本文選題：近距離多天線信道 + LOS信道　； 參考：《電子科技大學(xué)》2016年博士論文

【摘要】：新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)對(duì)低功耗、泛在接入、極高頻譜效率的迫切需求,驅(qū)動(dòng)了近距離多天線通信場(chǎng)景所占的比例越來(lái)越大。其突出特征是多天線陣列尺寸與收發(fā)通信距離可以比擬,電磁信號(hào)傳播的球面特征表現(xiàn)的更加充分,不再適合采用遠(yuǎn)距離通信中的平面波假設(shè)。但是,目前對(duì)于球面波特征下的近距離多天線信道的通信能力和實(shí)現(xiàn)其通信能力的關(guān)鍵技術(shù)還處于探索階段。為此,本文圍繞這兩方面的內(nèi)容開(kāi)展了初步的研究工作。在評(píng)估“通信能力”方面,重點(diǎn)研究了近距離多天線信道的空間自由度和信道容量,給出了近距離天線位置與容量界限的內(nèi)在關(guān)系;在“實(shí)現(xiàn)通信能力的關(guān)鍵技術(shù)”方面,通過(guò)優(yōu)化天線陣元位置,提高了近距離多天線LOS信道的容量,以及提出了最大化近距離多天線信道容量的預(yù)編碼傳輸。具體工作包括:首先,研究了近距離多天線信道容量。利用球面波模型,推導(dǎo)了發(fā)射端未知信道狀態(tài)信息下多發(fā)兩收近距離LOS信道容量的解析表達(dá)式,在此基礎(chǔ)上給出了兩發(fā)兩收近距離LOS信道容量的概率密度函數(shù)、累積分布函數(shù)和均值容量的解析表達(dá)式,以及富散射環(huán)境中多發(fā)兩收近距離Ricean衰落信道的遍歷容量。理論和仿真結(jié)果表明:近距離多天線LOS信道容量由波長(zhǎng)、發(fā)射天線數(shù)、陣元間隔、收發(fā)通信距離和陣列方向決定,并且隨著這些參數(shù)劇烈的波動(dòng);近距離多天線LOS信道容量的空間統(tǒng)計(jì)信息由收發(fā)陣列孔徑乘積與收發(fā)通信距離的比值決定,隨著比值的增大,獲得更高容量的概率隨之增加;富散射環(huán)境下多發(fā)兩收近距離Ricean衰落信道的遍歷容量完全由Ricean K因子和天線陣元位置所決定,可通過(guò)合理設(shè)計(jì)天線陣元位置得到最大的遍歷容量。特別的,在三發(fā)兩收的天線陣列中,當(dāng)信噪比為20d B,Ricean K因子為5d B時(shí),通過(guò)優(yōu)化天線陣元布局,能達(dá)到最大容量12.85bps/Hz。其次,研究了近距離多天線LOS信道的空間自由度。利用球面波模型,分別研究了三維空間中遠(yuǎn)距離和近距離多天線LOS信道的空間自由度。理論和仿真結(jié)果表明,在單極化線性陣列下的遠(yuǎn)距離多天線LOS信道中只能得到一個(gè)空間自由度,然而在近距離多天線LOS信道中可通過(guò)合理設(shè)計(jì)陣列方向和天線尺寸得到多個(gè)空間自由度。再次,通過(guò)優(yōu)化天線陣元位置,提高了近距離多天線LOS信道的容量。針對(duì)固定無(wú)線接入中任意方向的兩發(fā)兩收天線陣列,在聯(lián)合考慮路徑損耗和相位差的影響下,通過(guò)優(yōu)化天線陣元位置,實(shí)現(xiàn)了近距離LOS信道的最大容量。然后,針對(duì)終端移動(dòng)臺(tái)在室內(nèi)某一區(qū)域內(nèi)移動(dòng)的情況下,基于蟻群算法,通過(guò)優(yōu)化發(fā)射天線陣元位置,提高了區(qū)域內(nèi)的平均容量。最后,研究了近距離多天線信道的預(yù)編碼傳輸。使用球面波模型,分別推導(dǎo)了兩發(fā)多收近距離LOS信道和富散射環(huán)境中近距離Ricean信道的預(yù)編碼傳輸方向和其功率分配的解析表達(dá)式,并給出了其空間復(fù)用和波束成形的充要條件。理論和仿真結(jié)果表明,預(yù)編碼傳輸下的信道容量要大于或等于在所有方向進(jìn)行等功率傳輸?shù)男诺廊萘?并且兩者的差別隨著兩個(gè)發(fā)射天線空間特征圖夾角的余弦的絕對(duì)值增大而增大。特別的,在兩發(fā)三收富散射環(huán)境的近距離Ricean信道中,當(dāng)信噪比為5d B,Ricean K因子為30d B時(shí),兩者的最大差別能達(dá)到0.7bps/Hz。論文在近距離多天線通信方面做出的上述研究成果,對(duì)新一代移動(dòng)通信網(wǎng)、寬帶無(wú)線接入網(wǎng)、無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)等無(wú)線通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。
[Abstract]:The new generation mobile communication system has the urgent demand for low power, ubiquitous access and high spectral efficiency, which drives the proportion of the near distance multi antenna communication scene. Its prominent feature is that the size of the multi antenna array is compared with the distance of the transceiver communication, and the spherical characteristic of the electromagnetic signal is more fully displayed, and it is no longer suitable for mining. The plane wave assumption in long distance communication is used. However, at present, the communication ability and the key technology to realize the communication ability of the near distance multi antenna channel under the spherical Potter sign are still in the exploration stage. Therefore, this paper has carried out the preliminary research work around these two aspects. The intrinsic relationship between the location of the close range antenna and the capacity limit is given, and the capacity of the near distance multi antenna LOS channel is improved by optimizing the location of the antenna element, and the maximum near range multi antenna channel capacity is proposed. The specific work includes: first, the capacity of the near distance multi antenna channel is studied. By using the spherical wave model, the analytical expression of the capacity of the multiple two close range LOS channel under the unknown channel state information of the transmitter is derived. On this basis, the probability density function of the capacity of the two hair two close range LOS channel is given, and the cumulative probability density function is given. The analytic expression of the distribution function and the mean value capacity and the ergodic capacity of multiple two close range Ricean fading channels in the rich scattering environment. The theoretical and simulation results show that the capacity of the LOS channel of the near distance multi antenna is determined by the wavelength, the number of transmitting antennas, the interval of the array, the distance and direction of the communication and the direction of the array. The spatial statistical information of the capacity of the near distance multi antenna LOS channel is determined by the ratio of the number of the aperture product to the transceiver and the distance between the transmission and receiving communication. As the ratio increases, the probability of obtaining higher capacity increases. The traversal capacity of the multiple two receive close range Ricean fading channels in the rich scattering environment is entirely from the Ricean K factor and the antenna element. The maximum ergodicity of the antenna array can be obtained by the location of the antenna. In the antenna array of three hair two, when the signal to noise ratio is 20d B and the Ricean K factor is 5D B, the maximum capacity 12.85bps/Hz. can be achieved by optimizing the antenna array element layout, and the space freedom degree of the near distance multiple antenna LOS channel is studied. Using the spherical wave model, the spatial freedom degree of the multi antenna LOS channel in the distance and near distance in the three-dimensional space is studied. The theoretical and simulation results show that only one space degree of freedom can be obtained in the long distance multi antenna LOS channel under the single polarized linear array, but the array can be designed by a reasonable array in the short distance multi antenna LOS channel. The direction and antenna size are multiple space degrees of freedom. Thirdly, by optimizing the position of antenna element, the capacity of the near distance multi antenna LOS channel is improved. For the two antenna array with two antennas in any direction in the fixed wireless access, with the influence of the path loss and phase difference, the close distance of the antenna element is optimized by optimizing the antenna array position. In the case of the maximum capacity of the LOS channel, for the terminal mobile station moving in an indoor area, the average capacity of the region is improved by optimizing the location of the antenna array element based on the ant colony algorithm. Finally, the precoding transmission of the near distance multi antenna channel is studied. The spherical wave model is used to deduce two rounds. The precoding transmission direction and the analytical expression of the power distribution of the near range Ricean channel in the near distance LOS channel and the rich scattering environment are given, and the necessary and sufficient conditions for the space multiplexing and beamforming are given. The channel capacity, and the difference between the two, increases with the absolute value of the cosine of the two space feature maps of the two transmitting antennas. In particular, when the signal to noise ratio is 5D B and the Ricean K factor is 30d B, the maximum difference between the two antennas can reach the close range multiple antenna in 0.7bps/Hz. paper. The above research results in communication are of practical significance to the design of a new generation of mobile communication network, broadband wireless access network, wireless Internet of things and other wireless communication systems.

【學(xué)位授予單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TN92

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本文編號(hào)：1885392