天线阵列布局对大规模MIMO系统信道容量的影响-

大规模MIMO系统信道容量的影响因素本文研究了大规模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并响[1,2,3]。这些文献给出了存在空间相关时MIMO信道容量的计算表达式和结果，文献容量的下降。所以信道矩阵的空域相关性是影响信道容量的重要因素，高度相关性会降低2空间信道模型均匀分布。由于发射天线和接收天线周围散射体的不同导致信号经过不同的衰落到达不同位置的接收天线，天线所处的位置不同会导致接收信号的幅度不同，用角度功率谱(PAS)谱来描述不同到达角度的来波功率，角度扩散会导致信道的空间选择性衰落。到达角定义为射线与阵列法线的夹角，如图1所示，图1天线接收散射信号示意图典型的角度功率谱有均匀分布、高斯分布和拉普拉斯分布。达波角服从均匀分布。是平均到达角度，△是角度扩散(AS)的范围。高斯分布描述角度扩散的程度：拉普拉斯分布Q=1/L-exp(-定义如图2所示3空间相关性下面研究不同PAS模型下电压相关系数与天线之间归一化间距的关系。图3显示了三比较三条曲线可以发现，拉普拉斯分布下的相关系数的震荡要宽一些，下降趋势也缓慢。图4表明对于相同的天线间隔，均匀分布下，相关系数的实部R随角度扩散范围△的增大而减小。图5显示了高斯分布下，相关系数实部R,.随着角度扩展σ的的增大而减小。以上两幅图表明天线所处的散射环境散射越丰富，空间相关性越小。图6显示了拉普拉斯分布下，|随着平均到达角的增大而增大。为了减小空域相关性，应该减小名，调整天线阵列方位，尽量使平均来波方向平行于阵列的法线方向[8]。在本文的信道模型中，空域相关性的计算与天线的移动方向没有关系，运动方向只会对4不同天线布局下的信道容量服从瑞利衰落的N×M的MIMO信道矩阵H,信道容量为是随机变量，所以C也是随机变量，从统计意义上对随机变量的容量求均值，定义遍历信道容量9是天线布局的函数。将天线排布限制在直径相同的圆内，即任意两个天线之间的间距的最大值相同，下面考虑两种天线布局的遍历信道容量。第一种是天线排布在几何图形的外围轮廓上，第二种是天线均匀分布在所几何图形覆盖的区域上。A天线排布在外围图7接收天线分布在外围考虑三种几何图形，天线均匀分布在直线、圆形和椭圆形的圆周上，如图7所示。图8显示了128×128MIMO天线在p=20dB,△=π均匀分布时的遍历信道容量。当最大间距d趋于0时，多根天线汇聚成单根天线，不同的天线布局之间的差异减小，信道容量也趋于一致；当最大间距d逐渐增大时，天线间的相关性减弱，信道容量趋于天线间相互独立时的信道容量。圆阵的容量大于椭圆阵大于线阵。图9表明了信道容量随角度扩散范围△的增大而增大，这是因为相关性随△的增大而减弱了。图10表明了信道容量随角度展σ的增大而增大，这是因为相关性随σ的增大而减弱了。圆阵增大的幅度大于椭圆阵，大于线阵。信道容量还会随着平均到达角名的变化而变化。图11显示了来波到达天线的侧射方向(BS)和端射方向(EF)(即%=0°,名=90°)三种天线布局的遍历信道容量随信噪比的变化。天线间的最大间距d=10。圆阵的信道容量最大，且侧射方向和端射方向的信道容量曲线重合，因为圆阵是中心对称图形，对到达角的方向并没有选择性。椭圆阵和线阵在到达角为端射方向的信道容量都要小于侧射方向的，这是因为前面分析过的随着到达角的增大，空域相关性增大，所以信道容量减小。线阵从到达角为端射方向到侧射方向下降的信道容量比椭圆阵下降的幅度更大，这是因为线阵的几何图形不如椭圆阵更加中心对称，相关性的变化更剧烈，对到达角的选择性也更高。B天线排布轮廓所围成的区域内图12考虑三种布局，如图12所示，天线分布在圆盘、正方形和矩形上。图13是d/λ图13布在圆圈上和圆盘内的信道容量，从图14可以发现两者相差不大，圆盘略大于圆圈。容量图15表示在天线间最大间距为d/λ=10,p=20dB随着天线数目的增大，各种天线布局的信道容量也随之增大，天线数目小于90时圆阵信道容量增大的幅度最大，其次是圆本文研究了存在空域相关性的MIMO信道的信道容量，考虑了天线间距、角度扩展、天线阵列方位、天线布局对空域相关性的影响，随着相关系数的增大，信道容量会降低。空域相关性取决于天线的布局和所处的散射环境。仿真结果表明在相同的天线孔径下，圆阵具信道容量越大。天线排列在圆周上和排列在圆周围成的区域内信道容量相差不大。[3]SaeedMA,AliBM,IsmailM,etal.Effectsofspatialcorrelationandassociatedparameterson2007,27(4):290-294.[5]ForenzaA,HeathRW.ImpactofantennageometryonMIMOcommunicationinindoorclusteredchannels[C]//AntennasandPropagationSocietyInternationalSymposium,2004.IEEE.IEEE,2004,2:1700-1703.[6]SohulMM.ImpactofAntennaarrayGeometryontheCapacityofMIMOCommunicationSystem[C]//ElectricalandComputerEngineering,2006.ICECE'06.InternationalConferenceon.IEEE,2006:80-83.[8]LiX,NieZ.EffectofarrayorientationonperformanceofMIMOwirelesschannels[J].AntennasandWirelessPropagationLetters,IEEE,2004,3(1):368-371.[9]Paulraj,Arogyaswami,RohitNabar,andDhananjayGore.Introductiontospace-timewirelesscommunications.Cambridgeuniversitypress,2003.[10]ErtelRB,CardieriP,SowerbyKW,etal.Overvi