CN107231178B - 一种提高紧耦合mimo天线系统信道容量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高紧耦合MIMO天线系统信道容量的方法，克服现有MIMO通信技术中的不足。该方法对无线通信接收端负载阻抗进行优化，计算出最优负载阻抗，以此令传输到负载的能量最优，从而提高系统的信道容量，改善系统的性能。与现有技术相比，本发明针对未来通信中的大规模天线阵配置中可能存在的耦合效应，对接收天线端的负载进行优化设计，计算出最优的负载阻抗；相较于传统的不考虑天线耦合的特征阻抗负载，本发明提高了MIMO无线通信系统的信道容量，改善了系统的整体性能。

Description

一种提高紧耦合MIMO天线系统信道容量的方法

技术领域

本发明涉及一种提高紧耦合MIMO天线系统信道容量的方法，特别涉及一种提高两发两收的紧耦合MIMO天线系统信道容量的方法，属于无线通信领域。

背景技术

早期的无线通信系统中，发射机与接收机在各自的射频模块仅仅配置单副天线，这种通信系统通常被称作单输入单输出(SISO)系统。随着无线通信技术的不断发展，为了提高频谱利用效率以及改善系统的通信质量，在发射端与接收端同时采用多副收发天线配置的所谓MIMO技术应运而生。

与此同时，E.Telatar于1999年在European Transactions onTelecommunications上发表的论文Capacity of Multi-antenna Gaussian Channels和J.Foschini于1998年在Wireless Personal Communications上发表的论文On Limits ofWireless Communications in a Fading Environment when Using Multiple Antennas均从理论上证明了MIMO系统相比于传统MISO(多输入单输出)和SISO系统能够极大地提高系统的通信容量，也即是信道容量，故而这种新技术在3G以及4G中得到了广泛应用。

具体而言，MIMO技术之所以能够改善通信质量的原理在于：该技术将在传统观念上认为是弊端的多径衰落信号加以利用，也即充分利用空间环境的多径传播冗余度来提高数据吞吐量；同时MIMO技术也充分开发了空间域，利用空间分集技术以及空间复用技术，使得在不增加带宽及发射功率的情况下成倍地提高频谱效率。

传统MIMO技术能够获得空间分集增益的前提是：阵列中各天线之间的距离要相距足够远，以使得天线之间的发射或接收信号能够保证不相关。典型的基站侧部署MIMO天线阵元之间的距离有0.5波长、4波长和10波长三种；移动终端所配置的天线之间距离通常保持0.5波长，这些配置可使得天线之间具有较小的相关性，从而使得天线之间的信号保持一定的不相关性或者独立性。

不过，随着新一代无线网络的出现，在通信两端部署大量天线的要求被提了出来，故而需要在有限的空间中配置大量的天线单元，不可避免地使得天线间距被压缩到0.5波长以内，这将导致天线之间产生比较强的电磁耦合效应，影响系统最初设计性能。通常，传统的MIMO无线通信系统为分析问题的简化，都是假设天线之间不存在耦合效应的，因此在负载端配置的就是对应于无耦合状态的简单特征阻抗。然而，由于天线之间的互耦效应不仅改变了天线本身的自阻抗，同时也引入了阵元间的互阻抗，此时如果接收端负载仍保持传统的特征阻抗，那将使得收发天线端的阻抗特性与负载阻抗不匹配，进而导致不必要的能量损失，降低系统性能。

发明内容

为克服现有MIMO通信技术中的不足，本发明提供一种提高2发2收的紧耦合MIMO天线系统信道容量的方法。该方法对无线通信接收端负载阻抗进行优化，计算出最优负载阻抗，以此令传输到负载的能量最优，从而提高系统的信道容量，改善系统的性能。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

本发明提供一种提高紧耦合MIMO天线系统信道容量的方法，所述MIMO天线系统的发射端与接收端均有2个天线。该方法通过对接收天线端的负载进行优化，计算出最优负载阻抗，以实现传输到负载的能量最优，从而提高系统的信道容量；

所述接收端的天线阵列的阻抗矩阵为

且z₁₁＝z₂₂，z₁₂＝z₂₁，其中，

是第q个天线端口和第p个天线端口之间的转移阻抗，v_p是第p个负载上的接收电压，i_q是第q个支路上的电流，i_k是第k个支路上的电流，q＝1,2，p＝1,2，k＝1,2；

负载阻抗z_L的最优值为：

其中，R₁₁、X₁₁分别是z₁₁的实部、虚部；R₁₂、X₁₂分别是z₁₂的实部、虚部。

作为本发明的进一步技术方案，根据香农信道容量公式，系统的最优信道容量为：

其中，

是2阶单位矩阵，ρ是发射端信噪比，

是信道传输矩阵，(·)^H表示矩阵求共轭转置，

为空间相关性矩阵，

是空间信道传输矩阵。

作为本发明的进一步技术方案，空间信道传输矩阵

的元素服从均值为零、方差为1的复高斯分布。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：针对未来通信中的大规模天线阵配置中可能存在的耦合效应，对接收天线端的负载进行优化设计，计算出最优的负载阻抗，通过最优负载阻抗的设计实现最优信道容量；相较于传统的不考虑天线耦合的特征阻抗负载，本发明提高了MIMO无线通信系统的信道容量，改善了系统的整体性能。

附图说明

图1是2×2紧耦合MIMO系统接收端阵列互耦效应网络模型。

图2是接收端平行双偶极子的等效耦合电路模型。

图3是2×2天线之间距离不同时传统特征阻抗方法与本发明方法的容量对比图。

图4是2×2天线间距为0.2波长时在不同信噪比下传统特征阻抗方法与本发明方法信道容量对比图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

图1给出了2×2紧耦合MIMO系统接收端阵列互耦阻抗网络模型。假设接收端有2个天线，天线阵列的激励电压矢量为

v_sq(q＝1,2)是第q个天线阵元上的激励电压；

是天线阵列的阻抗矩阵，包括天线阵元间的自阻抗和互阻抗；

是接收端负载上的接收电压矢量，其中v_q(q＝1,2)是第q个负载上的接收电压；

是支路电流矢量，i_q(q＝1,2)是第q个支路上的电流；

是负载阻抗对角矩阵，diag(·)表示以括号中元素为对角元的对角矩阵，z_L是负载阻抗且假设所有支路上的负载均相同。根据电路原理的有关知识，可得到：

上述公式(1)中，

有z₁₁＝z₂₂，z₁₂＝z₂₁，其中，

表示第q个天线端口和第p个天线端口之间的转移阻抗，v_p是第p个负载上的接收电压，i_q是第q个支路上的电流，i_k是第k个支路上的电流，q＝1,2，p＝1,2，k＝1,2。

根据负载端的电压电流关系，可以得到：

将上述公式(2)代入公式(1)，经过简单数学运算可得接收端负载上的接收电压矢量

为：

上述公式(3)中，

表示2阶单位矩阵。

假设发射端天线阵列不存在相关性，也即是发射阵列相关系数为单位矩阵，那么根据Kronecker(克罗内克)信道分解模型，可将

写成：

上述公式(4)中，

为空间相关性矩阵；(·)^H表示矩阵求共轭转置；

是空间信道传输矩阵，其元素服从均值为零、方差为1的复高斯分布；

是发射天线阵列的发射电压矢量。将公式(4)代入公式(3)，可以得到：

从上述公式(5)可以看出，为了达到本发明提升系统容量的目的，需要对接收负载阻抗z_L进行优化设计。由于紧耦合MIMO系统中引入了阵元间耦合效应的影响，因此对负载阻抗的优化需要将天线的互耦效应考虑在内。

图2是以平行双偶极子为例，给出了接收端平行双偶极子的等效耦合电路图。图中，v_s1是第1个天线上的激励电压，i₁和i₂分别是第1条支路和第2条支路的电流，z_out是输出阻抗。根据电路理论，可以得到：

根据公式(6)，可以求得：

为了使功率更多地传输到负载端，要求满足

其中，(·)^*表示取共轭。那么，上述公式(7)可改写成：

对于对称的平行双偶极子，同样有z₁₁＝z₂₂，z₁₂＝z₂₁，同时令z_L＝R_L+jX_L，z₁₁＝R₁₁+jX₁₁，z₁₂＝R₁₂+jX₁₂，其中，R_L、X_L分别是z_L的实部和虚部；R₁₁、X₁₁分别是z₁₁的实部和虚部；R₁₂、X₁₂分别是z₁₂的实部和虚部；然后对公式(8)进行求解，可得到：

最终得到最优的负载阻抗为：

根据香农信道容量公式，可以得到系统的信道容量为：

其中由公式(5)可知

ρ是发射端信噪比；

是信道传输矩阵。将公式(11)求得的

代入公式(13)，再代入到公式(12)即可求得最优的系统信道容量。

图3是在2发2收MIMO系统中，传统特征阻抗匹配方法与本发明方法随天线之间距离变化的容量对比图；图4是天线间距为0.2波长时在不同信噪比下传统方法与本发明方法信道容量对比图。从图3可以看出，本发明方法相较于传统方法在不同天线间距时，信道容量均有不同程度的提高，而且随着天线间距的增大，本发明方法较传统方法所提高的信道容量增加值趋于稳定；从图4中可以看出，当天线间距为0.2波长时，信道容量随着信噪比的增加同样有不同程度的提高。因此本发明所提出的方法对提高信道容量具有重要作用。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种提高紧耦合MIMO天线系统信道容量的方法，所述MIMO天线系统的发射端与接收端均有2个天线，其特征在于，该方法通过对接收天线端的负载进行优化，计算出最优负载阻抗，以实现传输到负载的能量最优，从而提高系统的信道容量；

所述接收端的天线阵列的阻抗矩阵为

且z₁₁＝z₂₂，z₁₂＝z₂₁，其中，

是第q个天线端口和第p个天线端口之间的转移阻抗，v_p是第p个负载上的接收电压，i_q是第q个支路上的电流，i_k是第k个支路上的电流，q＝1,2，p＝1,2，k＝1,2；

负载阻抗z_L的最优值为：

其中，R₁₁、X₁₁分别是z₁₁的实部、虚部；R₁₂、X₁₂分别是z₁₂的实部、虚部。

2.根据权利要求1所述的一种提高紧耦合MIMO天线系统信道容量的方法，其特征在于，根据香农信道容量公式，系统的最优信道容量为：

其中，

是2阶单位矩阵，ρ是发射端信噪比，

是信道传输矩阵，(·)^H表示矩阵求共轭转置，

为空间相关性矩阵，

是空间信道传输矩阵。

3.根据权利要求2所述的一种提高紧耦合MIMO天线系统信道容量的方法，其特征在于，空间信道传输矩阵

的元素服从均值为零、方差为1的复高斯分布。

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