CN104717024B - 一种天线对mimo系统性能影响的评估方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种天线对MIMO系统性能影响的评估方法及装置，包括：获得天线特性参数，并根据所述天线特性参数生成信道系数；根据所述信道系数生成信道矩阵；根据所述信道矩阵计算MIMO系统的容量。本发明通过提供一种天线对MIMO系统性能影响的评估方法及装置，通过考虑了天线特性和信道特性采用散射体三维分布，符合实际传播环境，从而使得计算获得MIMO系统的容量为较为确切的天线对MIMO系统性能影响的评估值。

Description

一种天线对MIMO系统性能影响的评估方法及装置

技术领域

本发明涉及移动通信技术领域，特别涉及一种天线对MIMO（Multi-input Multi-output，多输入多输出）系统性能影响的评估方法及装置。

背景技术

MIMO系统通过在发射端和接收端配置多根天线，采用先进的无线传输与信号处理技术，利用无线信道的多径传播特点，充分开发了空间资源，建立空间并行传输信道，在不增加带宽和发射功率的情况下，可以成倍提高无线通信的数据速率和传输的可靠性。MIMO系统性能主要取决于实际的传播环境和天线的特性。MIMO系统利用无线信道的多径传播，建立空间并行传输通道，通过空时联合处理提高通信系统的容量与可靠性，然而决定空时处理性能的关键因素在于信道特性，研究表明，如果传播环境中散射不够丰富或天线单元间距小，多径衰落存在相关性，信道矩阵非满秩，将严重影响系统性能。因此，理论研究过程中需要开发满足实际信道条件的无线信道模型。

MIMO信道主要的特点在于多径传播的空间特性，主要包括散射体分布、角度扩展、发射端的平均去波角、接收端的平均达波角、发射端和接收端的多天线配置以及多普勒扩展等。传统的MIMO信道模型有“one-ring”、“two-ring”及其改进的信道模型，如图1所示，为描述信道矩阵的“one-ring”模型。

“one-ring”模型用于基站（BS）位置较高、周围没有环境散射体，而用户端（UE）被大量散射体环绕的无线通信系统中。该模型中包含的参数分别有：BS到UE端的距离D、散射环的半径R、基站端的到达角Θ以及天线阵排列情况。基站天线入射波角度范围为[Θ-Δ,Θ+Δ]，其中Δ是入射波的角度扩展。一般认为D和R远远大于天线单元间距，所以有

本质上，“one-ring”模型属于射线追踪模型，假设在接收端有K个有效的散射体S(θ_k),k＝1,2,…,K，则发射天线TA_p和接收天线RA_l之间的归一化的复路径增益可表示为：

（1）

其中，D_X-Y表示X到Y的距离，λ为波长。另外，根据中心极限定理，由图1所示模型得到的信道系数H_l,p服从即零均值单位方差的循环对称复高斯随机变量。

为了评估天线特性对MIMO系统容量的影响，传统的基于“one-ring”模型研究了天线相关性。将信道矩阵H的每一列堆叠在一起，得到一个n_Rn_T×1的列向量vec(H)，即其中h_i为n_R×1的列向量，则可得到，

于是，信道H的协方差矩阵可用向量vec(H)的协方差矩阵表示为cov(vec(H))＝E(vec(H)vec(H)^*)，*表共轭转置。其中H_l,p和H_m,q之间的协方差为，

如果用户端天线之间的距离足够大，即可认为用户端接收天线之间是相互独立的，那么信道矩阵H每一列中的各元素之间是不相关的，而每一行元素之间协方差矩阵为Ψ，其中由此可得到信道H的协方差矩阵 表示克罗内克乘积。当用户作为发射端时，信道H的协方差矩阵可写成同时考虑收发两端相关特性，信道的相关矩阵可写成则可认为信道矩阵H的统计特性与AH_wB^*相同，其中H_w是包含独立同零均值单位方差循环对称复高斯分布元素，AA^*＝Ψ^R，(BB^*)^′＝Ψ^T。

发射时采用平均功率分配算法，则点对点MIMO系统的容量为，

将H＝AH_wB^*代入上式即可分析天线相关性对系统容量的影响。

上述分析天线特性参数对MIMO系统容量的影响过程中，假设了散射体分布在二维平面内。然而在实际的移动通信环境中，例如城市微小区环境，接收端和发射端都包含了大量的散射体，并且散射体是分布在三维平面内，在考虑散射体的水平方位角的同时还需要考虑仰角分布等问题，因此，天线对MIMO系统性能影响的评估方法不确切。

发明内容

（一）解决的技术问题

本发明解决的技术问题是：如何通过考虑仰角分布等问题，提供一种天线对MIMO系统性能影响的确切的评估方法。

（二）技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种天线对MIMO系统性能影响的评估方法，包括：

获得天线特性参数，并根据所述天线特性参数生成信道系数；

根据所述信道系数生成信道矩阵；

根据所述信道矩阵计算MIMO系统的容量。

优选地，所述根据所述信道系数生成信道矩阵，具体包括：根据所述信道系数计算空间信道协方差矩阵；并根据所述空间信道协方差矩阵生成信道矩阵。

优选地，设收发端均有L条路径，则各个路径上的增益需满足：

其中，g_l为在接收端为u和发射端为v时第l条子路径复增益。

优选地，每条路径对应的相位偏移在区间（0,2π）上服从独立同均匀分布的随机变量。

本发明还提供了一种天线对MIMO系统性能影响的评估装置，包括：

获取模块，用于获得天线特性参数，并将天线特性参数传输给生成模块；

所述生成模块，用于根据所述天线特性参数生成信道系数，并根据所述信道系数生成信道矩阵，将生成的信道矩阵传输给计算模块；

所述计算模块，用于根据所述信道矩阵计算MIMO系统的容量。

优选地，

所述计算模块，还用于根据所述信道系数计算空间信道协方差矩阵，并将空间信道协方差矩阵传输给生成模块；

所述生成模块，还用于根据所述空间信道协方差矩阵生成信道矩阵。

优选地，设收发端均有L条路径，则各个路径上的增益需满足：

其中，g_l为在接收端为u和发射端为v时第l条子路径复增益。

优选地，每条路径对应的相位偏移在区间（0,2π）上服从独立同均匀分布的随机变量。

（三）有益效果

本发明通过提供一种天线对MIMO系统性能影响的评估方法及装置，通过考虑了天线特性和信道特性采用散射体三维分布，符合实际传播环境，从而使得计算获得MIMO系统的容量为较为确切的天线对MIMO系统性能影响的评估值。

附图说明

图1是背景技术提供的“one-ring”模型示意图；

图2是本发明实施例1提供的方法流程图；

图3是本发明实施例2提供的点对点MIMO模型示意图；

图4是本发明实施例3提供的装置结构示意图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

实施例1：

为了解决现有技术中天线对MIMO系统性能影响评估的不确切性，本发明第一个实施例提供了一种天线对MIMO系统性能影响的评估方法，该方法流程图如图2所示，该方法包括：

步骤201：获得天线特性参数，并根据所述天线特性参数生成信道系数；

步骤202：根据所述信道系数生成信道矩阵；

步骤203：根据所述信道矩阵计算MIMO系统的容量。

本发明通过考虑了天线特性和信道特性采用散射体三维分布，符合实际传播环境，从而使得计算获得MIMO系统的容量为较为确切的天线对MIMO系统性能影响的评估值。

实施例2：

为了详细说明实施例1的方案，本发明第二个实施例提供了一种天线对MIMO系统性能影响的评估方法，如图3所示为本发明实施例提供的点对点MIMO模型示意图，考虑一个点对点的M×N的MIMO系统，假设收发两端没有直射路径。发射端是固定而接收端是移动的，其各自所对应的坐标系为O_B和O_M。

信道的输入输出可以表示为：

y＝Hx+n （5）

其中，y∈C^N×1接收信号矢量，x∈C^M×1是发射信号矢量，n∈C^N×1是零均值复高斯随机噪声矢量。H是N×M的信道系数矩阵，其元素h_pm表示第m根发射天线到第p根接收天线之间的信道系数，通常假设为一个零均值的随机变量。如图3所示，我们假设收发两端有L条路径，则信道系数h_pm可被写成如下形式，

（6）

式中，E_r,pθ(Ω_r)，E_r,pφ(Ω_r)分别是第p根接收天线辐射方向图的θ分量和φ分量。同样，E_t,mθ(Ω_t)，E_t,mφ(Ω_t)分别是第m根发射天线辐射方向图的θ分量和φ分量。g_l和Φ_uv,l分别表示在接收端为u和发射端为v时第l条子路径复增益和相位偏移。γ_h和γ_v分别为水平交叉极化比（XPR）和垂直交叉极化比的倒数，χ是同极化比（CPR）的倒数。τ_mp,l表示天线m和p之间第l条子径的时延，可写成，

式中，c为光速，τ_l表示从O_B到O_M的时延，表示在发射端坐标系中第m根发射天线的位置矢量，同理表示在接收端坐标系中第p根发射天线的位置矢量。Ω_AOD,l和Ω_AOA,l分别为第l条子路径离开方向和到达方向上的单位矢量。为天线m和p之间第l条子径的多普勒频移。

另外，一般假设各径上的增益满足，

每一径所对应的相位偏移Φ_uv,l是在区间(0,2π)上服从独立同均匀分布的随机变量，

Φ_uv,l～i.i.d U(0,2π) （10）

计算空间信道协方差矩阵R中的元素，

（11）

式中不同子路径不相关，由于L→∞，上式可以写成积分的形式，

p_r(Ω_r)p_t(Ω_t)dΩ_rdΩ_t

（12）

式中p_r(Ω_r)和p_t(Ω_t)分别是离开角和到达角的概率密度函数。

根据上述分析，信道矩阵H可写为，

H＝vec^-1((Λ^1/2RΛ^1/2)^1/2vec(H_w)) （13）

式中，R为协方差矩阵，其中的元素已由式（11）-（12）给出；Λ为天线的效率矩阵，

对于天线效率计算，在多天线的情况下，假设天线i获得的功率为P_i，由于天线不匹配造成的反射功率为P_i|S_ii|²，由于天线单元之间的互耦，耦合到其它天线上的功率（被相邻的天线所吸收的功率）为再考虑到天线的辐射效率，则可都得到天线的效率为，

式中，η_i为天线i的辐射效率。

综上，将式（13）代入式（4）就可以评估出天线特性对MIMO系统性能的影响。

其中，

式中，N,M分别表示接收端和发射端散射体的个数，定义为接收端的散射体i生成的先验概率，定义为发射端的散射体j生成的先验概率。

其中，Ω,Ω₀是散射体的方向和平均方向，由方位角和仰角决定，且ζ是集中度参数，用来描述在均值周围的散射体扩展，

E(γ_v)、E(γ_h)、E(χ)分别由式（18）计算，γ_v,γ_h,χ分别对应不同的μ,σ²，由不同的信道场景决定。

由式（11）-式（15）计算出信道矩阵，从而由式（4）可评估天线特性参数对MIMO系统容量的影响。

本发明提出的天线对MIMO系统性能影响的评估方法，综合考虑了信道特性和天线特性，相对于传统方案，采用的散射体三维分布为VMF分布，更加符合实际传播环境，天线结构形式适用于任意的天线布局和不同的极化配置，相关性分析中全面地考虑了天线方向图、天线效率和天线散射系数等参数的影响。

实施例3

本发明第三个实施例还提供了一种天线对MIMO系统性能影响的评估装置，如图4所示，包括：

获取模块401，用于获得天线特性参数，并将天线特性参数传输给生成模块；

所述生成模块402，用于根据所述天线特性参数生成信道系数，并根据所述信道系数生成信道矩阵，将生成的信道矩阵传输给计算模块；

所述计算模块403，用于根据所述信道矩阵计算MIMO系统的容量。

进一步的，

所述计算模块，还用于根据所述信道系数计算空间信道协方差矩阵，并将空间信道协方差矩阵传输给生成模块；

所述生成模块，还用于根据所述空间信道协方差矩阵生成信道矩阵。

进一步的，设收发端均有L条路径，则各个路径上的增益需满足：

其中，g_l为在接收端为u和发射端为v时第l条子路径复增益。

进一步的，每条路径对应的相位偏移在区间（0,2π）上服从独立同均匀分布的随机变量。

本发明实施例通过考虑了天线特性和信道特性采用散射体三维分布，符合实际传播环境，从而利用计算模块使得计算获得MIMO系统的容量为较为确切的天线对MIMO系统性能影响的评估值。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (6)

1.一种天线对MIMO系统性能影响的评估方法，其特征在于，包括：

获得天线特性参数，并根据所述天线特性参数生成信道系数；

根据所述信道系数生成信道矩阵；

根据所述信道矩阵计算MIMO系统的容量；

其中，所述根据所述信道系数生成信道矩阵，具体包括：根据所述信道系数计算空间信道协方差矩阵；并根据所述空间信道协方差矩阵生成信道矩阵。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，设收发端均有L条路径，则各个路径上的增益需满足：

$\underset{L\→\mathrm{\∞}}{lim}\frac{1}{L}\underset{l=1}{\overset{L}{\Σ}}E\left\{g_l^2\right\}=1,$

其中，g_l为在接收端为u和发射端为v时第l条子路径复增益。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，每条路径对应的相位偏移在区间(0,2π)上服从独立同均匀分布的随机变量。

4.一种天线对MIMO系统性能影响的评估装置，其特征在于，包括：

获取模块，用于获得天线特性参数，并将天线特性参数传输给生成模块；

所述生成模块，用于根据所述天线特性参数生成信道系数，并根据所述信道系数生成信道矩阵，将生成的信道矩阵传输给计算模块；

所述计算模块，用于根据所述信道矩阵计算MIMO系统的容量；

所述计算模块，还用于根据所述信道系数计算空间信道协方差矩阵，并将空间信道协方差矩阵传输给生成模块；

所述生成模块，还用于根据所述空间信道协方差矩阵生成信道矩阵。

5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，设收发端均有L条路径，则各个路径上的增益需满足：

$\underset{L\→\mathrm{\∞}}{lim}\frac{1}{L}\underset{l=1}{\overset{L}{\Σ}}E\left\{g_l^2\right\}=1,$

其中，g_l为在接收端为u和发射端为v时第l条子路径复增益。

6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，每条路径对应的相位偏移在区间(0,2π)上服从独立同均匀分布的随机变量。