一種提高緊耦合MIMO天線系統信道容量的方法與流程

本發明涉及一種提高緊耦合mimo天線系統信道容量的方法，特別涉及一種提高兩發兩收的緊耦合mimo天線系統信道容量的方法，屬于無線通信領域。

背景技術：

早期的無線通信系統中，發射機與接收機在各自的射頻模塊僅僅配置單副天線，這種通信系統通常被稱作單輸入單輸出(siso)系統。隨著無線通信技術的不斷發展，為了提高頻譜利用效率以及改善系統的通信質量，在發射端與接收端同時采用多副收發天線配置的所謂mimo技術應運而生。

與此同時，e.telatar于1999年在europeantransactionsontelecommunications上發表的論文capacityofmulti-antennagaussianchannels和j.foschini于1998年在wirelesspersonalcommunications上發表的論文onlimitsofwirelesscommunicationsinafadingenvironmentwhenusingmultipleantennas均從理論上證明了mimo系統相比于傳統miso(多輸入單輸出)和siso系統能夠極大地提高系統的通信容量，也即是信道容量，故而這種新技術在3g以及4g中得到了廣泛應用。

具體而言，mimo技術之所以能夠改善通信質量的原理在于：該技術將在傳統觀念上認為是弊端的多徑衰落信號加以利用，也即充分利用空間環境的多徑傳播冗余度來提高數據吞吐量；同時mimo技術也充分開發了空間域，利用空間分集技術以及空間復用技術，使得在不增加帶寬及發射功率的情況下成倍地提高頻譜效率。

傳統mimo技術能夠獲得空間分集增益的前提是：陣列中各天線之間的距離要相距足夠遠，以使得天線之間的發射或接收信號能夠保證不相關。典型的基站側部署mimo天線陣元之間的距離有0.5波長、4波長和10波長三種；移動終端所配置的天線之間距離通常保持0.5波長，這些配置可使得天線之間具有較小的相關性，從而使得天線之間的信號保持一定的不相關性或者獨立性。

不過，隨著新一代無線網絡的出現，在通信兩端部署大量天線的要求被提了出來，故而需要在有限的空間中配置大量的天線單元，不可避免地使得天線間距被壓縮到0.5波長以內，這將導致天線之間產生比較強的電磁耦合效應，影響系統最初設計性能。通常，傳統的mimo無線通信系統為分析問題的簡化，都是假設天線之間不存在耦合效應的，因此在負載端配置的就是對應于無耦合狀態的簡單特征阻抗。然而，由于天線之間的互耦效應不僅改變了天線本身的自阻抗，同時也引入了陣元間的互阻抗，此時如果接收端負載仍保持傳統的特征阻抗，那將使得收發天線端的阻抗特性與負載阻抗不匹配，進而導致不必要的能量損失，降低系統性能。

技術實現要素：

為克服現有mimo通信技術中的不足，本發明提供一種提高2發2收的緊耦合mimo天線系統信道容量的方法。該方法對無線通信接收端負載阻抗進行優化，計算出最優負載阻抗，以此令傳輸到負載的能量最優，從而提高系統的信道容量，改善系統的性能。

本發明為解決上述技術問題采用以下技術方案：

本發明提供一種提高緊耦合mimo天線系統信道容量的方法，所述mimo天線系統的發射端與接收端均有2個天線。該方法通過對接收天線端的負載進行優化，計算出最優負載阻抗，以實現傳輸到負載的能量最優，從而提高系統的信道容量；

所述接收端的天線陣列的阻抗矩陣為且z11＝z22，z12＝z21，其中，是第q個天線端口和第p個天線端口之間的轉移阻抗，vp是第p個負載上的接收電壓，iq是第q個支路上的電流，ik是第k個支路上的電流，q＝1,2，p＝1,2，k＝1,2；

負載阻抗zl的最優值為：其中，r11、x11分別是z11的實部、虛部；r12、x12分別是z12的實部、虛部。

作為本發明的進一步技術方案，根據香農信道容量公式，系統的最優信道容量為：其中，是2階單位矩陣，ρ是發射端信噪比，是信道傳輸矩陣，(·)^h表示矩陣求共軛轉置，為空間相關性矩陣，是空間信道傳輸矩陣。

作為本發明的進一步技術方案，空間信道傳輸矩陣的元素服從均值為零、方差為1的復高斯分布。

本發明采用以上技術方案與現有技術相比，具有以下技術效果：針對未來通信中的大規模天線陣配置中可能存在的耦合效應，對接收天線端的負載進行優化設計，計算出最優的負載阻抗，通過最優負載阻抗的設計實現最優信道容量；相較于傳統的不考慮天線耦合的特征阻抗負載，本發明提高了mimo無線通信系統的信道容量，改善了系統的整體性能。

附圖說明

圖1是2×2緊耦合mimo系統接收端陣列互耦效應網絡模型。

圖2是接收端平行雙偶極子的等效耦合電路模型。

圖3是2×2天線之間距離不同時傳統特征阻抗方法與本發明方法的容量對比圖。

圖4是2×2天線間距為0.2波長時在不同信噪比下傳統特征阻抗方法與本發明方法信道容量對比圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明的技術方案做進一步的詳細說明：

圖1給出了2×2緊耦合mimo系統接收端陣列互耦阻抗網絡模型。假設接收端有2個天線，天線陣列的激勵電壓矢量為vsq(q＝1,2)是第q個天線陣元上的激勵電壓；是天線陣列的阻抗矩陣，包括天線陣元間的自阻抗和互阻抗；是接收端負載上的接收電壓矢量，其中vq(q＝1,2)是第q個負載上的接收電壓；是支路電流矢量，iq(q＝1,2)是第q個支路上的電流；是負載阻抗對角矩陣，diag(·)表示以括號中元素為對角元的對角矩陣，zl是負載阻抗且假設所有支路上的負載均相同。根據電路原理的有關知識，可得到：

上述公式(1)中，有z11＝z22，z12＝z21，其中，表示第q個天線端口和第p個天線端口之間的轉移阻抗，vp是第p個負載上的接收電壓，iq是第q個支路上的電流，ik是第k個支路上的電流，q＝1,2，p＝1,2，k＝1,2。

根據負載端的電壓電流關系，可以得到：

將上述公式(2)代入公式(1)，經過簡單數學運算可得接收端負載上的接收電壓矢量為：

上述公式(3)中，表示2階單位矩陣。

假設發射端天線陣列不存在相關性，也即是發射陣列相關系數為單位矩陣，那么根據kronecker(克羅內克)信道分解模型，可將寫成：

上述公式(4)中，為空間相關性矩陣；(·)^h表示矩陣求共軛轉置；是空間信道傳輸矩陣，其元素服從均值為零、方差為1的復高斯分布；是發射天線陣列的發射電壓矢量。將公式(4)代入公式(3)，可以得到：

從上述公式(5)可以看出，為了達到本發明提升系統容量的目的，需要對接收負載阻抗zl進行優化設計。由于緊耦合mimo系統中引入了陣元間耦合效應的影響，因此對負載阻抗的優化需要將天線的互耦效應考慮在內。

圖2是以平行雙偶極子為例，給出了接收端平行雙偶極子的等效耦合電路圖。圖中，vs1是第1個天線上的激勵電壓，i1和i2分別是第1條支路和第2條支路的電流，zout是輸出阻抗。根據電路理論，可以得到：

根據公式(6)，可以求得：

為了使功率更多地傳輸到負載端，要求滿足其中，(·)^*表示取共軛。那么，上述公式(7)可改寫成：

對于對稱的平行雙偶極子，同樣有z11＝z22，z12＝z21，同時令zl＝rl+jxl，z11＝r11+jx11，z12＝r12+jx12，其中，rl、xl分別是zl的實部和虛部；r11、x11分別是z11的實部和虛部；r12、x12分別是z12的實部和虛部；然后對公式(8)進行求解，可得到：

最終得到最優的負載阻抗為：

根據香農信道容量公式，可以得到系統的信道容量為：

其中由公式(5)可知

ρ是發射端信噪比；是信道傳輸矩陣。將公式(11)求得的代入公式(13)，再代入到公式(12)即可求得最優的系統信道容量。

圖3是在2發2收mimo系統中，傳統特征阻抗匹配方法與本發明方法隨天線之間距離變化的容量對比圖；圖4是天線間距為0.2波長時在不同信噪比下傳統方法與本發明方法信道容量對比圖。從圖3可以看出，本發明方法相較于傳統方法在不同天線間距時，信道容量均有不同程度的提高，而且隨著天線間距的增大，本發明方法較傳統方法所提高的信道容量增加值趨于穩定；從圖4中可以看出，當天線間距為0.2波長時，信道容量隨著信噪比的增加同樣有不同程度的提高。因此本發明所提出的方法對提高信道容量具有重要作用。

以上所述，僅為本發明中的具體實施方式，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉該技術的人在本發明所揭露的技術范圍內，可理解想到的變換或替換，都應涵蓋在本發明的包含范圍之內，因此，本發明的保護范圍應該以權利要求書的保護范圍為準。