天線陣列布局對大規(guī)模mimo系統(tǒng)信道容量的影響_

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1、------------------------------------------------------------------------------------------------天線陣列布局對大規(guī)模MIMO系統(tǒng)信道容量的影響_2大規(guī)模MIMO系統(tǒng)信道容量的影響因素本文研究了大規(guī)模MIMO信道容量的影響因素。首先建立了空間衰落相關(guān)信道模型并研究了天線間隔、角度擴(kuò)展和天線陣列方位、天線布局對空域相關(guān)性的影響，研究了兩個(gè)天線間距對信道容量的影響，然后研究了幾種典型天線布局下的天線數(shù)目較大時(shí)的遍歷信道容量。仿真表明在相同的天線孔徑下，圓陣具有最佳的遍歷容量，均勻線陣具有最差的遍

2、歷容量，天線排列在圓周上和排列在圓周圍成的區(qū)域內(nèi)信道容量相差不大。1引言MIMO系統(tǒng)通過空間復(fù)用能夠提高信道容量和頻譜利用率。當(dāng)天線處于散射體豐富的環(huán)境中，天線數(shù)量的增加會使得信道容量隨之線性增加，因?yàn)樾诺揽梢钥闯啥鄠€(gè)并行的獨(dú)立子信道的合成。但事實(shí)上這些子信道并不是獨(dú)立的，射線經(jīng)過較少的散射、有限的角度擴(kuò)散以及較小的天線間距都會使信道產(chǎn)生空間相關(guān)。多天線系統(tǒng)信道容量和誤碼率性能在很大程度上取決于子信道之間的空間相關(guān)性，許多文獻(xiàn)研究了空間相關(guān)性及其參數(shù)對信道容量的影響[1，2，3]。這些文獻(xiàn)給出了存在空間相關(guān)時(shí)MIMO信道容量的計(jì)算表達(dá)式和結(jié)果，文獻(xiàn)[1]表明天線相關(guān)性的增加意味著系統(tǒng)

3、信噪比的減小，信道容量會降低，文獻(xiàn)[4]表明信道容量與信道傳輸矩陣的秩有關(guān)，接收信號的相關(guān)性的增加會降低信道傳輸矩陣的秩，導(dǎo)致信道容量的下降。所以信——————————————————————————————————————------------------------------------------------------------------------------------------------道矩陣的空域相關(guān)性是影響信道容量的重要因素，高度相關(guān)性會降低MIMO系統(tǒng)的性能。多天線的使用讓空域成了提高通信系統(tǒng)容量的新的來源。發(fā)射機(jī)和接收機(jī)端的天線之間的間隔與空域相關(guān)性

4、有很大的關(guān)系。隨著天線間距的增大，相關(guān)性也隨之增大，所以為了降低相關(guān)性應(yīng)盡量增大天線間距。然而發(fā)射天線和接收天線所能占有的空間是有限的。在一個(gè)有限的區(qū)域內(nèi)，不同的天線布局可能導(dǎo)致不同的天線相關(guān)性和不同的性能。文獻(xiàn)[5]研究了不同天線布局下的空域相關(guān)性，再由收發(fā)天線兩端相關(guān)系數(shù)矩陣和獨(dú)立復(fù)高斯矩陣構(gòu)成整個(gè)信道矩陣，建立相關(guān)信道模型，進(jìn)而求出信道容量。而文獻(xiàn)[6]沒有通過相關(guān)系數(shù)矩陣研究不同天線布局的信道容量，而是在信道矩陣中引入了陣列流型矢量，來研究不同的幾何陣列流形對對信道容量的影響，天線數(shù)目較少而且天線間距固定。本文首先建立了空間信道模型，該模型引入了角度功率譜和陣列流型矢量，然后

5、研究了天線布局對空域相關(guān)性的影響，最后研究了天線數(shù)目較多時(shí)天線布局對信道容量的影響。2空間信道模型到達(dá)接收天線的信號由多個(gè)平面波疊加而成，平坦衰落信道復(fù)增益可以表示為h?t??Kj?2?fmcos?kt??k?(1)e?1vK代表入射波的數(shù)目，fm?fc是最大多普勒頻移，fc是載波頻率，v是接收端移動(dòng)c——————————————————————————————————————------------------------------------------------------------------------------------------------速度，c是光速，?

6、k是第k條入射波的到達(dá)角，?k是第k條入射波的初始相位，服從?0,2??均勻分布。由于發(fā)射天線和接收天線周圍散射體的不同導(dǎo)致信號經(jīng)過不同的衰落到達(dá)不同位置的接收天線，天線所處的位置不同會導(dǎo)致接收信號的幅度不同，用角度功率譜(PAS)譜來描述不同到達(dá)角度的來波功率，角度擴(kuò)散會導(dǎo)致信道的空間選擇性衰落。到達(dá)角定義為射線與陣列法線的夾角，如圖1所示，圖1天線接收散射信號示意圖典型的角度功率譜有均勻分布、高斯分布和拉普拉斯分布。達(dá)波角服從均勻分布p????1，????0??,?0???(2)2??0是平均到達(dá)角度，?是角度擴(kuò)散(AS)的范圍。高斯分布?????0?2?1?，????0??,?

7、0???(3)p????Qexp??2??2?2????Q?1/erf?/2?是歸一化系數(shù)，erf???為誤差函數(shù)，?為角度擴(kuò)散的標(biāo)準(zhǔn)差，用來描述角度擴(kuò)散的程度:????拉普拉斯分布2?????p???d?(4)0?p????Q?12exp????0?2?????，????0??,?0???(5)??Q?1/1?exp?2?/?是歸一化系數(shù)。????考慮到天線周圍的散射體會對入射波造成角度擴(kuò)散而導(dǎo)致接收信號的功率不同，將PAS與信道模型結(jié)合[7]得到信道復(fù)