CN108809377A - 一种基于波束对准的mimo天线阵列 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于波束对准的MIMO天线阵列，包括：发射阵，具有第一数量的阵元端口；接收阵，具有第二数量的阵元端口；所述发射阵的阵元端口之间具有第一间距；所述接收阵的阵元端口之间具有第二间距；所述发射阵与所述接收阵之间具有一间距；其特征在于，所述发射阵中第一数量的阵元与所述接收阵中所述第二数量的阵元相等，且发射阵阵元端口与接收阵阵元端口一一对准；所述发射阵阵元端口与接收阵阵元端口一一对准包括，发射端口的主波束与所述接收端口的主波束相互对准。

Description

一种基于波束对准的MIMO天线阵列
技术领域
本发明属于天线领域，特别地，涉及一种基于波束对准的MIMO天线阵。
背景技术
在无线系统中，通过多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output，MIMO)技术，在发射端和接收端同时采用多个天线，结合空时信号处理技术，能成倍地提高通信系统的频谱效率和信道容量，因此MIMO技术已经受到人们的广泛关注，成为802.11n，802.16，LTE和5G等无线通信和雷达系统中的核心技术。
在实际的无线通信系统中，由于基站和移动用户端的空间尺寸都很有限，从而使MIMO技术的应用受到了很大限制，特别是在强直射信道中，由于在这种信道中以直射信号为主，多径角度扩展较小，为了在不同的收发阵元对之间获得相互独立的信道响应，一般需要较大的收发阵元间距。因此，在强直射信道中，如何获得满秩的紧凑型MIMO天线阵的结构，一直是MIMO天线阵列设计理论和实现中所急需解决的难题。
发明内容
为了解决现有技术中存在的技术问题，本发明的第一方面提供一种基于波束对准的MIMO天线阵列，在直射信道或稀疏多径信道中，所述MIMO天线阵列的发射阵列阵元端口与接收阵列阵元端口为具有方向性的辐射阵元，且发射阵列阵元端口与接收阵列阵元端口的波束相互对准。
优选地，通过紧凑的天线阵元端口间距获得一个满秩的MIMO信道矩阵。紧凑的天线阵元间距是指，基于波束对准的MIMO天线阵列可以比全向天线具有更小的阵元间距，即其更加“紧凑”。
优选地，当所述发射阵列阵元端口间距为零时，增加所述接收阵列阵元端口间距，以获得满自由度的MIMO系统；或者，当所述接收阵列阵元端口间距为零时，增加所述发射阵列阵元端口间距，以获得满自由度的MIMO系统。
本发明的第二方面，提供一种通讯系统，包括，第一通讯设备，以及与所述第一通讯系统设备通讯的第二通讯设备；所述第一通讯设备搭载MIMO天线阵列的发射阵列阵；所述第二通讯设备搭载MIMO天线阵列的接收阵列阵；在直射信道或稀疏多径信道中，所述MIMO天线阵列的发射阵列阵元端口与接收阵列阵元端口为具有方向性的辐射阵元，且发射阵列阵元端口与接收阵列阵元端口的波束相互对准。
优选地，所述第一通讯设备搭载MIMO天线阵列的发射阵列阵阵元间距为零；所述第二通讯设备搭载MIMO天线阵列的接收阵列阵阵元间距满足第一间距以使得所述系统为满自由度的MIMO系统；或者，所述第二通讯设备搭载MIMO天线阵列的接收阵列阵阵元间距为零；所述第一通讯设备搭载MIMO天线阵列的发射阵列阵阵元间距满足第二间距以使得所述系统为满自由度的MIMO系统。
本发明的第三方面，提供一种基站，所述基站搭载基于波束对准的MIMO天线阵列的发射阵列，或者，基站搭载基于波束对准的MIMO天线阵列的接收阵列。
本发明的第四方面，提供一种移动终端，所述移动终端搭载基于波束对准的MIMO天线阵列的发射阵列，所述基站搭载基于波束对准的MIMO天线阵列的发射阵列。
本发明的第五方面，综合本发明的第三方面和第四方面，可以在所述基站上设置基于波束对准的MIMO天线阵列的发射/接收阵列；而在所述移动终端上设置基于波束对准的MIMO天线阵列的接收/发射阵列。如此，可以保证例如移动终端处具有阵元间距为零的，发射/接收阵列。
本发明的第六方面，提供一种基于波束对准的MIMO天线阵列，具有如下结构：发射阵(Tx)，具有第一数量(Nt)的阵元端口；接收阵(Rx)，具有第二数量(Nr)的阵元端口；所述发射阵(Tx)的阵元端口之间具有第一间距(dt)；所述接收阵(Rx)的阵元端口之间具有第二间距(dr)；
所述发射阵(Tx)与所述接收阵(Rx)之间具有一间距(R)；其特征在于，所述发射阵(Tx)中第一数量(Nt)的阵元与所述接收阵(Rx)中所述第二数量(Nr)的阵元相等，且发射阵(Tx)阵元端口与接收阵(Rx)阵元端口一一对准；所述发射阵(Tx)阵元端口与接收阵(Rx)阵元端口一一对准包括，发射端口的主波束与所述接收端口的主波束相互对准。
本发明具有如下有益效果：
1)解决了在直射信道和稀疏多径信道中高信道容量的MIMO天线阵设计问题。在直射和稀疏多径信道中，本发明中考虑采用有方向性的辐射阵元，通过发射和接收阵元对的波束对准来实现高信道容量。
2)提出了在直射信道和稀疏多径信道中获得高信道容量的一种紧凑型MIMO天线阵设计理论。本发明中通过收、发端口的波束对准，可以通过紧凑的天线阵结构来获得一个满秩的MIMO信道矩阵，更重要的是，如果发射端或接收端中的某一个天线阵的阵元端口间距为零，只增加另一方的阵元端口间距也可以获得一个满自由度的MIMO系统，这是在基于全向辐射阵元的MIMO系统中所无法实现的。
3)当然，本发明也可以用于散射丰富的信道。
本发明为直射和稀疏多径等信道中高信道容量、紧凑型MIMO天线阵的实现提供了重要的解决方案。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明；
图1为本发明实施例提供的LOS信道中的MIMO系统示意图；
图2为本发明实施例提供的基于波束对准的MIMO系统设计示意图；
图3为本发明实施例提供的高斯波束的方向性描述；
图4(a)为本发明实施例提供的直射信道中全向辐射阵元的MIMO信道容量增益与收发阵端口间距的关系中dt和dr同时增加的示意图；
图4(b)为本发明实施例提供的直射信道中全向辐射阵元的MIMO信道容量增益与收发阵端口间距的关系中dr＝0,dt增加示意图；
图5(a)为本发明实施例提供的直射信道中基于波束对准的MIMO信道容量增益与收发阵端口间距的关系中dt和dr同时增加的示意图；
图5(b)为本发明实施例提供的直射信道中基于波束对准的MIMO信道容量增益与收发阵端口间距的关系中dr＝0,dt增加示意图；
图6为本发明实施例提供的直射信道中全向辐射阵元的MIMO信道矩阵奇异值；
图7为本发明实施例提供的直射信道中有方向性辐射阵元的基于波束对准的MIMO信道矩阵奇异值。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
在一个MIMO系统中，信道容量随收发天线端口个数的增加而线性增加的前提是对信道空间复用增益的利用，而为了获得较大的空间复用增益，要求MIMO系统能够获得足够大的空间自由度。一个MIMO系统的空间自由度是指它所能支持的并行子信道数，等于MIMO信道矩阵H的秩和其非零特征值的个数，因此为了获得一个满自由度的系统，要求具有满秩的MIMO信道矩阵，即Rank(H)＝N，其中假设N＝Nt＝Nr，Nt和Nr分别为MIMO系统的发射和接收端口数。为了获得满秩的MIMO信道矩阵，对于全向辐射的天线阵元，要求发射天线阵的阵元端口间距dt和接收天线阵的阵元端口间距dr都要足够大，而且所需的dt和dr与信道中多径的丰富程度密切相关，在多径较为丰富的环境中所需的最小发射和接收阵元间距一般为半个波长，在多径稀疏的环境中可能要达到5-10个波长，而在无多径传播的直射信道(LOS，line-of-sight)中，所需的收发阵元间距则要更大。
对于无多径传播的直射信道，考虑远场平面波传播和全向辐射天线阵元，如附图1所示，发射和接收端口数分别为Nt和Nr，发射和接收阵元端口间距分别为dt和dr，收发阵距离R，假设来自第l个发射天线的平面波到达接收阵的角度为θl，这样，对应于第l个发射天线的接收信号矢量可以表示为：
其中，λ是波长，因此，信道矩阵可以写成H＝[h1h2…hNt]，当θl趋于0时，H会接近一个全1的矩阵，因此，它的秩是1，也就是说一个MIMO信道会退化成一个SISO(single-inputsingle-output)信道，并不能有效地获得空间复用增益。在实际的直射信道中，收发距离R越大，MIMO信道退化现象会越严重，当R较小时，这些信号矢量之间才会出现线性独立性。只有这些信号矢量之间满足正交性时，才能获得一个满秩的信道矩阵，从而获得较大的信道容量。为了满足这样的条件，要求满足公式：
从公式(1)中可以看到，在直射信道中，为了获得满秩的信道矩阵和较大的空间复用增益，要求收发阵元间距足够大，比如，如果dt＝1λ,R＝10m,Nr＝4，则为了满足方程(1)，需要dr＝2.5m，因此，整个接收天线阵的尺寸要大于2.5m×3＝7.5m，正因为如此，限制了MIMO技术在直射信道和稀疏多径信道中的应用。
以上关于MIMO天线阵的设计和分析都是基于全向的天线阵元辐射特性(Omnidirectional radiation)，也就是没有方向性的辐射，这种假设在频率较低时(比如6GHz以下)是合理的，然而，当MIMO天线的工作频率更高时，比如毫米波频段(millimeterwave,mmW,30GHz-300GHz)，由于无线信号在空间传播中其传播损耗随着频率的平方增加，因此在mmW MIMO系统中，采用无方向性的低增益天线来构成一个MIMO天线单元已经无法满足要求，需要每个MIMO天线阵元都具有较高的增益，比如20dBi，而高增益会伴随天线辐射的强方向性，因此，我们需要思考具有强方向性辐射阵元的MIMO天线设计问题。
在本发明的一个实施例中，如图2所示，提出了一种针对有方向性辐射阵元的MIMO系统中基于波束对准的阵列，以及该阵列的涉及理论。
发射阵(Tx)，具有第一数量(Nt)的阵元端口；接收阵(Rx)，具有第二数量(Nr)的阵元端口；所述发射阵(Tx)的阵元端口之间具有第一间距(dt)；所述接收阵(Rx)的阵元端口之间具有第二间距(dr)；所述发射阵(Tx)与所述接收阵(Rx)之间具有一间距(R)；其特征在于，所述发射阵(Tx)中第一数量(Nt)的阵元与所述接收阵(Rx)中所述第二数量(Nr)的阵元相等，且一一对应；所述一一对应的发射端口的主波束与所述接收端口的主波束相互对准。
在一个具体的实施例中，发射阵Tx的阵元端口数为Nt，接收阵Rx的阵元端口数为Nr，设置Nt＝Nr，发射阵端口间距为dt，接收阵端口间距为dr，收发阵距离为R，第l个发射端口的主波束与第l个接收端口的主波束互相对准，即Tx port1对准Rx port1，Tx port2对准Rx port2，……。图2示出的是发射阵Tx和接收阵Rx相互平行的情况，相互对准的端口Rxportl和端口Tx portl发射的波束主瓣分别于发射阵表面法线形成夹角θl-t和θl-r相等(θl-t＝θl-r)。
为了验证这种方法的有效性，我们对这种MIMO系统的性能进行了研究并与全向辐射阵元的MIMO天线阵的性能进行了比较，如图3所示。其中，在有方向性的MIMO天线阵中，每个发射和接收端口的方向性以一个高斯波束来描述：E(θ)＝exp(-θ2/θ0 2)，其中θ0是8.7dB半波束宽度[2]，θ0越小，意味着波束的方向性越强，在图3中分别给出了θ0＝5°，10°，20°，40°时的波束。
在一个纯直射信道中，对于远场平面波传播和全向辐射天线阵元，MIMO信道矩阵H中的各元素hm,n可以表示为：
其中，rm,n是第n个发射天线和第m个接收天线之间的距离。
在MIMO系统的性能研究中一般对其信道容量进行考察，其计算公式为：
这里I是单位矩阵，Nt是发射天线阵的阵元数，SNR是接收信噪比，设为20dB，是矩阵H的共轭转置，其中H是按照以下定义进行归一化，||·||F表示莱布尼兹范数。通过这样的定义可以消除接收信号功率的绝对值对MIMO信道容量的影响，更好地体现信道中的电波传播特性与MIMO信道特性之间的关系。
此外，为了更直观地反映一个MIMO系统的空间复用性能，我们提出用MIMO信道容量增益capacity gain(CG)这个参数来描述MIMO信道的空间复用增益，定义为
CG＝CMIMO/CSISO (4)
表示了一个MIMO系统对于相同平均接收信噪比的SISO系统信道容量的倍数。
利用公式(2)-(4)，以均匀直线阵为例，我们对纯直射信道中，MIMO信道容量增益与收发端口间距和收发阵的距离等参数之间的关系进行了研究，考虑以下两种情况，
1)收、发天线阵元端口间距dt和dr同时增加；
2)发射阵元端口距dt增加，接收阵端口间距为零，即dr＝0(这种状况对于基站天线空间较大而手持终端天线尺寸较小的情况很有意义)，利用Matlab软件进行了计算，图4(a)和图4(b)中给出这两种情况的CG结果：其中工作频率为28GHz，λ是自由空间中的波长，为10.7mm，R＝500λ。
从图4(a)中可以看到，在无多径传播的直射信道中，对于全向辐射的阵元，为了获得较大的MIMO信道容量增益，需要发射和接收天线阵端口的间距都足够大，比如10个波长以上。更重要的是，如果接收端天线阵端口的间距dr是0，如图4(b)所示，仅仅增加发射端天线阵元间距，MIMO信道容量增益是不能增加的。
因此我们需要解决的问题是，在直射信道中，怎样利用紧凑型发射或接收MIMO天线阵来获得高信道容量增益，也就是高自由度的问题，此问题对于MIMO技术在收发天线阵尺寸受限的应用具有重要的理论指导意义和工程应用价值。
下面考察本发明中所提出的针对有方向性辐射阵元的MIMO系统中基于波束对准的阵列设计理论所获得的信道容量增益结果，与图4(a)和图4(b)中的两种情况对应，在图5(a)和图5(b)中给出了MIMO信道容量增益随收发阵元端口间距的变化情况，其中图5(a)中发射和接收阵元端口间距dt和dr同时增加，图5(b)中dr＝0，dt增加，其中高斯波束的θ0＝1.25°，R＝5.3571m(500λ)，f＝28GHz。在图5(a)中dt和dr同时增加，在图5(b)中dr＝0,dt增加。
对比图5(a)和图4(a)可知，与全向辐射阵元的情况相比，采用有方向性辐射阵元时，达到满自由度所需要的最小收发阵元端口间距接近，约8λ-10λ，但在图4(a)中，随着dt和dr的增加，MIMO信道容量增益会出现剧烈的起伏，而在图5(a)中，随着dt和dr的增加MIMO信道容量增益则保持不变，说明其性能鲁棒性更强。
更重要的是，对比图5(b)和图4(b)可知，对于有方向性辐射的天线阵元，如果各个端口的波束方向可以对准，当接收天线的阵元端口间距为0时，仅仅增加发射天线的阵元间距也可以获得很高的MIMO信道容量增益和空间自由度，比如，对于发射和接收端口数都是8的情况，即Nt＝Nr＝8，如果dr＝0，当发射阵元间距dt达到15λ以后就获得8倍的信道容量增益，而在图4(b)中，仅仅增加dt并不能带来MIMO信道空间自由度的增加。
因此可以说明，对于全向辐射阵元的MIMO系统，要达到满自由度，需要发射阵和接收阵的端口间距都足够大，而在有方向性辐射阵元的情况下，这种要求可以降低，发射阵或接收阵的一方中，阵元端口间距可以很小，理论上可以为零。
为了对图4(a)、4(b)、图5(a)和图5(b)的结果进行更深刻的理解，我们对MIMO信道矩阵H进行奇异值分解(singular value decomposition,SVD)，通过SVD，MIMO信道可以被分解成一些并行的特征信道，每个信道对应于一个非零的信道奇异值，λ1,λ2,…,λM,其中M是信道矩阵H的秩，通过SVD，MIMO信道容量也可以写成：
通过公式(5)可以清楚地看到每个子信道对MIMO信道容量的贡献。
在图6和图7中，分别对应图4(b)和图5(b)，给出了MIMO信道矩阵SVD在这两种情况下的结果。
在表1和表2中，给出了对应于图6和图7中，Nt＝Nr＝8时，dt取某些值的结果。
表1直射信道中全向辐射阵元的MIMO信道矩阵奇异值与发射端口间距的关系(dr＝0)
表2直射信道中有方向性辐射阵元的基于波束对准的MIMO信道矩阵奇异值与发射端口间距的关系(dr＝0)
从图6、图7，以及表1和表2中可以清楚地看到，当接收阵端口间距dr为0时，对于全向辐射阵元的MIMO系统，信道矩阵的非零奇异值只有一个，随着发射阵端口间距dt的增加，这种状况并未改变；而在有方向性辐射阵元的基于波束对准的MIMO系统中，当dt大于或等于7.5λ时，信道矩阵的非零奇异值的个数为8，等于H的秩(这里Nt＝Nr＝8)，因此通过这种技术可以获得一个满自由度的MIMO系统。
上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于波束对准的MIMO天线阵列，其特征在于，所述MIMO天线阵列的发射阵列阵元端口与接收阵列阵元端口为具有方向性的辐射阵元，且发射阵列阵元端口与接收阵列阵元端口的波束相互对准。
2.根据权利要求1所述的MIMO天线阵列，其特征在于，通过紧凑的天线阵元端口间距获得一个满秩的MIMO信道矩阵。
3.根据权利要求1所述的MIMO天线阵列，其特征在于，当所述发射阵列阵元端口间距为零时，增加所述接收阵列阵元端口间距，以获得满自由度的MIMO系统；
或者，当所述接收阵列阵元端口间距为零时，增加所述发射阵列阵元端口间距，以获得满自由度的MIMO系统。
4.一种通讯系统，所述通讯系统包括，第一通讯设备，以及与所述第一通讯系统设备通讯的第二通讯设备；
所述第一通讯设备搭载MIMO天线阵列的发射阵列阵；
所述第二通讯设备搭载MIMO天线阵列的接收阵列阵；
所述MIMO天线阵列的发射阵列阵元端口与接收阵列阵元端口为具有方向性的辐射阵元，且发射阵列阵元端口与接收阵列阵元端口的波束相互对准。
5.根据权利要求4所述的通讯系统，其特征在于，所述第一通讯设备搭载MIMO天线阵列的发射阵列阵阵元间距为零；所述第二通讯设备搭载MIMO天线阵列的接收阵列阵阵元间距满足第一间距以使得所述系统为满自由度的MIMO系统；
或者，所述第二通讯设备搭载MIMO天线阵列的接收阵列阵阵元间距为零；所述第一通讯设备搭载MIMO天线阵列的发射阵列阵阵元间距满足第二间距以使得所述系统为满自由度的MIMO系统。
6.一种基站，所述基站搭载权利要求1-3之一所述的MIMO天线阵列的发射阵列；
或者，所述基站搭载权利要求1-3之一所述的MIMO天线阵列的接收阵列。
7.一种移动终端，所述移动终端搭载权利要求1-3之一所述的MIMO天线阵列的发射阵列；
或者，所述移动终端搭载权利要求1-3之一所述的MIMO天线阵列的接收阵列。
8.一种基于波束对准的MIMO天线阵列，所述天线阵列具有如下结构：
发射阵(Tx)，具有第一数量(Nt)的阵元端口；
接收阵(Rx)，具有第二数量(Nr)的阵元端口；
所述发射阵(Tx)的阵元端口之间具有第一间距(dt)；
所述接收阵(Rx)的阵元端口之间具有第二间距(dr)；
所述发射阵(Tx)与所述接收阵(Rx)之间具有一间距(R)；
其特征在于，所述发射阵(Tx)中第一数量(Nt)的阵元与所述接收阵(Rx)中所述第二数量(Nr)的阵元相等，且发射阵(Tx)阵元端口与接收阵(Rx)阵元端口一一对准；
所述发射阵(Tx)阵元端口与接收阵(Rx)阵元端口一一对准包括，发射端口的主波束与所述接收端口的主波束相互对准。
9.根据权利要求8所述的MIMO天线阵列，其特征在于，所述第一数量(Nt)的阵元端口，包括在发射阵(Tx)上依次排列的第1发射阵元端口、第2发射阵元端口，......，第Nt发射阵元端口；
所述第二数量(Nr)的阵元端口，包括在接收阵(Rx)上依次排列的第1发射阵元端口、第2发射阵元端口，......，第Nr发射阵元端口；
所述发射阵(Tx)阵元端口与接收阵(Rx)阵元端口一一对准包括：
第1发射阵元端口与所述第1接收阵元端口发射的主波束相互对准；
第2发射阵元端口与所述第2接收阵元端口发射的主波束相互对准；
......；
第Nt发射阵元端口与所述第Nr接收阵元端口发射的主波束相互对准。
10.根据权利要求8所述的MIMO天线阵列，其特征在于，所述发射阵(Tx)与所述接收阵(Rx)为相互平行的直线阵，相互对准的主波束连线与发射阵之间的夹角(θl-t)，与相互对准的主波束连线与接收阵之间的夹角(θl-r)相等，
或者，所述发射阵(Tx)与所述接收阵(Rx)为异面线阵。
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