多天线通信中的天线与信道空间域研究

摘要

多天线技术，包括天线的接收及发射分集、基于自适应阵列理论的智能天线技术以及收发两端同时应用多天线的MIMO技术，通过获取空间维资源显著提高通信性能，成为下一代无线通信的关键技术之一，并引起越来越广泛的研究兴趣。尤其上世纪九十年代中期提出的MIMO技术，其收发端同时应用多天线，通过空间复用技术显著地提高信道容量，展现出在有限频谱资源下实现高速率传输的巨大潜能。多天线技术在传统的频率、时间及功率资源基础上，增加了空间维的资源以提高信道容量及通信的可靠性，本论文将围绕空间维资源，对决定着空间维资源的两个环节：天线子系统及无线信道的空域特性，作出系统而深入的研究。现有的多天线技术研究主要偏向通信与信息处理学科方向，其关注点包括信源与信道编解码、空时编解码、调制解调及信号检测理论、信道估计与均衡算法等，往往忽略多天线与信道部分的研究，而通过基带传输模型对多天线系统建模。但在无线通信中，被调制的高频信号首先通过天线发射，经过与空间障碍物的电磁作用，最后在接收端叠加，可见，由多天线子系统以及无线信道组成的电磁环境构成了后端信号处理的物理基础和物理限制，这也是本论文的研究意义所在。 本论文是具有跨学科的特点，并尝试在电磁场学科与通信信息处理学科间搭起沟通的桥梁，但同时偏重应用电磁场理论与方法进行物理上的分析，深入地研究了多天线的电磁互耦、信道的极化维资源、信道空间维资源的物理限制以及提出了一种新的可重构天线设计并应用到多天线通信系统。围绕上述内容，本论文系统而深入地研究了以下方面： 第一，系统地研究了天线子系统的互耦机理、互耦补偿技术及互耦对多天线系统的作用。首先深入地研究多天线间的互耦机理，提出了一种新的互耦补偿技术，并给出了接收阵列互耦机理的严格推导；接着应用互耦补偿技术研究了多天线的互耦对MIMO系统性能的影响，并统一了现有文献中的两种对立观点；最后，基于射频前端电路互耦、多天线间互耦以及近场信道环境三部分存在耦合关系，提出了一种统一的信道模型。 第二，深入研究了极化维资源在多天线系统中的应用。极化维是一种重要的空间维资源，只有充分地认识极化域，才可能最大限度地利用空间资源。本部分首先分析了极化分集在移动终端中的应用，证明了在散射丰富条件下，极化分集具有优于空间分集的性能；接着在更广义的无线环境下分析了多维极化分集的性能，给出了极化维资源的上限；由于极化分集的显著缺陷是存在较大的接收功率差，因而提出了圆极化天线在MIMO中的应用及给出其性能分析，证明了其在交叉极化鉴别度较高的场合能显著改善性能；最后针对圆极化天线的设计相对困难，且不能共点安装，提出了一种改善极化分集的预处理方法。 第三，深入研究了给定收发端天线安装空间条件下，无线信道空间维资源的上限。首先采用本征模的分析方法，研究忽略天线单元的电磁特性下的空间自由度，并与已有的研究成果比较，分析了异同点，同时给出了本征模理论与传统的多天线信息理论的联系；由于在一定的安装空间下，当天线数目增大时，天线间的互耦也将变得强烈，故最后结合天线互耦研究了信道容量的饱和问题。 本论文的最后部分提出一种紧凑的多天线设计技术，即极化可重构天线技术，并将其应用到多天线通信中。多天线问为了实现良好的隔离及降低各天线接收信号间的衰落相关性，多天线的布局往往需要较大的安装空间，这对于体积紧凑的移动终端往往不易实现，而且多天线系统往往需要多个收发射频前端，增加了系统工程实现的复杂度和成本。本论文正是基于上述困难，提出了一种新的极化可重构天线设计，首先给出了该天线的设计参数以及工作原理；接着分析了其在极化分集中的应用；最后给出了在MIMO通信中结合天线选择算法的应用，并分别考虑了平面布局及背对布局两种情况。 本论文正是围绕上述四个方面，研究了决定着空间维资源的两个关键因素——多天线子系统及无线信道，为后端的信号处理提供了物理上的理论分析，并给出了应用空间维资源实现高速率和高可靠性传输的物理限制。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1多天线无线通信技术的发展简介

1.1.1无线传输所面临的困难

1.1.2多天线通信技术的提出与发展

1.2国内外的研究现状

1.3本文的主要创新点

1.4本文的组织结构

1.5本章小结

第二章多天线系统中的天线与信道研究概述

2.1多天线通信系统的天线子系统的研究

2.1.1多天线间的互耦研究

2.1.2多天线的极化和布局的研究

2.1.3天线选择的研究

2.2矩量法

2.2.1细线天线的数值分析

2.2.2非细线结构金属天线的数值分析

2.2.3数值算例

2.3多天线无线信道的研究

2.3.1信道建模的简单回顾

2.3.2多天线信道建模的概述

2.4本章小结

第三章多天线的互耦研究

3.1互耦补偿的研究

3.1.1互耦补偿技术概述

3.1.2一种新的互耦补偿方法及其理论分析

3.1.3接收阵列互阻抗的严格推导

3.2天线互耦对多天线通信性能的作用

3.2.1天线互耦对系统性能的两种对立观点

3.2.2传输矩阵的互耦修正

3.2.3随机信道模型及信道容量

3.2.4数值计算结果与分析

3.2.5小结

3.3天线互耦、射频前端电路互耦与无线信道的统一分析

3.3.1引言

3.3.2统一的多天线传输模型

3.3.3典型算例及其分析

3.3.4小结

3.4本章小结

第四章信道的极化维研究

4.1被相对忽视了的极化维

4.2极化分集在小型终端中的分集性能研究

4.2.1引言

4.2.2信道模型及相关性的推导

4.2.3仿真结果及分析

4.2.4结论

4.3多维极化分集的研究

4.3.1引言

4.3.2电流元模型与相关性分析

4.3.3半波偶极子模型

4.3.4随机信道模型及数值分析

4.3.5天线的设计思路与结论

4.4圆极化分集在MIMO无线通信中的应用

4.4.1引言

4.4.2空域相关性和平均有效增益

4.4.3三种典型多天线布局的分析

4.4.4仿真结果与性能比较

4.4.5结论及进一步的讨论

4.5一种新的提高极化分集性能的预处理方法

4.5.1引言

4.5.2传统极化分集的理论分析

4.5.3新的预处理方法的理论分析

4.5.4数值计算

4.5.5结论

4.6本章小结

第五章信道的空间自由度研究

5.1多天线通信中的本征模理论

5.1.1引言

5.1.2无散射体环境下的空间自由度计算

5.1.3多径信道环境下的空间自由度计算模型

5.1.4数值算例

5.1.5本征模理论与传统信息理论的比较

5.1.6小结

5.2考虑天线互耦下的信道容量饱和

5.2.1引言

5.2.2信道模型

5.2.3矩量法矩阵

5.2.4数值结果

5.2.5结论

5.3本章小结

第六章一种新的极化可重构天线及其在多天线系统中的应用

6.1极化可重构天线的设计

6.1.1引言

6.1.2天线设计

6.1.3进一步的优化设计

6.1.4结论及进一步的讨论

6.2极化可重构天线在天线分集中的应用

6.2.1信道模型及接收信号的协方差矩阵

6.2.2数值仿真

6.2.3小结及进一步的讨论

6.3极化可重构天线在MIMO天线选择中的应用

6.3.1天线选择算法

6.3.2平面布局

6.3.3背对布局

6.4本章小结

第七章全文总结及展望

7.1全文总结

7.2下一步研究工作的展望

致谢

参考文献

作者攻博期间取得的成果

个人简历