多輸入多輸出信道容量研究及天線優(yōu)化

金志剛 高 銘 陳 喆

（1.天津大學(xué)電子信息工程學(xué)院，天津 300072；2.工業(yè)和信息化部電信研究院泰爾實(shí)驗(yàn)室，北京 100191）

引 言

為滿足長期演進(jìn)（LTE）在高數(shù)據(jù)率和高容量方面的需求，LTE系統(tǒng)支持應(yīng)用多輸入多輸出（MIMO）技術(shù)。MIMO作為現(xiàn)代通信技術(shù)中的重大突破之一，已經(jīng)成為無線通信領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，尤其在信道相關(guān)的測量、建模和評(píng)估方面有了廣泛的學(xué)術(shù)成果［1－5，9］。MIMO 技 術(shù) 是 未 來 無 線 通 信 系 統(tǒng) 中 實(shí)現(xiàn)高數(shù)據(jù)率傳輸、改善傳輸質(zhì)量、提高系統(tǒng)容量的重要途徑。然而，MIMO無線系統(tǒng)的大容量實(shí)現(xiàn)和其他性能的提高極大地依賴于MIMO的空間相關(guān)性，尤其是信道相關(guān)性、天線的互耦以及階數(shù)等。在實(shí)際環(huán)境中，信道之間存在相關(guān)性使信道容量急劇降低，而通過增加天線數(shù)量和增大天線間隔會(huì)提高信道容量。因此，研究空間相關(guān)性以及MIMO天線設(shè)計(jì)對(duì)提升MIMO網(wǎng)絡(luò)性能具有重要意義。針對(duì)MIMO系統(tǒng)的特點(diǎn)，根據(jù)第三代合作伙伴計(jì)劃（3GPP）標(biāo)準(zhǔn)提出的空間信道模型（SCM）分析信道相關(guān)性；并在此模型基礎(chǔ)上根據(jù)互耦對(duì)信道容量的影響，修正MIMO系統(tǒng)模型，通過MATLAB仿真分析MIMO天線在不同小區(qū)環(huán)境中的信道容量，提出天線的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 SCM空間相關(guān)性分析

3GPP在 TR25.996［2］中提出的空間信道模型（SCM）是為載頻2GHz、帶寬5MHz系統(tǒng)設(shè)計(jì)的，通過設(shè)定用戶參數(shù)、信道參數(shù)等仿真城市宏小區(qū)、城市微小區(qū)和郊區(qū)宏小區(qū)三種環(huán)境下的信道性能。它是基于散射隨機(jī)假設(shè)建立的信道模型，基本原理是利用統(tǒng)計(jì)得到信道特性，如時(shí)延擴(kuò)展、角度擴(kuò)展等來得到信道系數(shù)并通過在公式中引入天線間距得到信道之間的相關(guān)性，近年來利用散射模型在角度擴(kuò)展［9］、時(shí)延［1］等方面都展開了廣泛的研究。

空間相關(guān)性根據(jù)SCM信道模型而定義，此種情況假定各個(gè)天線陣列相互獨(dú)立。移動(dòng)臺(tái)（MS）側(cè)天線陣應(yīng)用的全向（垂直極化偶極子）天線和傾斜偶極子天線的空間相關(guān)函數(shù)為

式中：M是子徑數(shù)；θn，m，AOA為第n條路徑第m條子徑的到達(dá)角度（θAoA）與MS法線方向（垂直于天線主軸方向）的夾角；α，α′是一對(duì)天線中每根天線的傾斜角度。假設(shè)M趨于無窮，可用積分取代求和，又因?yàn)棣華oA～U（0，2π），從而得到

式中：J0（·）是第一類零階Bessel函數(shù)；J2（·）是第一類二階Bessel函數(shù)。式（4）中，當(dāng)α＝α′＝0°（天線為垂直極化偶極子）時(shí)，rⅡ（d）等于J0（kd）.

2 MIMO系統(tǒng)容量模型

2.1 等功率系統(tǒng)容量模型

對(duì)于NT根發(fā)送天線和NR根接收天線的窄帶單用戶MIMO系統(tǒng)，采用全向天線、發(fā)送天線和接收天線的現(xiàn)行鏈路模型可由如下矢量表示為

式中：Y是1階接收信號(hào)矢量；X是1階發(fā)射信號(hào)矢量；N是1階均值為零方差為σ2的復(fù)高斯噪聲矢量；H是T的信道矩陣，具體生成方法參考文獻(xiàn)［2］。等功率系統(tǒng)容量為［3］

式中：det（）表示矩陣的行列式；I是一個(gè)R階的單位矩陣；ρ是接收端的平均信噪比；H＋是H的復(fù)共軛轉(zhuǎn)置矩陣。

2.2 引入互耦后的等功率系統(tǒng)容量模型

在實(shí)際天線陣列中，當(dāng)天線單元放置靠近彼此時(shí)，每個(gè)天線上的電壓可能會(huì)影響到周圍的其他天線產(chǎn)生互偶效應(yīng)。天線陣列的耦合矩陣C為［4－5］

式中：ZA是半波振子天線的自阻抗（l＝λ／2偶極子天線，ZA＝73＋j42.5Ω）；IN為單位矩陣；ZT是負(fù)載阻抗，選擇ZA的復(fù)共軛以獲得最大功率傳輸?shù)淖杩蛊ヅ洌籞是N×N的互阻抗矩陣［6－7］。

對(duì)于邊靠邊形（平行且兩端對(duì)齊）的偶極子天線，設(shè)天線長度l＝λ／2，互阻抗矩陣為，其中1≤m，n≤N（N為天線數(shù)量）。

式中：k＝2π／λ是波數(shù)；d是兩個(gè)偶極子天線之間的水平距離，并且

通過在MIMO系統(tǒng)模型中插入一個(gè)互耦矩陣，將互耦影響引入MIMO系統(tǒng)，修改式（5）為

式中：HMC＝CRHCT是修改后的信道矩陣，CR和CT分別為接收和發(fā)射端的耦合矩陣，可由式（7）計(jì)算得到。

因此，引入互耦影響后，MIMO信道容量表達(dá)式修改為

2.3 兩種歸一化方法

第1種方法是對(duì)端到端信道增益也就是互耦矩陣HMC實(shí)現(xiàn)歸一［8］。

式中：HMC是有考慮互耦的信道矩陣；代表矩陣F－泛數(shù)，定義如下：

式中：Tr（·）是跡函數(shù)；可解釋為信道總功率增益，由于Tr（·）函數(shù)與其特征值之間的聯(lián)系，因此記為

式中，λi是HH＋的非零特征值，且m＝min（NT，NR）.

該方法對(duì)每個(gè)信道矩陣進(jìn)行歸一化，包含了傳輸信道和天線，不考慮由互耦導(dǎo)致的接收功率的增減，適用于研究互耦對(duì)相關(guān)性的影響。

第2種歸一化方法采用以下形式

式中，H是不考慮互耦的信道矩陣。該種方法也是對(duì)每個(gè)信道矩陣實(shí)現(xiàn)歸一化，但只包括了傳輸信道。這種歸一化方法考慮到了瞬時(shí)接收功率的變化，用于研究互耦對(duì)接收功率瞬時(shí)變化的影響。兩種歸一化方法作對(duì)比，可研究信道容量改善是來源于增加的單元增益還是來源于互相關(guān)效果。

3 MIMO系統(tǒng)空間相關(guān)性及信道容量優(yōu)化仿真分析

根據(jù)SCM信道模型，給定仿真參數(shù)如表1所示，此場景考慮了1條主徑（N＝1），20條子徑（M＝20）的情況。移動(dòng)臺(tái)MS以V＝20km／h速度，沿平行于 MS法線方向行進(jìn) （θV＝0°）.設(shè)定基站（BS）的角度擴(kuò)展為8°，MS接收信噪比為25dB.為便于計(jì)算，設(shè)定θMS＝θBS＝0°，交叉極化鑒別（XPD）為0，假設(shè)到達(dá)角θAOA～U（0，2π）.

表1 SCM信道模型仿真參數(shù)

3.1 MIMO信道空間相關(guān)性仿真與分析

根據(jù)表1的參數(shù)設(shè)置，對(duì)移動(dòng)臺(tái)天線陣進(jìn)行空間相關(guān)性仿真，仿真模型參考式（1）、（2），式（3）、（4）是當(dāng)子徑數(shù)M趨于無窮時(shí)的空間相關(guān)性模型，與原模型形成對(duì)比。

圖1中，rⅠ（d）為移動(dòng)臺(tái)在情況Ⅰ全向（垂直極化偶極子）天線下的相關(guān)度，rⅡ（d）為在情況Ⅱ傾斜偶極子天線下的相關(guān)度，這里考慮其絕對(duì)值。在情況Ⅰ中，相關(guān)度rⅠ（d）非常接近J0（kd），當(dāng)間距達(dá)到0.4λ時(shí)首次降為0，之后隨天線間距增大一直在（－0.4，0.2）之間浮動(dòng)，直至趨于穩(wěn)定值0.在情況Ⅱ中存在極端情況，即α＝α′＝90°（天線均為水平極化），且XPD＝0dB，其仿真結(jié)果rⅡ（d）接近J0（kd）－J2（kd），在0.31λ時(shí)首次降為0.

3.2 天線互耦對(duì)信道容量影響的仿真與分析

為簡化計(jì)算復(fù)雜度，以下僅考慮垂直極化偶極子天線即情況I，該情況在實(shí)際天線應(yīng)用中較普遍，對(duì)于此種情況當(dāng)移動(dòng)臺(tái)天線間距dMS＝0.4λ時(shí)，天線間相關(guān)度為0.根據(jù)LTE標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定下行天線數(shù)量NT＝NR＝4，基站天線間距dBS＝0.5λ，通過改變dMS，分別觀察城市微小區(qū)與郊外宏小區(qū)在兩種情況下的信道容量對(duì)比。

圖1 移動(dòng)臺(tái)天線陣空間相關(guān)度

以圖2、3為例分析，當(dāng)dMS∈［0，0.4λ）時(shí)，采用歸一化方法一（圖2，式18），信道矩陣與耦合矩陣一起進(jìn)行歸一化，因此，不考慮互耦對(duì)接收瞬時(shí)功率變化的影響。這種情況主要是互耦引起天線單元方向圖畸變產(chǎn)生角度分集效果，從而降低信道相關(guān)性相關(guān)系數(shù)，信道容量與非互耦的情況相比較高。采用歸一化方法二（圖3，式19）考慮了互耦對(duì)瞬時(shí)接收功率的影響。此時(shí)，互耦的相關(guān)并不占主導(dǎo)地位，而是主要降低接收功率，因此，信道容量與非互耦的情況相比較低。當(dāng)dMS∈［0.4λ，λ）時(shí)，互耦增加了信道相關(guān)度，但同時(shí)又增加了接收功率，這導(dǎo)致信道容量仍緩慢增加直至平穩(wěn)。但是采用兩種歸一化方法的差異很小，可視為在此天線間距下，歸一化方法的差異對(duì)信道容量無影響。

圖4、圖5所反映的城市微小區(qū)環(huán)境信道容量分析同上。觀察圖2～5，當(dāng)dMS∈（0，0.4λ）時(shí)信道容量處于較快增長趨勢；當(dāng)dMS∈［0.4λ，λ）時(shí)，信道容量增長緩慢，增長幅度不超過0.5bps／Hz，對(duì)提高吞吐量的影響較小，但是隨著天線間距的增加其在移動(dòng)設(shè)備上的應(yīng)用范圍將縮小，因此，通過增加天線間距而獲得較少信道容量的增加不適用于實(shí)際應(yīng)用。根據(jù)圖1，dMS＝0.4λ空間相關(guān)度為零，天線性能最佳，因此，將dMS＝0.4λ設(shè)為最佳天線間距，對(duì)于實(shí)際中工作頻率為2GHz的移動(dòng)終端，此間距僅為6cm，在車載、手機(jī)和筆記本電腦等移動(dòng)終端中都是可以實(shí)現(xiàn)的。

3.3 天線階數(shù)對(duì)信道容量影響的仿真與分析

圖6為平均信道容量與下行天線階數(shù)（NT＝NR）的關(guān)系，設(shè)定移動(dòng)臺(tái)天線間距為dMS＝0.4λ，基站天線間距dBS＝0.5λ，由于此間距下兩種歸一化方法的互耦和非互耦情況的信道容量相差很小，為便于分析信道容量模型采用方法一的非互耦形式。

由圖6知，城市微小區(qū)的信道平均容量大于郊區(qū)宏小區(qū)，這是由于該兩種環(huán)境使用了SCM模型不同的簇。郊區(qū)宏小區(qū)環(huán)境只使用圍繞MS的本地簇，而城市微小區(qū)使用圍繞MS的本地簇、離散的反射簇和遠(yuǎn)散射體簇，因此，城市微小區(qū)具有豐富的多徑分量，從而導(dǎo)致較低的相關(guān)性，具有更高的信道容量。當(dāng)下行天線為4×4時(shí)，信道容量與3.2節(jié)中當(dāng)天線間距dMS＝0.4λ時(shí)的無互耦情況信道容量相等。目前，LTE已確定MIMO下行基本天線配置是2×2階；為滿足密集城區(qū)的使用要求高階天線配置是4×4階，更高階的天線會(huì)使MIMO通信系統(tǒng)過于復(fù)雜，影響MIMO移動(dòng)系統(tǒng)使用和造型設(shè)計(jì)等。4×4階天線能滿足較高的信道容量和較為合理的系統(tǒng)復(fù)雜度，適用于移動(dòng)通信系統(tǒng)。

4 結(jié) 論

基于空間信道模型（SCM）分析了LTE MIMO系統(tǒng)的空間相關(guān)性和信道容量。在分析信道容量過程中，結(jié)合互耦情況修正了信道容量模型。然后對(duì)MIMO系統(tǒng)的空間相關(guān)性進(jìn)行了仿真，找到首次到達(dá)零相關(guān)度的天線間距；在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了基于兩種歸一化方法的互耦與非互耦情況下的信道容量仿真，確定了最佳信道間距，此間距能廣泛應(yīng)用于LTE系統(tǒng)終端天線陣列中。最后仿真了多天線對(duì)信道容量的影響，選取下行4×4階天線配置，既能滿足信道容量需求又能保證設(shè)計(jì)造型簡單。研究采用MIMO系統(tǒng)中的實(shí)際場景，對(duì)MIMO系統(tǒng)未來的研究發(fā)展與實(shí)際應(yīng)用具有十分重要的意義。

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