rid of the main interference, it also designs a filter for different application conditions, one of the steepest descent algorithm is an optimization technique of old. Calman filter along with the application conditions become a simplified universal efficient filter.
In this dissertation,at first we sum-up the characteristic of the wireless channel,Including the spread manner and introduce two familiar mathematical model of wireless channel and some parameter of MIMO channel.Then,based on the existing methods of MIMO wireless channel modeling and a variety of present MIMO wireless channel models,we integrated a wideband MIMO channel model.It’s of stochastic type and uses the angle of arrival,angle of departure,azimuth spread,the topology of both transmitter and receiver,the Doppler spectrum,the power delay profile,etc. as its parameters.At last we find a method of MIMO simulation,give the flowchart,and analyse the simulation result.
Key words: Calman filter; wireless channel; MIMO; channel modeling; correlation; MATLAB simulation
目 录
目录
1 绪论 4
1.1课题的研究背景 4
1.1.1MIMO技术简介 4
1.1.2信道建模的必要性 5
1.2选题意义和研究内容 6
1.3本文的结构 7
2 MIMO无线信道的特点 8
2.1信号传播方式 8
2.2信道衰落 8
2.2.1大尺度衰落特性 9
2.2.2小尺度衰落特性 9
2.3信道扩展 11
2.3.1多径（时延）扩展 11
2.3.2多普勒扩展 12
2.3.3角度扩展 12
2.4无线信道的数学模型 13
2.4.1瑞利衰落信道 15
2.4.2莱斯衰落信道 16
2.5MIMO无线信道的参数特点 17
（1）角度功率谱 17
（2）散射角度扩展 17
（3）平均达波角与平均去波角 18
（4）收发多天线的配置 18
（5）多普勒扩展 18
3 MIMO信道建模 19
3.1概述 19
3.2模型的主要参数 20
3.3模型的数学描述 21
3.4相关性的研究 24
3.4.1相关性的定义 24
3.4.2相关矩阵 25
3.4.3相关系数的产生 26
3.5本章小结 29
4.卡尔曼滤波器 30
4.1卡尔曼滤波器的基本思想 30
4.2 新息过程 32
4.3 应用新息过程进行状态估计 33
4.4 卡尔曼增益 35
5 Matlab仿真 40
5.1 维纳最速下降法滤波器仿真结果 40
5.2 卡尔曼滤波器仿真结果 43
5.3 一种不需初始化的卡尔曼滤波器仿真 45
5.4 后联平滑滤波的卡尔曼滤波器仿真 45
6.Matlab源代码 46
6.1经典卡尔曼滤波器 46
6.2 最速下降法 47
6.3 后联平滑滤波器的卡尔曼滤波器 48
7 总结 51
参考文献 52
参考文献
[1] 黄滔．MIMO信道模型的研究[硕士学位论文]．无锡：江南大学，2005
[2] 黄韬、袁超伟、杨睿哲等．MIMO相关技术与应用：北京：机械工业出版社，2007，4
[3] Arogyaswami Paulraj,Rohit Nabar,Dhananjay Gore.Introduction to Space-Time Wireless Communication.New York:Cambridge University Press,2003
[4] A.Paulraj,T.Kailath.Increasing capacity in wireless broadcast systems using distributed transmission/directional reception.US Patent 5345599,1994
[5] I.E.Telatar.Capacity of Multi-Antenna Gaussian Channels[J].Technical report,AT&T Bell Laboratories Internal Technical Memorandum,June 1995
[6] 徐晓军．MIMO无线信道建模与仿真[硕士学位论文]．成都：电子科技大学，2006
[7] A.J.Paulraj,D.A.Gore,R.U.Nabar,et al.An overview of MIMO communications-A key to gigabit wireless.Proceedings of IEEE,February 2004,Vol.92,No.2:198-218
[8] 宁波．MIMO信道模型及衰落信号的空域相关性分析[硕士学位论文]．北京：北京邮电大学，2007
[9] 张贤达,保铮．通信信号处理．北京：国防工业出版社，2002
[10] 肖林海．新一代无线通信系统中的信道建模与信道估计[博士学位论文]．成都：电子科技大学，2007
[11] Theodore S.Rappaport．无线通信原理与应用（蔡涛，李旭，杜振民译）．北京：电子工业出版社，1999
[12] Gregory D.Durgin．空-时无线信道（朱世华,任品毅,王磊等译）．西安：西安交通大学出版社，2004
[13] 邬正义、范瑜、徐惠钢．现代无线通信技术．北京：高等教育出版社，411
[14] 罗涛 乐光新．多天线无线通信原理与应用．北京：北京邮电大学出版社
[15] Jean P.Kermoal.Measurement,Modeling and Performance Evaluation of the MIMO Radio Channel:[Ph.D thesis],Aalborg University,Denmark,2002
[16] W.C.Y.Lee.Effects on Correlation between Two Mobile Radio Base-Station Antennas.IEEE Transactions on Vehicular Technology,November 1973,Vol.22,
No.4:130–14
[17] 蒋新冲、申敏、刘如冰．MIMO信道建模及仿真，《微计算机信息》（测控自动化)2007 年第 23 卷第 12-1 期
[18] 潘德胜．无线MIMO信道的建模与仿真研究，《山西电子技术》2007年第4期
[19] 方舒，李立华，张平．空间相关随机MIMO信道建模，《电子科技大学学报》第37卷 第1期 2008年1月
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