近距離多天線無線通信關鍵技術研究.pdf

1、新一代移動通信系統對低功耗、泛在接入、極高頻譜效率的迫切需求，驅動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的更加充分，不再適合采用遠距離通信中的平面波假設。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現其通信能力的關鍵技術還處于探索階段。為此，本文圍繞這兩方面的內容開展了初步的研究工作。
　　在評估“通信能力”方面，重點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在關系；在“實現通信能力的關鍵技術”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式，在此基礎上給出了兩發(fā)兩收近距離LOS信道容量的概率密度函數、累積分布函數和均值容量

3、的解析表達式，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。理論和仿真結果表明：
　　近距離多天線LOS信道容量由波長、發(fā)射天線數、陣元間隔、收發(fā)通信距離和陣列方向決定，并且隨著這些參數劇烈的波動；
　　近距離多天線LOS信道容量的空間統計信息由收發(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，可通過合理設計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，當信噪比為20dB，RiceanK因子為5dB時，通過優(yōu)化天線陣元布局，能達到最大容量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距離和近距離多天線LOS信道的空間自由度。理論和仿真結果表明，在單極化線性陣列下的遠距離多天線LOS信道中只能得到一個空

5、間自由度，然而在近距離多天線LOS信道中可通過合理設計陣列方向和天線尺寸得到多個空間自由度。
　　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，實現了近距離LOS信道的最大容量。然后，針對終端移動臺在室內某一區(qū)域內移動的情況下，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)域內的平均容量。
　　最后，研

6、究了近距離多天線信道的預編碼傳輸。使用球面波模型，分別推導了兩發(fā)多收近距離LOS信道和富散射環(huán)境中近距離Ricean信道的預編碼傳輸方向和其功率分配的解析表達式，并給出了其空間復用和波束成形的充要條件。理論和仿真結果表明，預編碼傳輸下的信道容量要大于或等于在所有方向進行等功率傳輸的信道容量，并且兩者的差別隨著兩個發(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，當信噪比為5dB，Ri