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对Y型MIMO天线系统阵元相关性及信道容量的研究

作　者: 季榉
导　师: 周杰
学　校: 南京信息工程大学
专　业: 系统分析与集成
关键词: MIMO Y型阵空间相关性互耦效应信道容量三维
分类号: TN820
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

MIMO (Multiple-input Multiple-output)通信系统在对抗无线信道衰落的影响、提高频谱效率以及增大系统信道容量上表现优越,MIMO多天线系统的性能主要由表征着系统信道特征的空间相关性函数决定。本文创新性地提出了接收端为Y型的无线MIMO系统信道模型,研究了不同入射信号分布下Y型阵列的阵元相关性变化以及二维平面和三维条件下互耦效应对于接收端为Y型阵列的MIMO系统性能的影响。以下为全文的具体工作：第一,以Y型天线阵列为模型,推导出当入射信号分别为均匀分布、高斯分布和拉普拉斯分布时天线阵元间的相关性精确公式,同时根据三角公式和改进的贝塞尔函数推导出相关性近似公式,发现该公式同样适用于均匀圆型(UCA)阵列。仿真分析了在入射信号为高斯分布和均匀分布时扩展角、阵元间距、阵元数目等不同因素对于Y型阵列空间相关性的影响。通过matlab软件数值分析后得出结论,近似计算具有非常好的计算效率,可进一步用于MIMO系统的其他性能研究与仿真当中。第二,分析了互耦效应对于多天线系统性能的影响,通过等效分析法对MIMO系统天线模型进行简化分析,从而得出阻抗矩阵和收发端的耦合矩阵。推导出互耦效应下Y型阵列和UCA阵列的阵元相关性通用表达式。通过matlab软件仿真对比得出结论,互耦效应下天线阵元间的相关性围绕无互耦时的相关性上下波动,天线阵元间的距离越小,互耦效应对相关性的影响越强。第三,针对在互耦效应影响下,MIMO天线阵列在阵元间距较小及平均波达角较大时信道容量会急剧下降的问题,建立网络等效模型,并在来波角谱为高斯分布的情况下,分析了入射信号的中心到达角和角度扩展分别对接收端为Y型阵和均匀圆型阵(UCA)的系统信道容量的影响。仿真结果表明：接收端为Y型阵列的无线MIMO系统具有较强的抗互耦能力和稳定的信道容量,且信道容量优于均匀圆型(UCA)天线阵列,能有效地改善阵列互耦效应,提高系统性能。第四,在二维平面Y型阵的基础上,提出了接收端为Y型的三维空间信道模型,将MIMO的一般信道建模推广到三维空间域,建立其在互耦效应下的等效网络模型,推导出三维条件下的互耦相关性表达式。利用该公式分析了互耦效应下当接收端为Y型天线阵列时不同的角度扩展对于无线MIMO系统阵元相关性的影响。通过matlab软件数值仿真了互耦效应下入射信号方位扩展角、入射信号俯仰扩展角、中心到达角以及到达俯仰角对于系统信道容量的影响并与UCA阵列进行对比,得出结论：接收端为Y型阵的天线系统信道容量相对于UCA更加稳定,且在三维条件下具有更强的抗互耦能力。

全文目录

目录  3-5
摘要  5-6
ABSTRACT  6-8
第一章绪论  8-15
  1.1 MIMO背景及研究意义  8-9
  1.2 MIMO技术优点、系统特征及问题  9-13
    1.2.1 MIMO通信系统技术特点  10
    1.2.2 MIMO通信系统主要特征  10-12
    1.2.3 MIMO通信系统中的问题  12-13
  1.3 互耦效应对于MIMO系统性能的影响  13-14
  1.4 论文的主要工作及章节安排  14-15
第二章入射角能量分布对Y型阵列天线空间相关性的影响  15-42
  2.1 无线衰落信道的基本特征  15-21
    2.1.1 大尺度衰落  16-17
    2.1.2 小尺度衰落  17-19
    2.1.3 频率选择性衰落  19-20
    2.1.4 时间选择性衰落  20-21
    2.1.5 空间选择性衰落  21
  2.2 MIMO系统的信道模型  21-29
    2.2.1 确定性MIMO信道模型  22-23
    2.2.2 随机性MIMO信道模型  23-29
  2.3 Y型天线阵列和阵元间空间相关性  29-40
    2.3.1 Y型天线阵列模型  29-31
    2.3.2 Y型阵列阵元间空间相关性  31-40
  2.4 本章小结  40-42
第三章互耦效应对Y型阵列阵元相关性及系统信道容量的影响  42-59
  3.1 引言  42-43
  3.2 互耦效应下天线阵元间的相关性  43-51
    3.2.1 天线收发端耦合矩阵  43-45
    3.2.2 入射信号矢量  45
    3.2.3 互耦效应下阵元间相关性  45-51
  3.3 互耦效应下Y型天线系统信道容量  51-58
  3.4 本章小结  58-59
第四章三维空间Y型MIMO信道接收天线阵列互耦效应及系统容量分析  59-73
  4.1 引言  59-61
  4.2 三维条件下Y型阵列天线理论分析  61-65
    4.2.1 三维入射信号矢量  61-62
    4.2.2 Y型阵列三维条件下的阵元相关性  62-63
    4.2.3 互耦效应下Y型阵列阵元相关性  63-65
  4.3 MIMO多天线系统信道容量  65
  4.4 数值结果与仿真分析  65-71
    4.4.1 互耦效应下角度参数对阵元相关性的影响  66-69
    4.4.2 互耦效应下角度参数对信道容量的影响  69-71
  4.5 结论  71-73
第五章总结与展望  73-75
  5.1 本文工作总结  73-74
  5.2 未来工作展望  74-75
参考文献  75-78
致谢  78-79
攻读学位期间发表的学术论文  79

对Y型MIMO天线系统阵元相关性及信道容量的研究

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