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MIMO系统容量的计算方法

上网时间：2007年11月06日

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用于多输入多输出结构的天线单元会影响无线通信系统的容量并能对抗多径效应。提高性能的一个关键是为系统方案寻找MIMO优化设计，使得无需增加天线单元，只优化现有天线就能达到目的。

Thaysen等人描述了互方向、位置以及互耦对在无限大地平面上两个相同天线间包络互相关性的影响，为确定包络相关与固定方向上距离的关系以及互耦合同固定距离时天线方向旋转的关系，他们还研究了使用两个彼此靠近，在同一地平面的相同PIFA时的对称和非对称耦合的情况，其结果(使用IE3D仿真软件仿真)阐明了如何确定天线指向与位置来使包络相关最小。研究了两种不同情形：一种是使用平行PIFA，另一种是天线间具有垂直关系，如图1所示(水平距离d的定义使得图1a的情形中，d为正值。)对于平行情况(图1a)，天线间距为10毫米，这时包络相关系数是ρe=0.8，把其中一副天线简单地旋转180度，包络相关系数就降低到ρe=0.4。类似结果对于垂直天线结构(图1b)也能观察到，这时包络相关系数从ρe=0.5下降到ρe=0.25。在垂直结构中，当开路端与馈线垂直时包络相关系数最大。

研究者们发现在平行天线情况下中心频率偏移(|S11|最小)受影响最大，每副天线在相同端都有馈入点，可观察到12%的频偏变化。与单副PIFA单元相比，另一种情形(两副天线互相垂直情况)变化量低于2%。平行结构的最大包络相关系数是ρe=0.8，当天线彼此交叠垂直时，馈线均在同一端的情况下包络相关系数取得最大值。

此外，可发现互耦与包络相关系数几乎呈指数关系。研究发现，互耦极限为-10dB，在该极限以下，包络相关系数几乎为恒定值，达到ρe=0.15，因此，降低互耦的努力将受限于这个水平。

把天线置于有限平面会影响其性能。图2给出的设计，是按照平面倒F天线(PIFA)的输入阻抗和带宽来优化天线(即改变馈入点跟到地点间的距离，这取决于PIFA在地平面的位置)。对一些性能参数(相关性和带宽)组合优化可选出最佳天线结构。不过，移动电话的外盖、人手、和头部的邻近效应也应包括进分析当中。这样，当把外盖、手、头的影响考虑进来时，最优结构的结果就可能稍有不同。

在MIMO应用中，低包络相关是必要的，天线位置和方向不仅要根据包络相关性，还要根据带宽来优化。已发现对于二元天线结构，优化的位置和方向对于MIMO性能，即带宽和天线间的包络相关，并不是获得最低包络相关性的必要因素。某种带宽也是必需的。把包络相关性和带宽同时考虑进来，就会发现B4结构形式能给出最佳性能。这里频带以1.79GHz为中心，其宽度为为中心频率的12.2%；包络相关系数低于0.1，最强互耦为-7.7dB。

从Thaysen等人研究的十五种不同双天线结构来看，包络相关性与互耦之间的关系显示出低互耦会带来低包络相关性。不过，低包络相关性却并非必然因为低互耦，还有，可观察到低互耦会导致低带宽，这主要是这些结构中天线的阻抗匹配不好引起(高反射系数)。产生高互耦的那些结构也会带来高带宽。Thaysen等人断定高耦合会降低对优化结构的自由选择范围。

考虑到增加的复杂性，相对于添加额外天线单元，则对给定数目的天线单元进行细致优化有可能列为首选。在参考文献6里，对MIMO系统的评估完全基于天线性能，如包络相关性、互耦、谐振频率、带宽和天线辐射效率，其中包络相关性和带宽特别受关注。然而，MIMO真正的优势应当是提高容量，因此，该对容量做出评估。为得到全部好处，也应该评估多径环境下的容量。

计算MIMO系统的容量需要知晓传播环境和天线结构的信息。对MIMO天线结构的现实评价要求在MIMO天线结构下进行多单元传播测量。得到多单元传播测量的一种方法是表征出真实散射环境下的实际原型。然而这是一个非常耗时的过程。此外，整个测量都必须针对所有天线方案反复进行。

Thaysen等人提出基于MIMO天线性能评估的测量方法。给出的结果融合了采用MIMO耦合矩阵测试时的天线复杂辐射模式。MIMO耦合矩阵代表在赫尔辛基市区测得的一个小型宏单元MIMO环境(例如，见参考文献39的地图)。MIMO耦合矩阵由赫尔辛基技术大学Vainikainen博士领导的小组测量得到。

通过这些多单元传播测量方法可以得到天线单元辐射模式下测得的传播路径组合。不过，这要求提取全双向传播信道参数。测量建立了一个线性发射天线阵和球形接收天线阵，构成信道探测器用来测量无线信道的空间和时间特征，天线阵均采用双极化转接天线。

发射天线阵由八个定向双极化天线单元组成，它们彼此相距半个波长(0.5λ)，对测量数据进行后处理时要从天线阵选出不同数目的单元。天线发射功率被限制到+26dBm。球形接收天线阵由32个单元组成，每个单元都跟发射天线阵的天线单元相似。位于球面的单元被用于接收端移动站。一个双极化单元由两个正交的通道组成，即与极化馈接。入射角测量的均方根(RMS)误差大致为1度。该测量系统最初是为SIMO系统开发的，但被扩展到MIMO测量。

基站信号与接收端移动台信号通过矩阵H相关联，矩阵H代表多径环境中在某个时刻以及天线空间位置的传输关系，表示为：

这里y(t)是基站传输信号，可表示为：

s(t)则是移动台接收信号：

矩阵H从下式得到：

这里αi,j是从天线i到天线j的复传输系数。

这些结果仅限于频率扁平衰落信道，因此相应的输入输出关系可被简化成B=H(t)A，这里H是窄带矩阵，它描述了多径环境中在给定时间t和天线空间位置的MIMO天线系统从第m个发射天线到第n个接收天线的复杂信道。联合测量得到的天线辐射模式和测量得到的MIMO信道，可以计算出MIMO系统容量。为计算容量，测量值必须是单个天线单元的辐射模式，这时仍需考虑其它所有单元的存在(但需要端接表示其端口电源阻抗的负载)。文献8中，复杂辐射模式在屏蔽室测量得到。分别在自由空间和更接近实际情况的环境下进行各种测量，更接近实际情况的环境即指天线贴近假手和头部来确定近似的效果。为了使MIMO评估获得尽量真实的结果，结果包括测量的宏单元MIMO环境，并结合了所研究的MIMO系统天线的辐射模式。

在SISO系统中，只有一个发射通道，用作数据传输的传统信道的香农容量是：

这里，SNR是信号噪声比。在未知信道特征的条件下，分配发射功率的最好办法是把功率平均分配给所有的发射天线单元。在信道未知和均匀分配功率的条件下，这样一个MIMO系统的容量定义为：