基于全波分析的MIMO無線傳輸模型.pdf

1、隨著現(xiàn)代無線通信技術(shù)的發(fā)展，高性能、大容量的無線通信技術(shù)已經(jīng)成為了業(yè)內(nèi)研究的熱點(diǎn)。由于各種無線通信業(yè)務(wù)和寬帶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的不斷發(fā)展，無線資源，尤其是頻譜資源變得越來越緊張，如何更高效地利用這些有限的通信資源已經(jīng)成為第三代和第四代移動通信技術(shù)發(fā)展的焦點(diǎn)所在。研究表明，使用多天線的MIMO技術(shù)能夠充分利用空間資源，在不增加系統(tǒng)帶寬和天線總發(fā)射功率的情況下，可有效對抗無線信道衰落的影響，大大提高系統(tǒng)的頻譜利用率和信道容量，因而，MIMO技術(shù)已經(jīng)被

2、認(rèn)為是未來無線通信系統(tǒng)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。 然而，目前MIMO系統(tǒng)的分析方法和模型在某些方面還存在一些不足?，F(xiàn)有MIMO系統(tǒng)的研究，對于收發(fā)天線往往采用全向化的理想假設(shè)以簡化計(jì)算，忽略了天線的形式和特性對收發(fā)信號以及無線信道的作用。另外，現(xiàn)有的MIMO模型是基于點(diǎn)對點(diǎn)的傳輸系統(tǒng)，丟失了信號的空間分布和相位變化信息。在信道建模方面通常采用射線法作為理論模型，即假設(shè)信號以射線形式傳播及反射，但射線法成立的前提是入射物體尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于波長，

3、當(dāng)物體尺寸與波長可比擬的情況下則射線法失效。可見，由于現(xiàn)有的MIMO分析方法采用了一些理想化的模型并忽略了一些相關(guān)因素以達(dá)到簡化分析的目的，因而丟失了許多有用的信息，使得在某些特定環(huán)境下的實(shí)際測量結(jié)果與理論分析結(jié)果產(chǎn)生較大的差別。因此針對MIMO研究中存在的上述問題，尋求包含具體收發(fā)天線和空間信道在內(nèi)的更為可靠的MIMO系統(tǒng)分析方法是很有必要的。 本文運(yùn)用電磁場基本理論結(jié)合全波分析方法分析MIMO無線傳輸模型的特性，重點(diǎn)分析了M

4、IMO系統(tǒng)中收發(fā)天線的特性以及它們對于MIMO系統(tǒng)的影響。本文提出使用收發(fā)天線上的電流分布作為MIMO系統(tǒng)收發(fā)信號的表征方式，其原因是由于電流分布不僅包含幅度、相位和空間分布信息，而且是收發(fā)天線具體特性和天線陣列互耦等一系列信道信息影響的綜合結(jié)果，在理論上甚至可以由天線電流分布得到整個(gè)空域的場分布，故而采用電流分布作為分析對象實(shí)質(zhì)上包含了更為豐富和完整的系統(tǒng)信息。 為了能夠精確得到收發(fā)天線上的電流分布，本文通過建立完整和詳細(xì)的收

5、發(fā)系統(tǒng)模型，采用電磁場全波分析方法編程計(jì)算得到特定環(huán)境下天線電流分布的精確解。故本文首先使用不同方法求解天線陣列的電流分布，以此證明了該方法的正確性并且說明針對不同問題選用不同的數(shù)值計(jì)算方法以減少計(jì)算時(shí)間并提高計(jì)算精度。 其次本文從電流分布的角度詳細(xì)研究了MIMO系統(tǒng)收發(fā)端天線陣列間的互耦效應(yīng)和MIMO信道的空間相關(guān)性等影響MIMO系統(tǒng)性能的基本因素。MATLAB仿真結(jié)果表明，天線間的互耦效應(yīng)使得天線陣列單元上的電流分布圍繞不計(jì)

6、互耦下的電流分布波動，其波動的特性類似于貝塞爾函數(shù)特性，與現(xiàn)有的理論分析結(jié)果和測量結(jié)果十分吻合，這也從電磁角度揭示了天線互耦效應(yīng)對MIMO系統(tǒng)影響的原因。此外，仿真結(jié)果還證明了從電流分布角度定義MIMO信道空間相關(guān)系數(shù)方法的準(zhǔn)確性和有效性，并且在計(jì)算過程中本文首次提出以來波角譜能量比為原則確定理論分析模型的參數(shù)，并且證明了用該方法建立的模型能夠適用于多種來波角譜分布的情況，這也為在不規(guī)則來波角譜或者具有多個(gè)主方向的來波角譜分布環(huán)境提供了