近距離多天線無線通信能力研究

孟慶昌

【摘要】 低功耗、泛在接入、極高頻譜效率開始成為移動通信領域發展的必然需求，而這些需求的滿足就需要得到近距離多天線無線通信的支持，為此本文就近距離多天線無線通信能力展開了具體研究，希望這一研究能夠為我國移動通信系統的更好發展帶來一定支持。

【關鍵字】 近距離多天線無線通信 通信能力 新一代移動通信系統

前言：第五代移動通信技術將實現熱點高容量場景下數10Tbps/km2的流量密度，而這種近距離多天線通信場景的需求實現需要得到近距離多天線無線通信的支持，由此我們也能夠直觀認識到近距離多天線無線通信能力研究具備的較高現實意義。

一、近距離多天線無線通信能力

對于近距離多天線無線通信能力來說，其本身由近距離多天線的信道容量與近距離多天線的空間自由度兩部分組成。

1.1近距離多天線的信道容量

對于近距離多天線的信道容量來說，其本身指的是近距離多天線無線通信信道可支持的最大無差錯傳輸數據速率，這一速率本身屬于評價通信系統性能的重要指標，而為了較好明晰這一近距離多天線無線通信能力，我們就可以應用球面波模型與應用平面波模型就近距離多天線的信道容量展開具體研究[1]。

1.1.1球面波模型的應用

在忽略路徑損耗差的前提下，我們就可以應用球面波模型的進行近距離多天線的信道容量分析，通過這一分析我們就能夠得到歸一化的LOS信道矩陣，即：

在這一歸一化的LOS信道矩陣中，其本身應用波長、發射天線與接收天線距離等數據得出了得出了該矩陣，而結合泰勒級數展開，我們就能在引入誤差較小的情況下完成近距離多天線的信道容量的求得。結合歸一化的LOS信道矩陣，我們最終能夠得到多發兩收近距離LOS信道容量會隨著收發通信距離而波動、波長越短容量所波動的收發通信距離范圍越大，由此我們就能夠在球面波模型應用進行的近距離多天線的信道容量分析中，得出越短的波長更適合近距離通信的結論。此外，球面波模型下的近距離多天線的信道容量會受到波長、發射天線數、陣元間隔、收發通信距離和陣列方向等參數的影響也應引起我們重視[2]。

1.1.2平面波模型的應用

除了球面波模型，應用平面波模型同樣能夠較好對近距離多天線的信道容量進行分析，而通過這一分析我們就能夠得到平面波模型發射端與接收端距離，即：

在這一公式中，dm，n指的是平面波模型發射端與接收端距離，而結合這一公式并忽略路徑損耗差，我們就能夠得出平面波模型下近距離多天線的信道容量獨立于發射天線數、陣元間隔、收發通信距離、波長和陣列方向，且該容量僅與信噪比存在關系，而由此我們也能夠發現平面波模型的應用并不能滿足近距離多天線的信道容量的分析需求[3]。

1.1.3仿真驗證

為了驗證上文研究的真實性，我們還需要應用計算機對上文得出的結論進行仿真驗證，而這一近距離多天線的信道容量仿真需要首先進行信道矩陣特征值的求得，并通過求得的特征值算出信道容量，而結合這一仿真筆者得出了信道容量波動范圍內可以通過設計天線陣元位置使信道容量最大，而由此我們就能夠斷定上文中提到的越短的波長更適合近距離通信結論的正確性[4]。

1.2近距離多天線的空間自由度

近距離多天線的信道容量同樣也屬于近距離多天線無線通信能力的具體組成，而為了較好對近距離多天線的空間自由度進行分析，我們就需要展開單極化線性陣列的空間自由度與三極化線性陣列的空間自由度研究。

1.2.1單極化線性陣列的空間自由度

對于應用單極化線性陣列的近距離多天線的空間自由度分析來說，我們需要結合三維空間中任意方向的線性天線陣列，得出單極化天線陣列LOS信道的沖擊響應模型，即：

結合單極化天線陣列LOS信道的沖擊響應模型，我們就可以應用光學中的特征函數方法分析近距離多天線的空間自由度，而結合這一分析我們就能夠得出三維空間中單極化線性陣列的近距離LOS信道的空間自由度，即：

結合這一結果進行分析我們不難發現，單極化線性陣列的近距離多天線的空間自由度分析反映出了這一自由度與陣列尺寸、收發距離、波長、陣列方向的關系，而波長越小時近距離多天線的空間自由度變越大，二者呈現一種反比關系。

1.2.2三極化線性陣列的空間自由度

在應用三極化線性陣列進行的近距離多天線的空間自由度分析中，我們需要應用三極化線性陣列的LOS信道沖擊響應展開具體分析，這里的三極化線性陣列的LOS信道沖擊響應具體表現為H=（q，p）=（q，p）（I-rrH）。而結合這一LOS信道沖擊響應，我們就能夠得出三維空間中三極化線性陣列的近距離LOS信道的空間自由度，即：

1.2.3仿真驗證

為了較好驗證上文得出結果的真實性，我們還需要對應用單極化線性陣列與三極化線性陣列展開的近距離多天線的空間自由度分析結果進行驗證。在具體的仿真驗證中，我們需要結合計算機求單極化線性陣列中不同陣列方向和尺寸的特征值，通過這一分解得出的特征值進行歸一化對比，筆者發現比較特征函數方法和奇異值分解方法結果完全一致，而這就說明了本文所進行的單極化線性陣列的空間自由度研究可行性。

二、實現近距離多天線無線通信能力的策略

結合上文內容我們能夠較為全面的了解近距離多天線的信道容量、近距離多天線的空間自由度這兩方面近距離多天線無線通信能力，而為了更為深入完成本文研究，筆者將在下文中就實現近距離多天線無線通信能力的策略展開詳細論述，這一論述內容將主要圍繞近距離多天線LOS信道的陣元位置優化展開。

在具體的近距離多天線無線通信中接收天線陣元位置優化中，我們需要考慮近距離多天線無線通信中的路徑損耗和相位差，以此找到最優天線陣元位置。值得注意的是，蟻群算法的應用也能夠較好滿足近距離多天線LOS信道的陣元位置優化需求。

結論：在本文就近距離多天線無線通信能力展開的研究中，筆者詳細論述了近距離多天線無線通信能力、實現近距離多天線無線通信能力的策略，而結合這一系列內容我們能夠較為全面的了解近距離多天線無線通信能力，希望這一認知能夠為相關研究人員帶來一定啟發，并在一定程度上為我國第五代移動通信系統的研發提供支持。

參 考 文 獻

[1]楊勇，孫偉強，莊虔偉，馮濤，許勝勇，解思深.近場寬帶電場耦合天線的高頻結構模擬器軟件仿真及性能分析[J].物理學報，2012，20：516-522.

[2]宋詩瑩.近距離通信中的天線小型化技術分析[J].電子制作，2015，22：50.

[3]萬雅芬.中波傳輸技術發展現狀及其在無線通信中的應用[J].電子技術與軟件工程，2016，09：49.

[4]劉艷峰，魏兵，任新成.近場通信天線場分布特性仿真[J].電子測量技術，2015，08：132-134.