MIMO系統(tǒng)與無線信道容量的相關(guān)性研究

【摘要】 MIMO系統(tǒng)為無線通信帶來了革命性的變化。本文以影響MIMO信道容量的空域相關(guān)性為研究對象，首先闡述了MIMO系統(tǒng)的概念及其技術(shù)原理，在此基礎(chǔ)上，選取六線均勻環(huán)形天線排列建立了空間模型，從均勻分布和非均勻分布兩個方面，探討了相關(guān)性系數(shù)與信道容量的關(guān)聯(lián)，為MIMO系統(tǒng)建立可靠的通信信道起到了積極作用。

【關(guān)鍵詞】 MIMO系統(tǒng) 信道容量 空域相關(guān)性

信道作為信號的傳輸媒介，它的容量大小是衡量系統(tǒng)發(fā)送和接受信息能力的主要度量。在新一代的無線通信系統(tǒng)中，利用MIMO的多天線技術(shù)，實現(xiàn)信號的同時接受與發(fā)射，在相同的頻譜資源的情況下有效地提高信道的容量和利用率，在保證通信信號傳輸?shù)母咚佟⒏咝А⒏哔|(zhì)方面發(fā)揮了重要作用，成為以4G為代表的未來無線通信業(yè)務(wù)的核心技術(shù)之一。

一、MIMO系統(tǒng)的概念及原理

MIMO通信技術(shù)又被稱為“多輸入多輸出”通信技術(shù)，是在天線分集技術(shù)基礎(chǔ)上利用空間信道來降低信道容量衰減的一種新型通信技術(shù)，是智能天線向多天線演化過程中的產(chǎn)物，對于無線通信來說，如果在傳輸過程中采用多徑傳輸，往往會引起信道容量的衰落，成為制約通信發(fā)展的有害因素之一。與之相對的是，MIMO系統(tǒng)的使用則充分利用多天線的優(yōu)點達到趨利避害的目標，為無線通信創(chuàng)造了多個并行通信空間，大大降低了通信信號的失真率，成為促進新一代無線通信發(fā)展的重點研究領(lǐng)域。由于MIMO系統(tǒng)兩端均裝有多天線，其系統(tǒng)主要工作原理為：信源信號將信息流傳輸?shù)娇諘r信號處理系統(tǒng)，經(jīng)過編碼形成過個子信息流經(jīng)發(fā)射天線發(fā)出，然后被多徑信息通道傳輸給接受天線，再一次經(jīng)過解碼處理還原信號，MIMO系統(tǒng)得接受和發(fā)散天線之間主要是通過多徑信道進行連接。對于信道容量來說，在建筑密集的地域中的MIMO無線信道 假設(shè)其發(fā)射天線為n，接受天線為m，按照瑞利衰落模型分析，此MIMO系統(tǒng)的信道容量主要取決于三個參數(shù)：一個是系統(tǒng)的信號帶寬，主要指的是信號的最高和最低頻率之差，另外一個參數(shù)為接受端平均信燥比ρ，這是個重要的隨機變量，在一定成都上決定了信道容量的高低；最后則是系統(tǒng)的接受和發(fā)射天線數(shù)量m，n，取兩者的最小值。

二、MIMO系統(tǒng)與無線信道容量的相關(guān)性分析

2.1影響無線信道容量的主要因素

理想狀態(tài)下，MIMO系統(tǒng)的無線信道之間的矩陣是相互獨立的，如果排除時、頻、空三域的中各子信道的交互影響，無線通信的信道容量可以達到最佳狀態(tài)。但是在無線通信的實際情況中，相關(guān)性成為影響通信信道容量的不可忽視的因素，以頻率選擇為主的衰落信道，其傳遞函數(shù)主要表現(xiàn)為頻域方面的相干性，此時，傳遞函數(shù)如果在一定時間內(nèi)的傳遞無顯著地變化，則被稱為慢衰落信道，相反為快衰落信道。時域相干性也是同樣的道理。相比于時域或頻率來說，空域相關(guān)性對MIMO系統(tǒng)中的多徑信道容量造成的損害最為嚴重，這主要與MIMO系統(tǒng)的天線陣列、路徑角度、波長等多個方面有聯(lián)系，因此，通過減少空域?qū)IMO系統(tǒng)的相關(guān)影響，可以為建立可靠的通信信道奠定理論基礎(chǔ)。

2.2MIMO系統(tǒng)中空域相關(guān)性與信道容量分析

MIMO系統(tǒng)的天線常見的有均勻環(huán)形、均勻線性排列兩種，筆者將以六根完全相同的天線構(gòu)成的環(huán)形陣列為例進行分析，六根天線均勻的分布于360°圓周上，每根天線具有全方向性，無線通信的空間分布可以有兩種情況：第一種情況為在空間分布上認為是均勻分布，則角能量分布2△的倒數(shù)，其中2△為以θ為中心的達到角的范圍，如果△較小，通過普拉斯變化可得到第m個和n個天線之間的空間相關(guān)矩陣模型，在此基礎(chǔ)上通過對均勻分布的仿真實驗得知，均勻分布天線之間的相關(guān)性系數(shù)隨天線半徑的減小而增加，同時也隨△增大而幅值變小。這從另外一個角度說明MIMO系統(tǒng)空域相關(guān)性與天線半徑有著密切關(guān)系，當相關(guān)系數(shù)接近于0時，MIMO的信道容量達到最大值。第二種情況為在空間分布上認為是非均勻分布，可以得到拉普拉斯和高斯分布條件下的空間矩陣相關(guān)模型，拉普拉斯條件分布與均勻分布相關(guān)性類似，高斯分布則相關(guān)系數(shù)的變化并不明顯。由此可見，不管是服從哪種分布，如果系統(tǒng)天線如果彼此之間的間距越大、來波角域越寬、達角垂直于陣列方向時，空域相關(guān)性越差。通過采用相關(guān)系數(shù)較小的天線能夠提高通信質(zhì)量，但一定空間范圍內(nèi)，隨著MIMO系統(tǒng)天線數(shù)量的增加，將導(dǎo)致天線排列距離靠近，使得系統(tǒng)的空間相關(guān)系數(shù)變大，通信信道容量重新變小。

三、結(jié)束語

綜上所述，頻譜資源有限、無線通信環(huán)境復(fù)雜是現(xiàn)代通信不得不面對的事實，對于MIMO系統(tǒng)的信道容量研究還存在較大空間，無線通訊信道容量決定了MIMO天線的選擇與設(shè)計，因此，這就加大對空域相關(guān)性的研究力度，成為提高無線通信的信道容量、降低失真率的重要途徑。