天线阵列方位对MIMO无线信道性能的影响_图文

1、第卷第期年月电子与信息学报仃酣、，天线阵列方位对无线信道性能的影响李忻聂在平（电子科技大学电子工程学院成都）摘要：分析收发天线阵列的方位对无线信道的空域相关性及其容量的影响，得出在散射信号角度扩展较小时，这种影响不容忽视，为得到更大的信道容量，应使阵列法线尽可能指向来波去波平均方向。数值结果证实了天线阵列方位对相关系数的影响，并指出这种影响随天线阵列法线偏离其信号平均方向而增大。仿真结果表明信号角度扩展较小的阵列的方位对信道容量影响更大，增大信号角度扩展可以削弱以至消除这种影响。关键词：阵列方位，信道，空域相关性，信道容量，角度扩展中图分类号：文献标识码：一文章编号：（）粕。似，矿抛，研舶咖，

2、确抛佃阮加胛七如聊册死拍加矿劭办地聊延缸，劬廿位彻蛐廿锄嚣触）玎锄时¨呻）鼹舶，舀锄，廿劬瑚啪珊脒釉枷训巾鹏）砒曲时啪丽舐分廿撕，柚他鹤他耐啪硒蹦（）砒佗钯慨谢吡畸吐哟曲佗蚰虹印时锄锄，陀船，主岫，柚饥他引言技术可显著提高未来无线通信系统的性能。一些初步测试结果已证实系统在室内【、室内到室外【】以及室外【】环境下具有高频谱效率。与嘲首先提出虹系统并预示其容量在独立瑞利衰落信道下可随天线单元数目线性增长【】。在实际传播环境中，由于散射稀少或天线间距有限，空间衰落信号并不独立。文献】研究了空域相关性对无线信道容量的影响，采用单环模型对下行链路仿真结果显示：在其它参数一定下，在发射天线阵列

3、法线平行发射信号平均离开方向时的信道遍历容量远大于其垂直时的容量，但没有研究发射天线阵列的其它方位以及接收天线阵列的方位对信道容量的影响。基于所提出的幻散射无线衰落信道模型嘲仿真了信道容量，却假定了收发天线阵列法线平行来波去波平均方向，没有考虑收发天线阵列方位对信道容量的影响。等人在纽约市区对工作在的系统的测试加收到，改回国家计划（色）资助课题结果【】表明：移动端的来波并非均匀分布在整个方位面内，而垂直极化天线阵列的中值角度扩展仅有（即方位扩展角度仅有幻，水平极化天线阵列的中值角度扩展仅有。然而，等人在研究信道容量时仍然没有考虑收，发天线阵列的方位影响，也采用了与相同的假定。基于这些研究的不足

4、，本文研究殳发天线阵列的方位对无线信道的空域相关性及其容量的影响【】，并通过数值与仿真得到验证，拓展了散射无线衰落信道模型的研究。玎订散射无线信道模型在实际无线信道中存在大量反射、散射与绕射体，它们对发射信号进行反射、散射与绕射传播。初始发射信号及其散射信号可能经历不同的衰落从不同方向到达接收天线并叠加在一起，经接收机处理后才能恢复出发送信息。为提高链路质量与容量，通常在收发两端均采用多天线结构，以期获得天线增益、分集增益与信道复用增益。本文给出如图所示的枷【散射电子与信息学报第卷无线信道模型。收发均匀直线阵采用垂直极化单元天线，两天线阵均可以在水平面内自由转动，改变其水平方位。在其接收端布置

5、元天线，单元间距为，达波散射信号方位角度扩展为荜啦，平均达波方位角（）为中佃（各达波在水平面内与接收阵列的水平法线所成的平均角度）；在其发射端布置元天线，单元间距为珥，发射信号角度扩展为彳衲，平均去波方位角（）为牵（各去波在水平面内与发射阵列轴线的水平法线所成的平均角度）。在给定的信道环境下，平均达波与去波方位由收发天线阵列的方位确定。，：二、“、，。，、：袋：囊乏：避者臃气图砌散射无线信道模型信道的空域相关性与容量首先，基于给出的【散射无线信道模型，分析收发天线阵列的方位对空域相关性的影响。对于接收天线阵列，在来波为西，两全向单元天线与一间距为时，其接收的归一化信号可表示为与勘，在来波为平面

6、波的假定下，满足。咄“（”，这里是信号波长，幼一拧）旯。假定来波数目为厶其方位角为办，两信号间的空域相关性可表示为÷。（晚）：娩）÷扩“咻（）。，假定来波的功率方位谱（）为施），两单元天线间的空域相关性也可表示为。（驴）：（妒）二扩如（妒）妒（）统计测试发现，散射信号在扩展角内的分布可能为随机均匀【】、高斯【习与拉式分布等，可统一用各分布的标准差盯来衡量其扩展角度。在该【信道模型中，对于下行链路，移动端周围分布有足够的散射体，可认为来波在扩展角，内服从随机均匀分布，其为。（驴）（，），一，谚驴，佴，（）将式（）代入式（）得均匀下的空域相关系数为矿（，）箍产眦驴（）（）山（）

7、以。（）（棚）；（三）如。（）（埘妒】（）利用级数展式（）化简式（）得到相关系数的实部与虚部分别如下：、国删弘啪（之犁一（）弘“）【）州专黔掣（），式中以是第一类阶贝塞尔函数。式（），（）表明：相关系数具有贝塞尔函数的振荡特性，并且当时，。山（），相关系数为实数；当石时，相关系数为复数，即七的项表示缩减散射体角度扩展所增加的空域相关性。将式（），（）与包络相关系数（陬吖一）两边对审佃求导得如“垆一宝以）（地。）堕丛竽直（）。（）：妻（）【（）佴。】型罕旦丛妣（）。佴（）式（）一（）表明：在时，相关系数实部与虚部在面捌与刀处都取得极值，它们不是审佃的单调函数，其增减性还与天线单元间距及角度扩展有

8、关，但是相关系数实部总是先随面钿增大而减小，相关系数虚部总是先随审佃增大而增大。在角度扩展较小时，相关系数实部与虚部随荜佃振荡，其起伏随角度扩展增大而降低。包络相关系数也存在振荡，在天线单元间距较小及陀时，随办。增大而增大。因此，为降低空域相关性，应使机接近。在基站周围的散体较少，可认为发射信号在扩展角内服从随机拉氏分布【，其为（妒）一压陋一唬仃，（盯，），一万咖妒石咖（）式中【一（一）】。将式（）代入式（）可得在拉氏分布下的空域相关系数：去瞄陋（沪压卜屯。叫妒（）采用类似的级数展开可得其实部与虚部如下：州）茎等掣（哟篙黜茎掣群哟式（），（）及其包络相关系数两边对庐协求导，得咄，叫薹等鬻掣峨，

9、篙黜茎糍粼（）第期李忻等：天线阵列方位对无线信道性能的影响忆序筠警，式（）一（）表明：相关系数实部与虚部在磊与陀处都取得极值，它们也不是中佃的单调函数，其增减性还与天线单元间距与角度扩展有关，但是相关系数实部总是先随西，增大而减小，相关系数虚部总是先随牵增大而增大。由于分母中含有角度扩展的平方，因此在角度扩展较小时，相关系数实部与虚 部将出现剧烈振荡，其起伏随角度扩展增大而降低，包络相关系数几乎随审佃一致增大，波动较小。因此，为降低空域相关眭，也应使函钿接近。综上所述，对于给定的天线阵列与确定的信道环境，信道一空域相关性由线阵的方位（审协与庐决定。其次，分析收发天线阵列的方位对信道容量的影响。

10、将求得的空域相关系数式（）组成收发天线空域相关系数矩阵母与蜀后，散射无线信道模型的归一化信道传输矩阵日可表示为【】日科心日。可心（）式中凰，是的瑞利矩阵。在发端天线单元等功率发射下的无线信道的瞬时容量【】为（寿朋“】惭郴）（）式中日是×的随机信道矩阵，是×单位矩阵，是各接收天线单元的平均信噪比。将式（玳入式（）得信道瞬时容量与信道相关系数矩阵的关系（同文献【】）如专耳日。墨日。（）由于日是随机的，也是随机的，在平坦衰落信道下，的均值尔）可视为无线信道的遍历容量嘲。式（）表明，加信道的瞬时容量是由收、发天线阵列的空域相关系数矩阵决定的。进一步分析表明，是由相关矩阵的秩决定的，

11、即各互相关系数越小，对应的相关矩阵秩越大，越大，遍历容量越大。因此，在确定的通信环境与给定的天线阵列下，天线阵列的方位成为影响虹信道遍历容量的主要因素，为获得大的信道遍历容量，应转动收，发天线阵列，使阵列法线尽可能指向来波去波平均方向。数值与仿真结果首先，采用数值结果显示天线阵列方位对信道空域相关性的影响。由于基站端的服从标准差为的拉氏分布【，图和图分别给出在拉氏及其标准差为和下，阵列方位在各种单元间距下对空域相关系数的影响。图表明：在口尸时，衅几乎随茹忉一致增大，且增大速率也随佃一致增大，特别是当中佃接近时，闻随函佃迅速增大；在单元间距大于瓢时，在审偏离阵列水平法线的范围内，僻变化较小。图表

12、明：与口尸的结果相比，在口，时，吲不随咖。一致增大，存在波动，除非单元间距小于甄，但是在单元问距大于飘时，在佃偏离阵列水平法线的范围内，僻变化仍然较小。图与图均表明，在拉氏分布下，即使天线单元间距达矾，在中伽接近时，天线方位影响仍很大。受口图阵列方位及单元间距图阵列方位及单元间距对相关性的影响（口）对相关性的影响（吩一般地，可认为移动端的来波在扩展角内服从均匀分布【】，测试表明其扩展角度并非，可能只有（口，）唧。图给出在均匀下，标准差为时，阵列方位在各种天线单元间距下对空域包络相关系数的影响。结果表明：在单元间距小于时，吲几乎随审佃一致增大，且增大速率也随中佃一致增大；在单元间距大于时，吲不随

13、中佃一致增大，存在波动，其增大速率明显小于拉氏分布的情形，且在审佃偏离阵列水平法线的范围内，吲变化较小。因此，在单元间距大于时，天线阵列方位对空域相关性包络影响较小。其次，采用把仿真天线阵列方位对无线信道遍历容量的影响。根据的建议配置图的散射信道模型参数【】：移动端配置相距九的元偶极子直线阵用于接收，来波服从均匀分布，设定其扩展角度为（产）；基站端配置相间钺的元偶极子线阵用于发射，去波蟠服从拉氏分布，标准差为，各接收天线信噪比为。图的仿真结果表明：当来波与去波平均角与幽）为零时信道容量最大，均为时容量最小，最大容量低于的瑞利信道容量，这是因为信道间存在相关性；在去波平均角曲帕一定下，调整接收天

14、线阵列的方位导致信道容量随来波平均角增大而减小，其减小速率随些钿增大，在妒协为时的容量（图例中第项）比审佃为时的容量（图例中第项）高，两者的容量差随加增大而减小，该容量差是由发射天线阵列的相关性引起的，容量对方位的依赖性是由收端天线阵列的来波扩展角较小导致的，已验证当来波扩展角为丸时，接收阵列的方位无关紧要了；类似的，在来波平均角审钿一定下，调整发射天线阵列的方位导致信道容量随去波平均角吐增大而减小，但其减小速率在时很低，在也后迅速增大，在为时的容量（图例中第项）比西协为时的容量（图例中第项）高，两者的容量差在中涮后随卓佃增大而减小，该容量差是由接收天线阵列的相关性引起的，容量对发射阵列方位的

15、依赖性是由电子与信息学报第卷发射天线阵列的去波扩展角较小导致的，已验证当去波扩展角足够大（如口刀）时，发射阵列的方位无关紧要了。因此，在收发天线阵列中，信号扩展角度较小的那个阵列的方位对信道容量的影响更大，其方位为与下的信道容量，形成相关衰落信道容量的上界与下界，随着其信号角度扩展增大，该上下界最终重合，信道容量对阵列方位的依赖性也随之消失。蠹口图阵列方位在均匀下对相关性的影响结束语菖南蚤咖毋，（。）耳：印研一。忍：篁听毒图阵列方位对×信道容量的影响本文从理论上分析收发天线阵列方位对无线衰落信号空域相关性与信道容量的影响，并指出在确定的通信环境与给定的天线阵列下，天线阵列的方位成为影

16、响信道遍历容量的主要因素，为获得更大的信道遍历容量，应使其阵列法线尽可能指向来波去波平均方向。数值结果给出了在不同天线单元间距、信号角度扩展与功率方位谱下，啊发天线阵列方位对相关系数包络吲的影响，验证了吲在章矿与陀处取得极值，其增加速率随天线阵列法线偏离平均信号方向的角度而增大。仿真结果显示了收发天线阵列方位对加信道容量的影响，并指出信号角度扩展较小的阵列的方位对信道容量的影响更大，在收发阵列的法线平行与垂直来波去波平均方向下，信道容量分别取得上界与下界，随着收发信号角度扩展增大，该上下界最终重合，并趋于瑞利信道容量，信道容量对阵列方位的依赖性也随之消失。【】参考文献“觚，咖矗）豫五曲眦呲鹳枷

17、既印蛐锄咖（），印：锄只量哪，锄唧锄砒胛耻施鼯锄矗）撕（），印：删，懿，唱盯螂（）咖嘲啷锄阳鲥舯（）哟，八、：问时，均概岛币棚诅商撕很始时叫呦胛鲥的舶励吲疏甚硼锄，（）：】锄乜髑舢岫惜脚咖撇邺肋吨锯砌捌，柳唧埘，（）：一【】时眦哪咖挑锄诬册琵硎，（）：【】，嘴砒锄乜腩他时锄朗锄懈科咖脚胁珊伽脚觚，（）：【】，卸嘲仍帕髑锄：锄响珊删舾歪占砌琏册聊，狮，（）：一【】挪，曲（，锄渊彻锄脚撕啪鼢弧蚰唧时狂髓砒毗帆（也），、，阳一，：【】，撕蝴州咖撕阳晌咖卟蕾豁弛眦协锄雌睡唧（），峨帅，：【懿烈伽撕础唧锄拶婷诅曲州压晒砒凇册绝髓砌妇，舛，（）：一【】鞠锄扯眦瑚掣即：自龟曲【培刚盯鲥硎劬把，缸【】（留叮甜

18、均均瑚捌妯乜锄咖孤咖矗舢刀髓鼬（、），（，吐锄，：【】，邸舶巧砖撒洒巧嘲碡主珊砒伽舶眦瑚髓髓砌凇铆绝甩砌矗，（）：】出壬，跚敝锄啪越扰酊女啪上晒删血比，（）：【】，捌协帕峨，李忻聂在平：男，年生，博士生，研究新一代无线通信技术以及新型天线与分集技术男，年生教授，博士生导师，主要从事电磁辐射、散射与逆散射研究 天线阵列方位对MIMO无线信道性能的影响作者：李忻， 聂在平， Li Xin， Nie Zai-ping作者单位：电子科技大学电子工程学院,成都,610054刊名：电子与信息学报 英文刊名：JOURNAL OF ELECTRONICS & INFORMATION TECHNOLOG

19、Y年，卷(期：2005，27(9引用次数：3次参考文献(16条1. Wolniansky P W. Foschini G J. Golden G D. Valenzuela R A V-BLAST:An architecture for realizing veryhigh data rates over the rich-scattering wireless channels 19982. Kermoal J P. Schumacher L. Mogensen P E. Pedersen K I Experimental investigation of correlationproper

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