獲得最大平均信道容量的4發4收天線陣列尺寸優化方法
2023-11-02 05:50:22
專利名稱：獲得最大平均信道容量的4發4收天線陣列尺寸優化方法
技術領域：
本發明屬於高速無線通信技術領域，特別涉及一種獲得最大平均信道容量的4天線發送和4天線接收的天線陣列尺寸優化方法。
背景技術：
多輸入多輸出(Multiple-Inputand Mu 11 ip I e-0utput, MI MO)技術，由於其高譜效率和高功率效率，得到廣泛研究和逐步應用，並成為無線通信系統的重要候選技術。在無線通信系統中，為提高終端的接收效率和擴大信道容量覆蓋範圍，要求在一定區域內具有較大的信道平均容量和較小的信道容量波動。對於發射端和接收端都採用4天線平面矩形陣列的無線通信系統來說，有必要對天線的尺寸進行優化，以實現上述要求。由於毫米波頻段存在大量尚未被使用的帶寬，因此，新一代的無線區域網將選用毫米波頻段作為工作頻點。歐美日包括中國已開放60GHz頻段供新一代近距的無線區域網使用，中國正在考慮開放40 50GHz頻段用於新型的毫米波無線通信。一般來說，毫米波無線傳輸系統多用於視線(Line of Sight, LoS)場景，並在發射和接收端都採用高增益窄波束天線，從而補償毫米波在傳播過程中較高的路徑損耗。傳統觀念認為，如果信道衝激響應存在強LoS分量，那麼這將導致MMO信道矩陣具有較大的條件數，從而會降低系統容量。在天線陣列進行優化設計過程中，傳統的方法只針對固定位置點對點傳輸，通過對天線的尺寸和布局優化，獲得特定位置條件下的較大信道容量。但是對於實際應用場景，發射機和接收機的相對位置往往並不是固定的，能夠在特定點獲得大信道容量不一定能夠在一個範圍內得到高信道容量。而且，只針對單個位置點優化往往不能保證在一定區域內信道容量的穩定。此外，接收機和發射機之間存在的旋轉角度也會造成信道容量的較大波動。因此，需要尋找ー種優化方法，不但可獲得一定範圍內的平均信道容量最大，同時優化方法還需要低實現複雜度。
發明內容
發明目的針對上述現有技術存在的問題和不足，本發明的目的是針對電波視線傳播場景中的多輸入多輸出信道，提供一種獲得最大平均信道容量的4發4收天線陣列尺寸優化方法，滿足無線通信系統對傳輸信道平均容量最大化的要求。技術方案為實現上述發明目的，本發明採用的技術方案為ー種獲得最大平均信道容量的4發4收天線陣列尺寸優化方法，包括如下步驟(I)建立與收發天線尺寸、垂直距離、以及波長直接相關的信道容量波動數；(2)建立收發天線在正對情況下信道容量與信道容量波動數的關係；(3)構造偏移信道容量波動數；(4)利用偏移信道容量波動數對整個區域內的平均信道容量進行逼近；(5)獲得最大平均信道容量時的最優信道容量波動數；(6)根據最優信道容量波動數得到收發天線尺寸的關係(最優尺寸)。
所述步驟(5)可採用計算機進行數值搜索的方式實現。所述收發天線可包括4個發射端天線和4個接收端天線。有益效果在多發多收系統中，由於多徑效應從而可以提高信道容量，增加信息吞吐量，而本發明中提出的4發4收天線陣列尺寸優化方法可以確保該多發多收系統在一定區域內具有較高的平均信道容量，並且平均信道容量對接收機和發射機之間的垂直距離具有較低的敏感度。因此，採用本發明所述方法，能夠以相當低的複雜度，獲得較優的天線陣列尺寸，從而有利於提高系統的平均信道容量並降低信道容量在考慮區域內的波動。
圖I是電波視距傳輸場景中，4發4收天線布局示意圖；圖中，dt為發射端天線間距，dr為接收端天線間距，R0為發射機和接收機間的垂直距離，R為發射機和接收機間的直線距離，Θ為接收機關於z軸的偏移角度，Φ為接收機關於y軸的偏移角度，a和b分別為區域的長和寬，(X，y)為接收機在xy平面的坐標；圖2(a)是最大平均信道容量條件下最優信道容量波動數搜索的仿真結果和解析結果的比較示意圖，圖2(b)是圖2(a)虛線框處的局部放大示意圖；圖3 (a)是最優尺寸下通過偏移信道容量波動數對平均信道容量的逼近結果示意圖，圖3(b)是最優尺寸下通過偏移信道容量波動數對平均信道容量的仿真結果示意圖，圖3(c)是最優尺寸下通過偏移信道容量波動數對平均信道容量的逼近結果與仿真結果的對比示意圖；圖4是最優尺寸下，平均信道容量對收發天線垂直距離的敏感度的仿真結果和解析結果的比較示意圖；圖中，Cfflax為最大信道容量，Cfflin為最小信道容量。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施例，進一步闡明本發明，應理解這些實施例僅用於說明本發明而不用於限制本發明的範圍，在閱讀了本發明之後，本領域技術人員對本發明的各種等價形式的修改均落於本申請所附權利要求所限定的範圍。本發明提供了一種電波視線傳播場景中4發4收天線布局優化技術方案，滿足無線與移動通信系統，特別是其下行傳輸鏈路，對傳輸信道高平均容量的要求。圖I是電波視距傳輸場景中，4發4收天線布局技術方案示意圖。本發明的4發4收收發天線的尺寸優化方案首先建立與收發天線尺寸，垂直距離，以及波長直接相關的信道容量波動數，然後建立收發天線在正對情況下信道容量與信道容量波動數的關係，接著利用偏移信道容量波動數對整個區域內的平均信道容量進行逼近，再用搜索法獲得最大平均信道容量時的最優信道容量波動數，由此可以得到相應的最優收發天線尺寸的關係。採用的最優信道容量波動數，可採用電腦程式掃描搜索的方式實現。具體方式如下
(I)確定信道容量波動數在給定區域內，按照窄波束天線的電波視線傳播模型，構造收發天線間的傳輸矩陣。從信道容量和傳輸矩陣的角度出發，再根據信道容量和傳輸矩陣與其赫米特矩陣乘積的特徵值之間的關係，推導並定義了與收發天線尺寸，垂直距離，以及波長直接相關的信道容量波動數
權利要求
1.一種獲得最大平均信道容量的4發4收天線陣列尺寸優化方法，其特徵在於，包括如下步驟 (1)建立與收發天線尺寸、垂直距離、以及波長直接相關的信道容量波動數； (2)建立收發天線在正對情況下信道容量與信道容量波動數的關係； (3)構造偏移信道容量波動數； (4)利用偏移信道容量波動數對整個區域內的平均信道容量進行逼近； (5)獲得最大平均信道容量時的最優信道容量波動數； (6)根據最優信道容量波動數得到收發天線尺寸的關係。
2.根據權利要求I所述一種獲得最大平均信道容量的4發4收天線陣列尺寸優化方法，其特徵在於所述步驟(5)採用計算機進行數值搜索的方式實現。
3.根據權利要求I所述一種獲得最大平均信道容量的4發4收天線陣列尺寸優化方法，其特徵在於所述收發天線包括4個發射端天線和4個接收端天線。
全文摘要
本發明公開了一種獲得最大平均信道容量的4發4收天線陣列尺寸優化方法，包括如下步驟建立與收發天線尺寸、垂直距離、以及波長直接相關的信道容量波動數；建立收發天線在正對情況下信道容量與信道容量波動數的關係；構造偏移信道容量波動數；利用偏移信道容量波動數對整個區域內的平均信道容量進行逼近；獲得最大平均信道容量時的最優信道容量波動數；根據最優信道容量波動數得到收發天線尺寸的關係。本發明能夠以相當低的複雜度，獲得較優的天線陣列尺寸，從而有利於提高系統的平均信道容量並降低信道容量在考慮區域內的波動。
文檔編號H01Q21/00GK102623803SQ20121005138
公開日2012年8月1日 申請日期2012年3月1日 優先權日2012年3月1日
發明者餘晨, 張念祖, 楊廣琦, 洪偉, 王海明, 許睿 申請人:東南大學