MIMO信道的多端口网络匹配精确建模

摘要

多输入多输出(Multiple Input Multiple Output，MIMO)系统能够在带宽一定情况下有效提高频谱利用效率，并且可以达到很高的信道容量。因此，MIMO技术将成为第4代移动通信(LTE)主要标准之一。因而，MIMO及相关技术的研究成为当前无线通信研究热点。
　　 在MIMO通信系统中不仅天线是影响MIMO性能的主要因素，而且系统中的射频前端电路也有重要影响，如匹配电路、低噪声放大器等。我们已经建立了室内MIMO信道的模型，并用此模型研究了MIMO通信系统中天线对系统容量的影响。因而本文的研究内容是匹配网络对MIMO系统容量的影响，我们提出了一种新型的以MIMO系统容量最大化为目标的多端口网络匹配方法。
　　 首先，我们建立了带有匹配网络模块的室内MIMO信道传输模型，在该模型基础上推导出MIMO系统的信道矩阵；其次，进一步完善我们用来描述室内无线传输过程中信号衰落的模型，使该模型可以用来计算有限厚墙体或者有损介质的墙体；第三，我们采用灌水原理作为MIMO系统中功率分配准则，在此基础上首次推导出2×2MIMO无线系统的理论容量最大值，为下一步的匹配网络优化提供参考，并用数值方法验证了此最大值的有效性；最后，我们采用遗传算法来优化匹配网络的参数以获得在匹配网络待优化的参数范围内的MIMO平均容量最大值。根据上述模型和流程，我们以互耦微带线为例仿真了整个优化过程。并对优化得到的互耦微带线的结构作了验证。
　　 本文的主要工作及创新点为：1)利用数学上复角度的概念将描述室内环境中的电磁波衰落的模型从只能描述无限厚介质墙面扩展到可以描述有限厚或者有损介质的墙面；2)在建立含有匹配网络的MIMO信道模型基础上，将灌水原理作为MIMO通信中多天线的功率分配原则的情况下，我们首次严格推导和验证了2×2MIMO系统的理论最大容量上限值；3)将遗传算法应用到MIMO信道模型中的匹配网络参数的优化以取得最优室内平均容量。