CN107275800A - 一种大规模mimo阵列的天线结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大规模MIMO阵列的天线结构，该结构中的天线单元数量较多，可达几十上百个，天线单元覆盖在圆盘上，每一层的天线单元均匀分布在圆周上。本发明天线结构旨在对大规模MIMO阵列的信道容量进行优化，分别从天线归一化间距、天线个数、信噪比、信号到达接收天线的角度扩散等因素考虑，与常见的矩形阵、方阵进行性能对比，本发明的天线结构优势及优点在于不同的信道环境下，其信道容量性能较好，并强于其他天线结构。

Description

一种大规模MIMO阵列的天线结构

技术领域

本发明涉及一种大规模MIMO阵列的天线结构，具体涉及一种大规模MIMO阵列的圆盘结构，属于阵列天线布局技术领域。

背景技术

随着低频频谱日益拥挤，人们将关注点转移至毫米波频段。由于毫米波波长达到毫米级别，因此可以在不占据更多空间的前提下，将传统MIMO天线数量大幅度增加，由几个天线增加到几十个上百个，形成大规模MIMO阵列结构。然而，在大规模MIMO阵列结构设计中，不同结构会具有不同的阵列流形，从而导致信道容量的差异。

当前，从天线归一化间距、信噪比、到达信号的角度扩展等方面考虑，基站天线阵列排布为方阵、矩形面阵情况下的信道容量性能已经得到普遍研究。虽然其信道容量相比较传统MIMO天线已经得到很大改善，但是仍然存在提高的空间。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种大规模MIMO阵列的天线结构，该结构是由相等数目的天线均匀分布在每一层的圆周上，在天线总数、每一层的天线数确定的情况下，可以确定天线结构的层数以及每一层圆周的半径，从而确定天线结构。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种大规模MIMO阵列的天线结构，包括多个半径不同的同心圆阵，各个圆阵包括相同数量的天线，这些天线均匀分布在对应圆阵的圆周上，相邻圆阵之间的间距相同。

作为本发明的一种优选方案，所述各个圆阵包括相同数量的天线，设为N_p，N_p为预先设定值。

作为本发明的一种优选方案，所述圆阵的半径为r_l，且

其中，l＝1,2,…,L，L为天线结构中所有圆阵的总层数，d为天线结构中最外层圆阵的直径。

作为本发明的一种优选方案，所述天线结构中，天线的总数量N＝N_p·L，其中，N_p为天线结构中各个圆阵的天线数量，L为天线结构中所有圆阵的总层数。

作为本发明的一种优选方案，所述天线结构中，天线的总数量与天线结构中所有圆阵的总层数之间为整除关系。

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：

1、本发明大规模MIMO圆盘阵列结构，具有较低的到达角选择性，能识别范围更广的来波信号。

2、本发明大规模MIMO圆盘阵列结构相较于方形、矩形阵列结构获得更好的信道容量。

3、本发明大规模MIMO圆盘阵列结构，为大规模MIMO阵列的研究增添新的阵列形式。

附图说明

图1是本发明大规模MIMO阵列的天线结构的布局示意图。

图2是现有大规模MIMO阵列结构布局示意图，其中，(a)为方形阵列、(b)为矩形阵列。

图3是圆盘阵列结构与方形阵列、矩形阵列结构的信道容量随天线间距变化的对比图。

图4是圆盘阵列的信道容量随天线间距的变化曲线。

图5是圆盘阵列的信道容量随信噪比的变化曲线。

图6是圆盘阵列的信道容量随角度扩散范围的变化曲线。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本发明设计一种大规模MIMO阵列的天线结构布局，相比传统MIMO天线具有翻倍甚至几十倍的天线单元数量。该结构的天线单元总数为N＝N_p·L，其中N_p为每一层的天线单元数目，L为层数。最外层的圆周半径为d/2，逐层递减，每一层的半径为：

一、方向矢量

首先以单个均匀圆阵为单位进行考虑，假设有N_p个相同的全向阵列天线均匀分布一个半径r_l的圆周上：

其中，γ_n＝2πn/N_p，n＝0,1,…,N_p-1，r_l为第l个圆周的半径，l＝1,2,…,L。θ和φ分别为信源信号的仰角和方位角，λ为载波波长。

若存在K个用户，则方向矩阵为：

A_l＝[a_l(θ₁,φ₁),a_l(θ₂,φ₂),…,a_l(θ_K,φ_K)]

多个半径不同的圆阵形成圆盘，其方向矩阵可以视为多个圆阵的方向矩阵的叠加：

A＝[A₁,A₂,…,A_L]^T

其中，

二、信道矩阵

由于基站天线周围存在散射体，会对入射波造成角度扩散而导致接收信号的功率不同，用角度功率谱来描述不同到达角的来波功率，角度扩散会导致信道的空间选择性衰落。角度功率谱与来波信号平均到达角φ₀、角度扩散范围Δ以及角度扩散的标准差σ等存在关系。以高斯分布为例，其角度功率谱为：

是归一化系数，erf(·)为误差函数。假设K个用户为单天线结构，则如果发射端的天线数目为M，则将P扩展成M×K的矩阵。

我们将信道矩阵视作方向矩阵和角度功率谱的结合，其中，

三、MIMO信道容量

MIMO系统是综合SIMO(single-input multi-output，单输入多输出)和MISO(multi-input multi-output，多输入单输出)系统的一个自然过渡，对于N×M维的MIMO系统，其信道矩阵H可以表示为：

设接收信号为：y＝[y₁,y₂,…,y_N]^T，发射信号为：x＝[x₁,x₂,…,x_M]^T，接收端噪声为：n＝[n₁,n₂,…,n_N]^T，则接收向量可表示为：

y＝Hx+n

对于信道矩阵H固定的情形，对H进行奇异值分解：

H＝UDV^H

其中U∈C^M×N，V∈C^N×M，二者均为酉矩阵，

式中σ_i为H的奇异值，k为H的秩(k≤min(N,M))，λ_i为HH^H的非零特征值，且

可以把MIMO信道等效为k个并行子信道，每个子信道由Shannon公式给出，总信道容量为子信道容量之和，表示如下：

其中，det(·)表示求矩阵的行列式操作，M是发射端天线个数，I_M是M×M阶单位矩阵，P是信号发射端的功率，σ²是接收端的功率。由于H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平均值，定义遍历信道容量：

其中，SNR为信噪比，E(·)表示求期望值。

通过以上分析可以得知，角度功率谱P和阵列方向矩阵A共同影响信道矩阵H，其中阵列结构的不同会导致A的不同。而H和信噪比SNR又决定信道容量C，因此，阵列结构间接决定着C。下面根据仿真图对这些影响C的因素进行分析。

图1是本发明大规模MIMO阵列的天线结构的布局示意图。图2是现有大规模MIMO阵列结构布局示意图，其中，(a)为方形阵列、(b)为矩形阵列。

图3是三种阵列结构的信道容量随天线归一化间距的关系对比图。在圆盘阵中的d指最大圆周的直径，如图1所示，在方形阵中的d指边长，如图2的(a)，矩形阵中的d指较长边的距离，如图2的(b)。由图可知，圆盘阵和方形阵的信道容量增长曲线类似，矩形阵能达到的最大值较低。最终三种结构的信道容量均趋于稳定。

图4是圆盘阵列的信道容量随天线归一化间距之间的变化关系图。用户数为500，每一层的天线数目定为16，天线总数分别为64、96和144，即天线层数分别为4、6和9。接收信号平均达到角为0°，角度扩散范围Δ为180°，角度扩散标准差σ为50°。由图可知，信道容量随着天线间距的增大而增大，并趋于稳定；天线数目越多，信道容量越高。

图5是圆盘阵列的信道容量随信噪比的变化关系图。天线结构的布局与上述图4保持一致。根据信道容量的表达式可以得知C是随着信噪比增大持续升高的，高信噪比情况下的升高幅度要强于低信噪比。

图6是三种阵列结构的信道容量随着角度扩散范围Δ的对比图，三种结构的天线数均为128，信噪比为20dB，用户数为500，接收信号平均达到角为0°，角度扩散标准差σ为50°。由于圆盘阵列具有很强的对称性，对到达角的方向不具有选择性，所以其在角度扩散范围持续增大的时候，会比其他两种阵列更持久地升高。由矩形阵的信道容量低于正方形阵低于圆盘阵可以得出结论，对称性越弱，对到达角的选择性越强，其信道容量越低。

总体而言，从各角度的分析结果来看，本发明的大规模MIMO圆盘阵列结构布局具有更好的性能，能够获得更高的信道容量。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (5)

1.一种大规模MIMO阵列的天线结构，其特征在于，包括多个半径不同的同心圆阵，各个圆阵包括相同数量的天线，这些天线均匀分布在对应圆阵的圆周上，相邻圆阵之间的间距相同。

2.根据权利要求1所述大规模MIMO阵列的天线结构，其特征在于，所述各个圆阵包括相同数量的天线，设为N_p，N_p为预先设定值。

3.根据权利要求1所述大规模MIMO阵列的天线结构，其特征在于，所述圆阵的半径为r_l，且

<mrow> <msub> <mi>r</mi> <mi>l</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mi>l</mi> <mi>L</mi> </mfrac> <mo>*</mo> <mfrac> <mi>d</mi> <mn>2</mn> </mfrac> <mo>,</mo> </mrow>

其中，l＝1,2,…,L，L为天线结构中所有圆阵的总层数，d为天线结构中最外层圆阵的直径。

4.根据权利要求1所述大规模MIMO阵列的天线结构，其特征在于，所述天线结构中，天线的总数量N＝N_p·L，其中，N_p为天线结构中各个圆阵的天线数量，L为天线结构中所有圆阵的总层数。

5.根据权利要求1所述大规模MIMO阵列的天线结构，其特征在于，所述天线结构中，天线的总数量与天线结构中所有圆阵的总层数之间为整除关系。