天線陣列布局對大規(guī)模MIMO系統(tǒng)信道容量的影響-

大規(guī)模MIMO系統(tǒng)信道容量的影響因素本文研究了大規(guī)模MIMO信道容量的影響因素。首先建立了空間衰落相關(guān)信道模型并響[1,2,3]。這些文獻(xiàn)給出了存在空間相關(guān)時MIMO信道容量的計算表達(dá)式和結(jié)果，文獻(xiàn)容量的下降。所以信道矩陣的空域相關(guān)性是影響信道容量的重要因素，高度相關(guān)性會降低2空間信道模型均勻分布。由于發(fā)射天線和接收天線周圍散射體的不同導(dǎo)致信號經(jīng)過不同的衰落到達(dá)不同位置的接收天線，天線所處的位置不同會導(dǎo)致接收信號的幅度不同，用角度功率譜(PAS)譜來描述不同到達(dá)角度的來波功率，角度擴(kuò)散會導(dǎo)致信道的空間選擇性衰落。到達(dá)角定義為射線與陣列法線的夾角，如圖1所示，圖1天線接收散射信號示意圖典型的角度功率譜有均勻分布、高斯分布和拉普拉斯分布。達(dá)波角服從均勻分布。是平均到達(dá)角度，△是角度擴(kuò)散(AS)的范圍。高斯分布描述角度擴(kuò)散的程度：拉普拉斯分布Q=1/L-exp(-定義如圖2所示3空間相關(guān)性下面研究不同PAS模型下電壓相關(guān)系數(shù)與天線之間歸一化間距的關(guān)系。圖3顯示了三比較三條曲線可以發(fā)現(xiàn)，拉普拉斯分布下的相關(guān)系數(shù)的震蕩要寬一些，下降趨勢也緩慢。圖4表明對于相同的天線間隔，均勻分布下，相關(guān)系數(shù)的實(shí)部R隨角度擴(kuò)散范圍△的增大而減小。圖5顯示了高斯分布下，相關(guān)系數(shù)實(shí)部R,.隨著角度擴(kuò)展σ的的增大而減小。以上兩幅圖表明天線所處的散射環(huán)境散射越豐富，空間相關(guān)性越小。圖6顯示了拉普拉斯分布下，|隨著平均到達(dá)角的增大而增大。為了減小空域相關(guān)性，應(yīng)該減小名，調(diào)整天線陣列方位，盡量使平均來波方向平行于陣列的法線方向[8]。在本文的信道模型中，空域相關(guān)性的計算與天線的移動方向沒有關(guān)系，運(yùn)動方向只會對4不同天線布局下的信道容量服從瑞利衰落的N×M的MIMO信道矩陣H,信道容量為是隨機(jī)變量，所以C也是隨機(jī)變量，從統(tǒng)計意義上對隨機(jī)變量的容量求均值，定義遍歷信道容量9是天線布局的函數(shù)。將天線排布限制在直徑相同的圓內(nèi)，即任意兩個天線之間的間距的最大值相同，下面考慮兩種天線布局的遍歷信道容量。第一種是天線排布在幾何圖形的外圍輪廓上，第二種是天線均勻分布在所幾何圖形覆蓋的區(qū)域上。A天線排布在外圍圖7接收天線分布在外圍考慮三種幾何圖形，天線均勻分布在直線、圓形和橢圓形的圓周上，如圖7所示。圖8顯示了128×128MIMO天線在p=20dB,△=π均勻分布時的遍歷信道容量。當(dāng)最大間距d趨于0時，多根天線匯聚成單根天線，不同的天線布局之間的差異減小，信道容量也趨于一致；當(dāng)最大間距d逐漸增大時，天線間的相關(guān)性減弱，信道容量趨于天線間相互獨(dú)立時的信道容量。圓陣的容量大于橢圓陣大于線陣。圖9表明了信道容量隨角度擴(kuò)散范圍△的增大而增大，這是因?yàn)橄嚓P(guān)性隨△的增大而減弱了。圖10表明了信道容量隨角度展σ的增大而增大，這是因?yàn)橄嚓P(guān)性隨σ的增大而減弱了。圓陣增大的幅度大于橢圓陣，大于線陣。信道容量還會隨著平均到達(dá)角名的變化而變化。圖11顯示了來波到達(dá)天線的側(cè)射方向(BS)和端射方向(EF)(即%=0°,名=90°)三種天線布局的遍歷信道容量隨信噪比的變化。天線間的最大間距d=10。圓陣的信道容量最大，且側(cè)射方向和端射方向的信道容量曲線重合，因?yàn)閳A陣是中心對稱圖形，對到達(dá)角的方向并沒有選擇性。橢圓陣和線陣在到達(dá)角為端射方向的信道容量都要小于側(cè)射方向的，這是因?yàn)榍懊娣治鲞^的隨著到達(dá)角的增大，空域相關(guān)性增大，所以信道容量減小。線陣從到達(dá)角為端射方向到側(cè)射方向下降的信道容量比橢圓陣下降的幅度更大，這是因?yàn)榫€陣的幾何圖形不如橢圓陣更加中心對稱，相關(guān)性的變化更劇烈，對到達(dá)角的選擇性也更高。B天線排布輪廓所圍成的區(qū)域內(nèi)圖12考慮三種布局，如圖12所示，天線分布在圓盤、正方形和矩形上。圖13是d/λ圖13布在圓圈上和圓盤內(nèi)的信道容量，從圖14可以發(fā)現(xiàn)兩者相差不大，圓盤略大于圓圈。容量圖15表示在天線間最大間距為d/λ=10,p=20dB隨著天線數(shù)目的增大，各種天線布局的信道容量也隨之增大，天線數(shù)目小于90時圓陣信道容量增大的幅度最大，其次是圓本文研究了存在空域相關(guān)性的MIMO信道的信道容量，考慮了天線間距、角度擴(kuò)展、天線陣列方位、天線布局對空域相關(guān)性的影響，隨著相關(guān)系數(shù)的增大，信道容量會降低。空域相關(guān)性取決于天線的布局和所處的散射環(huán)境。仿真結(jié)果表明在相同的天線孔徑下，圓陣具信道容量越大。天線排列在圓周上和排列在圓周圍成的區(qū)域內(nèi)信道容量相差不大。[3]SaeedMA,AliBM,IsmailM,etal.Effectsofspatialcorrelationandassociatedparameterson2007,27(4):290-294.[5]ForenzaA,HeathRW.ImpactofantennageometryonMIMOcommunicationinindoorclusteredchannels[C]//AntennasandPropagationSocietyInternationalSymposium,2004.IEEE.IEEE,2004,2:1700-1703.[6]SohulMM.ImpactofAntennaarrayGeometryontheCapacityofMIMOCommunicationSystem[C]//ElectricalandComputerEngineering,2006.ICECE'06.InternationalConferenceon.IEEE,2006:80-83.[8]LiX,NieZ.EffectofarrayorientationonperformanceofMIMOwirelesschannels[J].AntennasandWirelessPropagationLetters,IEEE,2004,3(1):368-371.[9]Paulraj,Arogyaswami,RohitNabar,andDhananjayGore.Introductiontospace-timewirelesscommunications.Cambridgeuniversitypress,2003.[10]ErtelRB,CardieriP,SowerbyKW,etal.Overvi