近距離多天線無線通信關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)對低功耗、泛在接入、極高頻譜效率的迫切需求，驅(qū)動(dòng)了近距離多天線通信場景所占的比例越來越大。其突出特征是多天線陣列尺寸與收發(fā)通信距離可以比擬，電磁信號傳播的球面特征表現(xiàn)的更加充分，不再適合采用遠(yuǎn)距離通信中的平面波假設(shè)。但是，目前對于球面波特征下的近距離多天線信道的通信能力和實(shí)現(xiàn)其通信能力的關(guān)鍵技術(shù)還處于探索階段。為此，本文圍繞這兩方面的內(nèi)容開展了初步的研究工作。
　　在評估“通信能力”方面，重點(diǎn)研究了近距離多天線信

2、道的空間自由度和信道容量，給出了近距離天線位置與容量界限的內(nèi)在關(guān)系；在“實(shí)現(xiàn)通信能力的關(guān)鍵技術(shù)”方面，通過優(yōu)化天線陣元位置，提高了近距離多天線LOS信道的容量，以及提出了最大化近距離多天線信道容量的預(yù)編碼傳輸。具體工作包括：
　　首先，研究了近距離多天線信道容量。利用球面波模型，推導(dǎo)了發(fā)射端未知信道狀態(tài)信息下多發(fā)兩收近距離LOS信道容量的解析表達(dá)式，在此基礎(chǔ)上給出了兩發(fā)兩收近距離LOS信道容量的概率密度函數(shù)、累積分布函數(shù)和均值容量

3、的解析表達(dá)式，以及富散射環(huán)境中多發(fā)兩收近距離Ricean衰落信道的遍歷容量。理論和仿真結(jié)果表明：
　　近距離多天線LOS信道容量由波長、發(fā)射天線數(shù)、陣元間隔、收發(fā)通信距離和陣列方向決定，并且隨著這些參數(shù)劇烈的波動(dòng)；
　　近距離多天線LOS信道容量的空間統(tǒng)計(jì)信息由收發(fā)陣列孔徑乘積與收發(fā)通信距離的比值決定，隨著比值的增大，獲得更高容量的概率隨之增加；
　　富散射環(huán)境下多發(fā)兩收近距離Ricean衰落信道的遍歷容量完全由Ric

4、eanK因子和天線陣元位置所決定，可通過合理設(shè)計(jì)天線陣元位置得到最大的遍歷容量。特別的，在三發(fā)兩收的天線陣列中，當(dāng)信噪比為20dB，RiceanK因子為5dB時(shí)，通過優(yōu)化天線陣元布局，能達(dá)到最大容量12.85bps/Hz。
　　其次，研究了近距離多天線LOS信道的空間自由度。利用球面波模型，分別研究了三維空間中遠(yuǎn)距離和近距離多天線LOS信道的空間自由度。理論和仿真結(jié)果表明，在單極化線性陣列下的遠(yuǎn)距離多天線LOS信道中只能得到一個(gè)空

5、間自由度，然而在近距離多天線LOS信道中可通過合理設(shè)計(jì)陣列方向和天線尺寸得到多個(gè)空間自由度。
　　再次，通過優(yōu)化天線陣元位置，提高了近距離多天線LOS信道的容量。針對固定無線接入中任意方向的兩發(fā)兩收天線陣列，在聯(lián)合考慮路徑損耗和相位差的影響下，通過優(yōu)化天線陣元位置，實(shí)現(xiàn)了近距離LOS信道的最大容量。然后，針對終端移動(dòng)臺在室內(nèi)某一區(qū)域內(nèi)移動(dòng)的情況下，基于蟻群算法，通過優(yōu)化發(fā)射天線陣元位置，提高了區(qū)域內(nèi)的平均容量。
　　最后，研

6、究了近距離多天線信道的預(yù)編碼傳輸。使用球面波模型，分別推導(dǎo)了兩發(fā)多收近距離LOS信道和富散射環(huán)境中近距離Ricean信道的預(yù)編碼傳輸方向和其功率分配的解析表達(dá)式，并給出了其空間復(fù)用和波束成形的充要條件。理論和仿真結(jié)果表明，預(yù)編碼傳輸下的信道容量要大于或等于在所有方向進(jìn)行等功率傳輸?shù)男诺廊萘?，并且兩者的差別隨著兩個(gè)發(fā)射天線空間特征圖夾角的余弦的絕對值增大而增大。特別的，在兩發(fā)三收富散射環(huán)境的近距離Ricean信道中，當(dāng)信噪比為5dB，Ri