文摘

本文旨在研究相互耦合的影响,匹配网络和极化的天线性能的多输入多输出(MIMO)系统采用空间复用(SM)。特别是未编码的MIMO系统的平均误比特率(BER)。一个精确的信号分析框架提出了基于电路网络参数来描述的传输/接收特征匹配/无与伦比的天线阵。研究数组包含匹配/无与伦比的紧凑copolarization和极化分集天线阵。使用蒙特卡罗数值模拟研究,SM MIMO系统的误码性能使用最大似然和/或zero-forcing检测方案。仿真结果表明匹配网络的使用可以提高显著,SM MIMO系统的误码性能,和误码性能恶化由于天线方向随机性可以通过使用补偿偏振分集天线阵列。

1。介绍

新兴的多输入多输出(MIMO)无线通信技术是聚精会神地研究在过去几十年,因为这些可以显著提高无线通信系统的传输速率和质量(1- - - - - -4]。MIMO无线通信技术是未来宽带无线通信的关键技术。MIMO无线通信技术的一个重要挑战,实现在移动终端和接入点是将多个天线的物理尺寸限制体积。严重的小型天线之间的相互耦合将导致阻抗失配和元素活跃模式扭曲,从而使MIMO通信系统的性能退化(5- - - - - -8]。

之前的作品展示多端口匹配网络的使用和构造紧凑天线极化天线阵列在有限的卷而保持MIMO系统的信道容量。在[8- - - - - -11多端口的解耦和匹配,利用网络来减少天线之间的互耦紧凑接收数组的元素。结果表明,当使用无损的匹配网络,紧凑的MIMO系统接收阵列天线元素之间的间距只有0.1方法可以很大程度上类似于MIMO系统信道容量与间隔的天线阵列,在哪里是波长。极化分集天线也被认为是进一步提高产能,同时保持数组大小的研究(12- - - - - -15]。

实现MIMO无线通信系统的传输速率和质量优势,必须使用指定的时空编码方案,如空间多路复用(SM)方案16,17),和空时分组编码(摘要)方案18]。明显的时空编码系统是可衡量的标准误比特率(BER)接近传播率。因此,时空编码系统的误码性能可能会被视为评估相互耦合的影响,匹配网络和偏振分集MIMO无线通信。

之前的作品通常使用分析通道模型研究时空编码系统的性能,如复杂的高斯分布的通道模型或相关分离通道模型(17- - - - - -19]。虽然时空编码方案的性能分析根据分析对MIMO系统信道模型是重要的和有效的接近理想的天线,这些分析不适合学习相互耦合和极化的影响的多样性紧凑天线MIMO系统的误码率性能。这是因为分析模型通常忽略的影响天线和射频指定分支和不能反映通道的物理特性;因此,分析模型不能用于评估天线阵列的设计和/或射频分支对MIMO系统使用特定时空编码方案(20.]。

本文研究相互耦合的影响,匹配网络和极化多样性SM MIMO系统的误码率性能使用精确的电路网络信号模型。剩下的论文分为4部分:在部分2完整的系统模型,提出了基于电路网络参数;节3,SM MIMO系统的误码性能进行了研究,和互耦的影响和匹配网络调查;天线极化多样性的影响进行了研究4;节5,得出了结论。

2。分析框架

MIMO系统的射频链图所示1,由发射机、匹配传输天线阵,传播渠道,与接收天线阵,和接收器。匹配网络被认为是被动和无损的但不需要互惠。

的独立的信号来源与实际输出阻抗,这是射频系统和传输线的特性阻抗,分别用于创建传输信号。射频系统端口的电流可以表示为 在哪里的输入阻抗矩阵(匹配)传输天线阵列如图1,是信号的电压矢量。在大多数通信系统中,功率约束依赖于传输能量信号的来源。传输功率约束可以表示为(21] 在哪里操作和期望吗是信号的均方限制电压。之前的作品通常假定常数辐射功率,避免传输天线的互耦对信噪比的影响,从而通道容量(9]。然而,发射天线之间的耦合将需求信号输出更多的权力来源,也就是说,更高的传输能量,保证恒定辐射功率,改善信号来源的传输能力的成本是昂贵的。因此,这个常数辐射功率的限制显然是至关重要的。

因为信号来源和耦合传输天线之间的不匹配会导致反射这可能严重降低天线的增益实现信号来源导致不稳定的操作并与之交互的这些组件,将匹配网络参数矩阵用于补偿的影响传输天线阵列天线系统性能之间的耦合。鉴于射频系统的多端口特性,传输匹配网络的阻抗矩阵表示使用一块阻抗矩阵描述 用户””和“是指天线和射频系统端口如图1,分别。因此,输入阻抗匹配传输天线阵的矩阵。

当前矢量天线端口上可以与信号源电压 在哪里是传输天线的阻抗矩阵数组,然后呢是源电压对天线电流有关的传递函数。当发射天线阵直接连接到数据源,。

辐射的电场在远场区域的发射机可以与当前有关在天线端口使用辐射电模式(22] 在哪里代表一个方向立体角高程和方位的天使,分别。这个函数,这是列的,代表辐射电波字段中对单元驱动电流()与所有其他天线元素港口开路。辐射场的远场区域是由球面波正常化的因素,自由空间波数,是距离从球体的中心点,所以辐射电模式只取决于观察角(23]。

传播渠道的特点可以用传递函数关于内波场,向前撞击接收天线阵列输出的波场传播天线阵列(12,22] 在哪里表示接收立体角内信号波领域之前,负号“−”表示,波向接收者。

我们代表的辐射模式耦合接收元素引用到接收坐标原点。通过互惠,然后作为接收天线端口上的开路电压(10,22] 在哪里代表了维矩阵列,是波阻抗特征。

终止耦合接收天线阵接收匹配网络组成的块矩阵,,,以类似的方式传输匹配网络。接收端口上的开路电压 在哪里是接收天线的阻抗矩阵的数组。

类似的发射机,我们假设接收下沉逐字逐句都是独立和输入阻抗,那么电压和从内波和接收方接收负载感应噪声,分别可以表示为(11] 在哪里是匹配的接收天线阵的阻抗矩阵如图1,是传递函数相关的开路电压天线端口上接收加载电压,代表的匹配获得接收下沉,的有效噪声源电流矢量收到水槽(11]。

以上后,分布式天线系统的系统模型可以描述为 在哪里之间的传递函数的电流传输天线端口和开路信号接收天线端口上的电压,表示噪音。和分别代表了收发信号。而改变不同的传输和/或接收匹配网络,不改变给定的传输和接收天线阵列终止与不同的匹配网络。

3所示。影响相互耦合的分层时空编码的MIMO系统的误码率性能

3.1。相互耦合和多端口匹配网络

紧密结合紧密间隔的相互耦合天线导致显著的增益减少功率不匹配造成的。获得减少降低了天线阵列传递能量的能力或从字段中提取能量。MIMO系统需要消耗大量的传输功率,保证信噪比。一个潜在的解决方案将应用从信号传输和接收匹配网络源/汇耦合天线阵列从而避免不匹配的影响。之前的作品揭示了接收匹配网络对信道容量的影响。摘要影响的传输和接收匹配网络的误码率性能的SM MIMO系统进行了研究。

分布式天线系统的误码性能的调查,这是依赖于发送和接收匹配网络,将是不完整的没有考虑最优匹配网络。这些解耦和匹配的阻抗传输和接收天线阵列的特性阻抗射频系统,也就是说,。插入的无损的收到接收天线和水槽之间的匹配网络可以增加时收集到的力量。类似地,插入的无损传输发射器之间的匹配网络和传输天线还可以减少所需的信号传输能量来源固定(但任意)开车时天线电流(从而传输字段)要求时。对天线阵列的传输能力和接收能力/领域的改善,MIMO系统的误码性能与匹配传输和接收天线阵列也比那无与伦比的天线阵列。

部分首先提出了一个大大简化证明当传输和接收天线阵列的阻抗是解耦和匹配特性阻抗的射频系统,发送和接收天线端口上的等效阻抗对匹配网络本质上等于阻抗的轭合物分别传输和接收天线阵。然后,部分提供断言,当最优传输和/或接收匹配网络,收集到的负载功率是最大化任意固定内波场接收器,所需的信号来源对传输电流的传输功率最小化在传输天线端口。

引理1。考虑最优匹配网络,满足本质上,最优匹配网络维护 在哪里和在传输/接收各自的阻抗匹配网络和天线端口对匹配网络如图1。

证明。的输入阻抗匹配传输/接收天线阵系统射频端口可以表示为 假设和可逆的(省略了案例吗和是单数。结果与单数的情况下可以获得在消失的限制增加了损失。从今以后,我们将没有明确提及奇异情况下),我们画 匹配网络是无损的,也就是说, 我们得到了,从而
天线的阻抗匹配网络对港口
因此我们可以得出结论,当传输天线阻抗匹配网络连接到射频系统中,天线的阻抗匹配网络对港口等于共轭阻抗耦合天线阵的

首先,我们考虑最优接收匹配网络的影响和收集电力负荷。对于任何给定的字段,天线阵的特征可以用等效电压源表示和阻抗矩阵。水槽上的接收功率 根据最大功率传输定理,输出功率最大化当终端的阻抗矩阵等于阻抗矩阵的共轭的来源21,指出最优接收匹配网络是无损的,我们获得

其次,我们考虑最优匹配匹配网络的影响需要传输能量信号的发电机。对于任何给定的电流在传输天线端口,所需的传输信号发生器满足的力量 在哪里表示信号发电机的电压矢量天线激发电流与传输匹配网络。

根据(21),信号的交换功率可以表示为来源

因为传输匹配网络是被动的,传输放大器的输出功率必须不少于辐射功率(21]。显示,可交换的权力是最大的力量,可以传递信号的来源,我们得到的正确性。

的最大功率时将输出终端的阻抗矩阵等于源阻抗的共轭矩阵,和最优传输匹配网络是无损的,我们得到的 在哪里信号的传输能量来源是当最优匹配网络传输天线端口应用于兴奋的电流。

有关(23)和(24),我们得到

这表明匹配网络不仅最大化接收功率也最小化所需的传输能量。因此,也值得匹配网络将改善与紧凑的SM MIMO系统的误码性能天线阵列,研究在以下。

3.2。配置的数值模拟

演示应用程序的分析框架开发的纸,说明相互耦合的影响和匹配网络之间的MIMO系统信道容量耦合天线阵列,仿真建立了MIMO系统使用网络框架探索可能获得匹配网络和系统不匹配网络。

起初,部分提供代表平行偶极天线阵列,建设最优匹配网络和基于路径通道模型,然后演示了如何计算通道传递函数与这些模型。传输功率限制设置后根据参考输出系统的信噪比,SM MIMO系统的伯斯与不同间隔的天线与数值模拟计算。调制的配置方案和检测方法。

偶极子天线作为基本的天线元素用于构造天线阵列如图2。(即所有的天线特性。,active gain, pattern, and self- and mutual-coupling impedance) of parallel dipoles are calculated by a standard electromagnetic simulator software tool [24]。影响降到最低参考单天线不匹配的元素,在偶极子的长度直径的适应让偶极近的电抗与真正的阻力等于0欧姆,是波长。孤立的天线的电压驻波比小于1.05的载波频率。发送和接收天线阵列具有相同的阵列配置这里给出结果,和最大的天线元素之间的间距而相邻天线元素之间的距离如图2。满足的匹配网络是用于构造最优匹配网络传输和接收处理(25]。具体地说,是选择。

当散射传输和接收数组和对象是所有的farfield,单一的基于路径模型可以用来近似的通道。在平坦衰落信道,信道传递函数相关的接收波场传播波领域被描述为(12] 在哪里代表δ函数, 交叉极化鉴别(XPD)被定义为

因此,将与活跃的传输和接收天线阵列的辐射模式,信道响应是

1000年计算,随机实现基于路径的集群通道模型(26,27)生成基于一组参数为2.5 GHz模型典型的室内移动通信通道,是指(28)。

因为信噪比是影响天线阵列和匹配网络,归一化信噪比的假设是不合适的。摘要权力约束,限制了信号发生器的输出功率应用如图所示。对于单变量系统标准之间的偶极子是用作参考系统。获得的限制是传输能量 在哪里假定参考输出系统的信噪比,输出的通道传递函数是系统根据随机信道实现,然后呢是期望的操作。

模拟的权力限制是限制传输天线的数目(个人数据流),也就是说,。表中列出的配置的细节1。

在每个通道模型的实现,50帧组成的信号符号在每个天线传播,也就是说,一个信息的100位序列4采用qam调制星座。类型的映射用于符号映射到理想的星座点是格雷码方案。对MIMO系统的误码性能也相对于接收方案,最大似然(ML) [28),也就是说,spherical-decoding计划(29日),和/或零迫使(ZF) [30.),检测方法检测和决定分别在接收器接收到的信息。

3.3。仿真结果

SM MIMO系统的误码性能的影响,使用线性阵列天线之间的间距。当间距大到足以使相邻天线之间的互耦是可忽略的,MIMO系统的工作不错。但是,当间距小于0.5,相互耦合降低了发送和接收功率效率和扭曲的辐射模式,从而恶化时空编码的MIMO系统的性能。

在图3时空编码的MIMO系统的误码性能,相对于信噪比和被认为是。如图所示,匹配网络显著提高SM MIMO系统的性能。当匹配网络不习惯,误码率性能的差异不同间距时非常重要被认为是。然而,当使用匹配网络,SM MIMO系统的误码性能与不同的天线阵列几乎是相同的多端口匹配网络可以补偿功率不匹配引起的相互耦合。SM MIMO系统采用匹配网络的系统不匹配网络,例如,MIMO系统和匹配网络甚至比的MIMO系统表现得更好但是没有匹配网络。

在数据3(一个)和3 (b),当和的信噪比增益的匹配网络是7和7.2 dB比特错误概率与和分别在哪里是因素Ricean通道(20.]。当和的信噪比增益的匹配网络是1.5 dB和1 dB比特错误概率与和。当增加,匹配网络的信噪比增益降低天线之间的互耦的影响不太严重。当发送和接收天线的数量增加,匹配网络的信噪比增益变得更加显著。在数据3 (c)和3 (d),匹配网络的SNRgains 7 dB和5分贝间隔的天线时和。在数据3 (e)和3 (f),SM MIMO系统和被认为是。MIMO系统的信噪比增益的匹配网络是8和9 dB和。当匹配网络,MIMO系统,几乎有相同的误码率性能,比MIMO系统的性能不匹配网络。

MIMO系统的误码性能相同的数组大小被认为是在图4,长度等于数组和信噪比是16分贝引用。如图所示,SM MIMO系统的误码概率没有匹配网络增加间距的缩小,当间距小于0.5 ~。然而,MIMO系统的误码性能几乎与匹配网络维护,当间距缩小。当间距相邻天线大于0.5没有匹配,系统和网络类似的性能。也就是说,匹配网络密集时更有可能使用天线利用。

4所示。影响极化多样性时空分层编码的MIMO系统的误码性能

虽然匹配网络可以证明窄带MIMO系统的误码性能与紧凑的数组,匹配网络的实现非常困难时,天线元素之间的间距缩小,将限制宽带MIMO系统匹配网络的应用程序(31日]。为了解决构建匹配网络的难度,极化分集天线通常用于MIMO系统。部分研究MIMO系统的误码性能与极化分集天线并比较性能与MIMO系统与线性阵列。

极化分集天线通信中常用几十年来获得分集增益(32),补偿功率损耗引起的极化失配(33),等等。采用极化多样性除了空间多样性、极化分集天线之间的互耦降低相比,线性阵列两种天线阵列时占领类似卷。在[12- - - - - -14),使用偏振分集天线是一个潜在的解决方案构建多个天线体积约束移动移动通信终端。

尽管相互耦合降低,与偏振分集天线阵列的阵列收益通常是减少与copolarization天线。因此,当传播渠道的交叉极化分量并不丰富,有权力造成的损失减少的阵列增益。与copolarization比较MIMO系统的性能和极化分集天线互耦和匹配网络考虑,深入、全面的进行模拟。

本文采用不同的双极化天线和线性阵列所示0,具有相同大小的元素数量的天线阵列时一样(天线覆盖的区域显示在灰色。)如图5。数组的大小和当和4分别。XPD是用来测量中丰富的交叉极化组件传播渠道。

4.1。极化分集MIMO系统的误码率性能的影响毫升和ZF接收器

首先,被认为是毫升接收方案。SM MIMO系统的比较使用极化多样性和copolarization天线在图所示6。XPD = 0的仿真结果如图6(一)和6 (b)。当使用匹配网络,如图6(一),MIMO系统与线性阵列执行比系统极化分集天线。考虑到比特错误概率,信噪比增益的线性数组是3和2 dB时相比,偏振分集天线和4。当匹配网络是不习惯,MIMO系统与线性阵列执行比系统极化分集天线但比,当。这是因为线性阵列互耦的增加更明显比极化分集天线天线的数量增加。XPD =−6 dB的仿真结果如图6 (c)和6 (d)。交叉极化分量的传播通道短,与线性阵列与MIMO系统的性能差异和极化分集天线比,当XPD = 0。结果当使用匹配网络是相似的。

其次,ZF接收方案是如图7。XPD = 0的仿真结果如图7(一)和7 (b)。当交叉极化分量的传播渠道丰富,极化分集天线的MIMO系统的系统更好地执行与copolarization天线不管匹配网络使用。XPD =−6 dB的仿真结果如图7 (c)和7 (d)。当,与偏振分集天线MIMO系统执行比copolarization天线的MIMO系统。当,系统与极化多样性和copolarization执行类似的多样性。

一般来说,当天线的数量很小,数组的大小不是极其有限,使用偏振分集MIMO系统中采用ML接收器不能带来可观的利益尤其是匹配网络。但当ZF接收器采用偏振分集天线的MIMO系统更具吸引力。

4.2。天线方向随机性的影响与不同的天线MIMO系统的误码率性能

当应用在手持设备中,MIMO系统的主要缺点与阵列组成的平行偶极子极化失配的敏感性是由于随机取向的设备。如果发送和接收阵列是正交的,只有收到交叉极化分量;因此,信噪比很低。对极化分集天线可以接收内部字段不同的极化,极化多样性的使用天线MIMO系统中潜在的补偿极化失配的影响(34,35]。

在模拟传输天线阵列的方向是固定的,而接收天线旋转中心点随机。在这里,发送和接收天线匹配。旋转天线的辐射模式由欧拉矢量旋转公式如(36]。

如图8,SM MIMO系统极化分集天线与并行执行比SM MIMO系统天线。SM MIMO系统的误码性能与随机旋转接收天线相似,orientation-fixed天线极化分集天线时采用。然而,当采用平行偶极子,SM MIMO系统的误码性能与随机旋转接收天线恶化明显比orientation-fixed天线。,无论何时交叉极化分量丰富(XPD = 0分贝)或缺乏(XPD =−6 dB)。

5。结论

本文采用一个精确的信号分析框架基于电路网络参数调查的传输/接收特征匹配/无与伦比的天线阵和匹配网络的影响,SM MIMO系统的误码性能。数值模拟结果表明,匹配网络可以提高SM MIMO系统的误码性能时,天线紧密间隔的。和无损的窄带MIMO系统匹配网络将保持误码性能即使天线元素之间的间距。

极化分集天线的影响在SM MIMO系统的误码性能也考虑。它表明,当比较与匹配天线MIMO系统,由于极化分集天线性能改进不明显。但当天线方向随机性,极化分集天线的MIMO系统做执行比MIMO系统copolarization天线在天线匹配或不匹配。

确认

这项工作是支持中国的国家基础研究项目合同2007 cb310605。它还支持部分由国家科技重大项目中国科技部2010 zx03007 - 001 - 01和Chuanxin清华大学的基础。