天线阵列布局对大规模MIMO系统信道容量的影响

大型MIMO系统信道容量的影响因素研究了大型MIMO信道容量的影响因素。 首先，建立了空间衰落相关信道模型，研究天线间隔、角扩散和天线阵列方向、天线布置对空间域相关性的影响，研究两个天线间隔对信道容量的影响，然后研究了几个典型天线布置中的天线数大的情况下的扫描信道根据仿真，相同的天线孔径，圆阵列具有最佳遍历容量，均匀的线具有最坏的遍历容量，并且天线布置在由圆周和圆周包围的区域内，信道容量没有很大差异。1引言MIMO系统可通过空间多路复用增加信道容量和频谱利用率。 如果天线处于散射物体丰富的环境中，那么天线数目的增加可认为信道是多个并行独立的子信道的组合，所以天线数目的增加会线性地增加信道容量。 然而，实际上，这些子信道并不是独立的，并且这些子信道通过具有较少辐射的散射、有限角扩散和较小的天线间隔来在空间上相关。 多天线系统的信道容量和差错率性能很大程度上取决于子信道间的空间相关性，许多文献研究了空间相关性及其参数对信道容量的影响 基于张唯希，周杰.相关矩阵的MIMO系统的信道容量分析J . Shiu D S、Foschini G J、Gans M J、etal.fadingcorrelation和isteconfigurationofmultielementantennasystems j .com munication， Saeed M A、Ali B M、Ismail m et al.perforsationandassocationthecationofmimimofadingschannels c /networks 2005.jointlyheldwiththe 2005 IEEE7thmalaysiainternationalconferencecommunication .200513 thieiinternationalconference.I。 这些文献展示了当存在空间相关时MIMO信道容量的计算公式和结果，文献1揭示了天线相关的增加意味着系统信噪比的减小，信道容量降低，文献 郭黎利、王月瑜、狡猾的声音.天线阵列形状和MIMO系统空间域相关的分析图示了信道容量与信道传输矩阵的秩有关，而接收信号的相关性增加降低了信道传输矩阵的秩，从而导致信道容量的降低。 信道矩阵的空间域相关是影响信道容量的重要因素，高相关导致MIMO系统的性能降低。多天线的使用成为提高通信系统容量的新来源。 发送机侧和接收机侧的天线之间的间隔与空间区域的相关性有很大关系。 因为相关也随着天线间距变大而变大，所以为了降低相关必须尽可能地增大天线间距。 但是，发送天线和接收天线可占有的空间有限。 在一个有限区域内，不同的天线布置可导致不同的天线相关性和不同的性能。 文献 for enza a heath TRW.impactofantennagemetromentonmicommiconmiconnindonancercommmentationancommmenturationindonancerc研究不同天线布置下的空间域相关，由收发天线两端相关系数矩阵和独立复高斯矩阵构成信道矩阵整体，构建相关信道模型，求出信道容量。 文献 so hmm.impactofantennaarraygeometryonthecapacityofmimocommunicationsystem c /electricalandcomputerengineeering 2006.icece不是通过相关系数矩阵研究不同天线布置的信道容量，而是在信道矩阵中引入阵列流型矢量，研究不同几何阵列流形对信道容量的影响，天线数量少，天线间距恒定。本文首先建立了引入了角度功率谱和阵列流型矢量的空间信道模型，然后研究了天线布置对空间域相关性的影响，最后研究了天线数量多时天线布置对信道容量的影响。双空间信道模型到达接收天线的信号由多个平面波重叠构成，平衰落信道的复增益(1)代表入射波的数量，且代表最大多普勒频率、载波频率、接收侧的移动速度、光速、第一入射波的到达角和第一入射波的初始相位，并且遵循均匀分布。由于发送天线和接收天线周围的散射体的不同，信号经过不同的衰落到达不同位置的接收天线，天线的位置不同，接收信号的振幅不同，使用角度功率谱(PAS )频谱描述不同到达角度的到来波功率，角度扩展通过信道如图1所示，到达角被定义为放射线与阵列法线所成的角度图2是图1天线接收散射信号的示意图典型的角度功率谱有均匀分布、高斯分布、拉普拉斯分布。到达波角服从均匀分布，(2)是平均到达角度，是角度扩散(AS )的范围。高斯分布，(3)归一化系数，误差函数，角度扩散的标准偏差，描述角度扩散的程度：(4)拉普拉斯分布，(5)是归一化系数。考虑到天线周围的散射体对入射波施加角度扩散，导致接收信号的功率不同，所以将PAS和信道模型结合 Fulghum T L， mol NAR kj duel-hallena.thejakesfadingmodelforantennaarraysincorporatingazimuthspread j .vehicular technology，IEEE Transactions on得到信道复增益式(6)多天线系统根据天线的位置给不同的信号带来波长差，所以如果将相位差引入(6)，则从发送天线获得第n个接收天线的增益(7)这里，从第n根接收天线到基准点(在此选择为第一天线)的相位差是接收天线的个数，而是从第n根天线到基准天线的距离。 的定义如图2所示图2、的定义单个发射/接收天线系统的信道增益为()，其中每一元素可由方程式(7)表示(8)在此，是阵列流类型向量，其反映了不同天线布置对信道矩阵的影响。均匀线、均匀圆阵列、均匀面阵列的阵列流型矢量分别为(九)(十)(十一)假定采用副发送天线和副接收天线，发送侧天线之间是相互独立的，只考虑接收侧天线的相关性。 可将MIMO信道矩阵表示为阶数矩阵，其中，每一列表示为(8)。三空间依赖性空间区域相关性通过空间区域相关系数描述，且两个天线之间的相关系数由(十二)接收信号电压的实部-实部和实部-虚部的归一化相关系数。 由于不同的入射波之和相互独立，所以将式(6)代入式(7)来获得两个天线之间的相关系数(十三)分别表示第m个接收天线和第n个接收天线之间的距离，以及两个天线线和运动方向之间的角度。无限的话，(8)的总和成为积分(十四)(十五)(十六)研究不同PAS模型下的电压相关系数与天线之间的标准化间距的关系。 图3表示三种PAS分布中的相关系数的包络线，各相关系数随着天线间隔变大而振动衰减。 比较三条曲线，拉普拉斯分布中相关系数的振动稍宽，下降趋势也缓慢。 图4图示了当对于相同的天线间隔均匀地分布时，相关系数的实数部分随着角度扩展范围变大而减小。 图5显示的是，在高斯分布中，相关系数实数部分随着角度扩大而减少。 以上两个图显示了天线所在的散射环境散射丰富，并且空间相关小。 拉普拉斯分布中，相关系数的包络随着平均到达角的增大而变大，如图6所示。 为了减小空间区域相关性，需要减小天线阵列的方位，调整为平均到来波方向尽可能与阵列的法线方向平行 Li x niez.efectofrationofarrientiononperfominfomminitialwirelesschannels j .antennasandwirelesspropagationletters，IEEE，2004，。在本文的信道模型中，空间域相关的计算与天线的移动方向无关，移动方向仅影响多普勒频移。图3图4图5图64不同天线布局下的信道容量根据瑞利衰落的MIMO信道矩阵表示信道容量为(十七)次数单位矩阵，是每个分支中的平均信噪比，并且是共轭转置运算。 因为是随机变量，所以是随机变量，在统计意义上对随机变量的容量进行平均，得到扫描通道容量 Paulraj、Arogyaswami、Rohit Nabar、roductiontospace -(十八)从方程式(18 )可得知是天线相关系数的函数，但天线布局也影响天线的布局，因此其为天线布局的函数。 天线布置限制于相同圆内，即，任何两个天线之间的间隔的最大值相同。 下面考虑两个天线布置的遍历信道容量。 第一是将天线均匀分布在几何图形的轮廓上，第二是将天线均匀分布在几何图形复盖的区域上。a天线配置在周围图7的接收天线分布在周围考虑三个几何学图形，如图7所示，天线均匀分布在直线、圆形、椭圆形的圆周上。 图8是示出了当MIMO天线被均匀分布时MIMO天线的扫描信道容量的图示； 当最大间隔变为0时，多个天线被聚集到单个天线中，并且不同天线布置之间的差异减小，并且当倾向于信道容量也均匀化的最大间距逐渐增大时，天线之间的相关性减弱，信道容量倾向于变成当天线之间彼此独立了时的信道容量。 圆阵列的容量大于椭圆阵列的线。 图9图示了信道容量随着相关性增加而减小。 图10显示了信道容量随着相关性的增加而减小。 圆阵列的放大幅度大于椭圆阵列，大于线阵列。 通道容量也随着平均到达角的变化而变化。 图11表示到来波到达天线的侧反射方向(BS )和端反射方向(EF )，即三个天线配置的扫描信道电容的信噪比的变化。 天线之间的最大间隔。 圆阵的沟道容量最大，侧射方向和端射方向的沟道容量曲线一致。 因为圆阵是中心对称图形，在到达角的方向上没有选择性。 椭圆阵列和线的到达角都比端射方向的沟道容量小于侧射方向，是因为随着先分析的到达角变大，空间区域的相关变大，沟道容量变小。 线到达角从端射方向向侧射方向下降的沟道电容大于椭圆阵列的下降幅度。 这是因为线的几何图形与椭圆阵列相比并非中心对称，相关的变化较剧烈，对到达角的选择性也较高。图8图9图10图11由b天线配置轮廓包围的区域内图12考虑3个布局时，如图12所示，天线分布为圆盘、正方形、矩形。 图13是MIMO天线均匀分布时的扫描信道容量。 磁盘的通道容量大于正方形。 结果发现，天线所复盖的区域越接近圆，信道容量越大。图13c盘和圆的比较由于在被轮廓和轮廓包围的区域内排列成圆形状的信道容量比较大，所以比较天线分布在圆上和圆板内的信道容量，从图14可以看出，圆板比圆板稍有不同。 产生容量不足的平滑振动是因为相关性会振动。 这是因为合成接收信号的波束数量有限 Ertel R B，Cardieri P，sowerby kwet al.overviewofsationalchallemodesforantennarraycommunication。图15示出，随着天线的数量的增加，各种天线布局的信道容量也会增加，并且如果天线的数量小于90，则圆形阵列的信道容量的增加幅度将最大，然后是圆盘、椭圆阵列、线，其次是矩形阵列但是，随着天线的数量持续增加，磁盘的信道容量超过圆形阵列，矩形阵列的信道容量超过线路。 由于在有限的区域内相邻的天线之间的距离随着天线数目的增加而减小，并且相关性也逐渐增加，并且在一定程度上减弱了信