CN105896102B - 适用于毫米波los mimo的子阵列天线结构及设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于LOS MIMO的子阵列天线结构及设计方法，发射端采用由相移器组成天线子阵列的阵列发射结构，接收端既可以采用与发射端对称的定向接收结构，也可以采用非对称的全向接收结构。该设计方法通过理论计算得出满足这一要求的归一化天线子阵列间隔条件，实现点对点LOS MIMO通信中射频等效信道的最大有效自由度，并对有效自由度的上下限进行了合理的估计。与现有非阵列天线结构相比，此方案考虑了非对称和对称天线子阵列两种情况，既能提供阵列增益，又能在多径缺失的信道环境下保证一定的空间复用增益。

Description

适用于毫米波LOS MIMO的子阵列天线结构及设计方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，涉及到一种毫米波视距(Line Of Sight，LOS)多输入多输出(Multiple Input Multiple Output，MIMO)通信中的子阵列天线结构及设计方法。

背景技术

随着用户的无线设备数量迅速增加，对数据速率的需求也不断膨胀，导致现有无线频率出现频谱危机。毫米波在支持极高数据速率的无线通信方面占据独特的资源优势。结合MIMO技术可以利用高维信号空间通过不同的天线并行传输多个独立的数据流，在不增加额外带宽和发射功率的条件下使用空间复用技术提高频谱效率。

低成本的半导体硅工艺和锗化硅毫米波集成电路研究方面的最新突破在一定程度上保证了毫米波通信的可行性，但是毫米波信号独特的传播特性使部分通信技术的使用受到限制。主要表现在两个方面，第一，路径损耗大导致传播距离小，目前的应用主要集中在室内；第二，毫米波信道的稀疏散射特性导致多径效应不明显，LOS成分占主导地位，很难发挥MIMO技术的优势。802.11ad标准已经提出了使用阵列天线和波束成型技术增强发射和接收波束的方向性，用阵列增益弥补部分路径损耗，但是只能传输单个数据流。

在毫米波通信系统中，为了同时获得阵列增益和空间复用增益，需要对天线的摆放结构进行精心的设计。本发明提出一种适用于毫米波LOS MIMO中的子阵列天线结构及设计方法，发射端采用由相移器组成天线子阵列的阵列发射结构，而接收端使用与发射端对称的定向接收结构或非对称的全向接收结构。

发明内容

发明目的：针对现有技术的不足，本发明提出了一种适用于毫米波LOS MIMO通信系统的子阵列天线结构及设计方法，该方法的优化准则清晰明确，能最大化射频等效信道的有效自由度，估计出的有效自由度上下限为底层系统方案设计提供重要的参考信息。

技术方案：一种适用于毫米波LOS MIMO的子阵列天线结构，发射端采用由相移器组成天线子阵列的阵列发射结构，包括至少两个发射子阵列，每个子阵列包括由至少两根天线组成的线阵，每根天线单独与一个相移器相连接，每个子阵列中的天线由同一个射频链路驱动，相邻两子阵列之间的间距大于子阵列内相邻两天线的间距；接收端采用与发射端对称的定向接收结构或非对称的全向接收结构。该设计方案可以实现最大化有效自由度，优化结果表明接收端采用与发射端对称的定向接收结构时，发射子阵列的间隔和接收子阵列的间隔之积与通信距离、信号波长成正比，与子阵列的数目成反比；接收端采用与发射端不对称的全向接收结构，发射子阵列的间隔和接收天线的间隔之积与通信距离、信号波长成正比，与发射子阵列或接收天线的数目成反比。

具体设计时，上述天线结构的具体设计方法包括如下步骤：

(1)发射端采用由相移器组成天线子阵列的阵列发射结构，有N_t根发射天线，平均分配给N个发射子阵列，即N_t＝PN，其中P表示每个子阵列的天线数，子阵列内天线的间距为d_t，前一个发射子阵列的最后一根天线与后一个发射子阵列的第一根天线的间距为D_t，前一个发射子阵列的第一根天线与后一个发射子阵列的第一根天线的间距为发射子阵列间隔L_t＝(N-1)d_t+D_t；

(2)接收机采用对称的定向接收结构(以接收机采用对称的定向接收为例进行结构设计，非对称的全向接收结构设计可以直接运用对称情况下的结论)，有N_r根接收天线，平均分配给M个接收子阵列，即N_r＝QM，其中Q表示每个子阵列的天线数，子阵列内天线的间距为d_r，前一个接收子阵列的最后一根天线与后一个接收子阵列的第一根天线的间距为D_r，前一个接收子阵列的第一根天线与后一个接收子阵列的第一根天线的间距为接收子阵列间隔L_r＝(M-1)d_r＋D_r。

(3)发射天线阵列和接收天线阵列平行放置，并且假设通信距离R远大于发射天线间距和接收天线间距，第n(n＝0,1,…,N-1)个发射子阵列中第p(p＝0,1,…,P-1)根天线与第m(m＝0,1,…,M-1)个接收子阵列中第q(q＝0,1,…,Q-1)根天线之间的距离r_mQ+q,nP+p和LOS信道响应h_mQ+q,nP+p分别表示为

其中，λ表示信号波长。

用子阵列内的天线提供阵列增益，一般取d_t＝d_r＝λ/2。为获得最大有效自由度，应使n₁≠n₂(n₁,n₂∈{0,1,…,N-1})时有其中表示第n个发射子阵列中第p根天线到所有接收天线的信道响应矢量，[·]^T表示转置。将公式1和公式2代入计算，可以得到子阵列间隔L_t、L_r、子阵列数N、M和信号波长λ、通信距离R之间应满足如下关系：

称为归一化子阵列间隔积。

接收端采用与发射端不对称的全向接收结构时，接收天线数N_r＝M，Q＝1，相邻两根接收天线间距D_r，相应的设计准则调整为：

根据有效自由度的定义，当发射端天线间距和接收端天线间距都取为0时，等效为一根发射天线和一根接收天线的系统，有效自由度取得最小值；当子阵列天线的间隔满足公式3或公式4时，各个子阵列天线之间互不相关，有效自由度取得最大值。在平均信噪比为γ的条件下，对有效自由度的上下限估计为：

其中，V＝max(N,M)。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下优点：第一，本发明对毫米波LOSMIMO中子阵列天线结构的设计准则是最大化有效自由度，比最大化容量或信噪比更加具有实际意义，结合有效自由度的上下限估计值，相关科技人员可以为实际系统选择一个合理的数据流数目；第二，本发明的设计既适用于对称的子阵列天线定向发射和定向接收结构，又适用于非对称的定向发射和全向接收结构；第三，本发明中基于LOS MIMO的天线子阵列结构，既能提供阵列增益，又能在多径缺失的信道环境下保证一定的空间复用增益，因此适用于毫米波通信；第四，本发明中子阵列天线结构设计结果具有很强的鲁棒性，以致在LOSMIMO系统中对通信距离变化、载波频率偏移的敏感度较小，有效地保证了系统的稳定性。

附图说明

图1为本发明中毫米波LOS MIMO对称子阵列天线结构示意图；

图2为本发明中毫米波LOS MIMO非对称子阵列天线结构示意图；

图3为本发明实施例中有效自由度随归一化子阵列间隔积变化的仿真图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，结合附图进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

本发明实施例公开的一种适用于毫米波LOS MIMO信道的子阵列天线结构，发射端采用由相移器组成天线子阵列的阵列发射结构，每根天线单独与一个相移器相连接，一定数量的天线组成一个发射子阵列，每个子阵列中的天线由同一个射频链路驱动，各子阵列之间有一较大的间距以保持各个射频链路之间的独立性，子阵列内的天线之间保持较小的天线间距以提供一定的阵列增益；接收端采用与发射端对称的定向接收结构或非对称的全向接收结构。该天线结构设计方案可以实现最大化有效自由度，优化结果表明发射子阵列和接收子阵列的互间隔之积与通信距离、信号波长成正比，而与子阵列的数目成反比。下面以具体实例来说明本发明天线结构的具体设计过程，包括如下内容：

如图1所示，发射端采用由相移器组成天线子阵列的阵列发射结构，有N_t＝32根发射天线，平均分配给N＝4个发射子阵列，即N_t＝PN，其中P＝8表示每个子阵列的天线数，子阵列内天线的间距为d_t，前一个发射子阵列的最后一根天线与后一个发射子阵列的第一根天线的间距为D_t，前一个发射子阵列的第一根天线与后一个发射子阵列的第一根天线的间距为发射子阵列间隔L_t＝7d_t＋D_t；以接收机采用对称的定向接收为例进行结构设计，非对称的全向接收结构设计可以直接运用对称情况下的结论，有N_r＝32根接收天线，平均分配给M＝4个接收子阵列，即N_r＝QM，其中Q＝8表示每个子阵列的天线数，子阵列内天线的间距为d_r，前一个接收子阵列内最后一根天线与后一个接收子阵列内第一根天线的间距为D_r，前一个接收子阵列的第一根天线与后一个接收子阵列的第一根天线的间距为接收子阵列间隔L_r＝7d_r+D_r。其它参数见表1。支持不同通信距离、不同载波频率和不同天线数及子阵列结构的场景可以修改本实施例中的例子得到。

表1仿真参数设置

参数	通信距离	载波频率	平均信噪比
				取值	100m	45GHz	-10dB

具体实施方式如下：

发射天线阵列和接收天线阵列平行放置，并且假设通信距离R＝100m远大于发射天线间距和接收天线间距，第n(n＝0,1,2,3)个发射子阵列中第p(p＝0,1,…,7)根天线与第m(m＝0,1,2,3)个接收子阵列中第q(q＝0,1,…,7)根天线之间的距离r_8m+q,8n+p和LOS信道响应h_8m+q,8n+p分别表示为

其中，λ≈6.7mm表示信号波长。

用子阵列内的天线提供阵列增益，一般取d_t＝d_r＝λ/2。为获得最大有效自由度，应使n₁≠n₂(n₁,n₂∈{0,1,2,3})时有其中h_8n+p＝[h_0,8n+p,h_1,8n+p,…,h_31,8n+p]^T表示第n个发射子阵列中第p根天线到所有接收天线的信道响应矢量，[·]^T表示转置。将公式6和公式7代入计算，可以得到子阵列间隔L_t、L_r和信号波长λ之间应满足如下关系：

称为归一化子阵列间隔积。

如图2所示，接收端采用与发射端不对称的全向接收结构时，接收天线数N_r＝M＝4，Q＝1，相邻两根接收天线间距D_r，相应的设计准则调整为：

根据有效自由度的定义，当发射端天线间距和接收端天线间距都取为0时，等效为一根发射天线和一根接收天线的系统，有效自由度取得最小值；当子阵列天线的间隔满足公式8时，各个子阵列天线之间互不相关，有效自由度取得最大值。在平均信噪比为-10dB的条件下，对有效自由度的上下限估计为：

0.9624＝EDOF_min≤EDOF≤EDOF_max＜3.4595 (公式10)

为了说明本发明对毫米波LOS MIMO中子阵列天线结构设计方法的科学性和准确性，本发明实施例还提供了发射端采用由相移器组成天线子阵列的阵列发射结构且接收端采用与发射端对称的阵列接收结构时有效自由度EDOF随归一化子阵列间隔积L_tL_r/λR变化的仿真曲线图。从图3中可以看出，有效自由度变化曲线的第一个最大值点位于处，与公式8的计算结果一致，整条曲线上有效自由度的最小值略小于1，最大值略小于3.5，与公式10得出的结果一致。

Claims (5)

1.一种适用于毫米波LOS MIMO的子阵列天线结构，其特征在于，发射端采用由相移器组成天线子阵列的阵列发射结构，包括至少两个发射子阵列，每个子阵列包括由至少两根天线组成的线阵，每根天线单独与一个相移器相连接，每个子阵列中的天线由同一个射频链路驱动，相邻两子阵列之间的间距大于子阵列内相邻两天线的间距；接收端采用与发射端对称的定向接收结构或非对称的全向接收结构；发射端将所有发射天线平均分配给各发射子阵列；

接收端采用与发射端对称的定向接收结构时，发射子阵列的间隔L_t和接收子阵列的间隔L_r满足如下关系：其中，λ表示信号波长，R表示通信距离，N和M分别表示发射子阵列数目和接收子阵列数目；

接收端采用与发射端不对称的全向接收结构时，发射子阵列的间隔L_t和接收天线的间隔D_r满足如下关系：其中，N_r表示接收天线数目。

2.根据权利要求1所述的适用于毫米波LOS MIMO的子阵列天线结构，其特征在于，接收端采用与发射端对称的定向接收结构时，发射子阵列中相邻天线的间距与接收子阵列中相邻天线的间距相同，取值为信号波长的一半。

3.一种根据权利要求1所述的适用于毫米波LOS MIMO的子阵列天线结构的设计方法，其特征在于，包括：

(1)发射端采用由相移器组成天线子阵列的阵列发射结构，将N_t根发射天线，平均分配给N个发射子阵列，其中，每个子阵列的天线数为P，子阵列内天线的间距为d_t，前一个发射子阵列的最后一根天线与后一个发射子阵列的第一根天线的间距为D_t，前一个发射子阵列的第一根天线与后一个发射子阵列的第一根天线的间距为发射子阵列间隔L_t＝(N-1)d_t+D_t；

(2)接收端采用与发射端对称的定向接收结构，将N_r根接收天线，平均分配给M个接收子阵列，其中，每个子阵列的天线数为Q，子阵列内天线的间距为d_r，前一个接收子阵列的最后一根天线与后一个接收子阵列的第一根天线的间距为D_r，前一个接收子阵列的第一根天线与后一个接收子阵列的第一根天线的间距为接收子阵列间隔L_r＝(M-1)d_r+D_r；

(3)设发射天线阵列和接收天线阵列平行放置，通信距离R远大于发射天线间距和接收天线间距，取d_t＝d_r＝λ/2；根据如下关系对子阵列间隔L_t、L_r、子阵列数N、M进行设计：

4.一种根据权利要求1所述的适用于毫米波LOS MIMO的子阵列天线结构的设计方法，其特征在于，包括：

(1)发射端采用由相移器组成天线子阵列的阵列发射结构，将N_t根发射天线，平均分配给N个发射子阵列，其中，每个子阵列的天线数为P，子阵列内天线的间距为d_t，前一个发射子阵列的最后一根天线与后一个发射子阵列的第一根天线的间距为D_t，前一个发射子阵列的第一根天线与后一个发射子阵列的第一根天线的间距为发射子阵列间隔L_t＝(N-1)d_t+D_t；

(2)接收端采用与发射端不对称的全向接收结构，接收天线数为N_r，相邻两根接收天线间距为D_r；

(3)设发射天线阵列和接收天线阵列平行放置，通信距离R远大于发射天线间距和接收天线间距，取d_t＝λ/2；根据如下关系对相关参数进行设计：

5.根据权利要求3或4所述的适用于毫米波LOS MIMO的子阵列天线结构设计方法，其特征在于，所述设计方法能够最大化有效自由度，在平均信噪比为γ的条件下，有效自由度的上下限估计为：

其中，V＝max(N,M)，接收端采用与发射端不对称的全向接收结构时M＝N_r，Q＝1。