一种LOS MIMO系统用均匀圆阵设计方法、系统、介质及设备

摘要

本发明公开了一种LOS MIMO系统用均匀圆阵设计方法、系统、介质及设备，建立LOS MIMO中均匀圆阵的信道模型；根据LOS MIMO中均匀圆阵的信道模型定义子信道，得到子信道之间平均相关系数γ；绘制子信道之间平均相关系数γ随设计参数η的变化曲线，选择第一个极小值点作为近似最优的设计参数ηopt；通过近似最优ηopt与接收端和发射端射频链数量NRF的线性关系确定η的拟合表达式；根据设计参数η设计发射端天线阵列的直径dt和接收端天线阵列的直径dr，完成LOS MIMO系统用均匀圆阵设计。通过本发明设计的均匀圆阵在频谱效率和误码率上优于瑞利衰落信道，其中频谱效率接近理论上界，且天线阵列的面积与射频链数量大致呈线性关系。

说明书

技术领域

本发明属于通信技术领域，具体涉及一种LOS MIMO系统用均匀圆阵设计方法、系统、介质及设备。

背景技术

毫米波主要应用于两种通信方式，分别为毫米波地面通信和毫米波卫星通信。在毫米波地面通信时常用的通信方式是中继通信，在最初毫米波的应用中，毫米波的频段主要是厘米波的高频段和毫米波的低频段，随着不断的开发，更高频段的毫米波通信设备也逐渐被应用。从2世纪90年代开始，随着多媒体业务及因特网的迅猛发展，在通信系统中对于提高传输效率及高传输质量的迫切需求，在通信行业中各种宽带接入设备的研发在火热的进行中，与此同时毫米波开始应用于无线宽带技术。为了适应5G通信的要求在无线接入网中提供丰富的可用带宽，已有研究表明毫米波传输可适用于大容量的无线通信系统。

由于毫米波通信可以增大通信容量，具有广阔的频率空间，具有较高的较好的抗干扰和抗截获性能，较高性能的提高保密通信，所以非常具有研究价值。但在毫米波通信中仍然面临主要存在LOS径的事实，此时传统的MIMO技术将变为LOS MIMO，从而使得利用MIMO技术进行高速率传输存在诸多挑战。LOS MIMO系统下在各个直射路径的相位差相近时，各个子信道相关性较大，从而导致信道容量的急剧下降。为了提升LOS MIMO系统的信道容量，需要对天线阵列的结构进行优化。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种LOS MIMO系统用均匀圆阵设计方法、系统、介质及设备，设计的天线阵列可以降低误码率，提升系统的信道容量，近似达到信道容量的理论上限。

本发明采用以下技术方案：

一种LOS MIMO系统用均匀圆阵设计方法，建立LOS MIMO中均匀圆阵的信道模型；根据LOS MIMO中均匀圆阵的信道模型定义子信道，得到子信道之间平均相关系数γ；绘制子信道之间平均相关系数γ随设计参数η的变化曲线，选择第一个极小值点作为近似最优的设计参数η

具体的，均匀圆阵的信道模型具体为：

其中，d

进一步的，第m根接收天线与第n根发射天线之间的距离d

其中，Δθ

具体的，子信道之间平均相关系数γ如下：

其中，N

具体的，η的拟合表达式具体为：

η

其中，N

具体的，发射端天线阵列的直径d

d

其中，L为接收天线与发射天线之间距离，λ为波长。

本发明的另一个技术方案是，一种LOS MIMO系统用均匀圆阵设计系统，其特征在于，包括：

输入模块，输入收发端天线间距和载波频率；

模型建立模块，计算对应天线的几何距离，建立LOS MIMO中均匀圆阵的信道模型；

计算模块，根据LOS MIMO中均匀圆阵的信道模型得到子信道之间平均相关系数γ；

处理模块，绘制子信道之间平均相关系数γ随设计参数η的变化曲线，选择第一个极小值点作为近似最优的设计参数η

拟合模块，通过近似最优η

设计模块，根据设计参数η设计发射端天线阵列的直径d

本发明的另一个技术方案是，一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行所述的方法中的任一方法。

本发明的另一个技术方案是，一种计算设备，包括：

一个或多个处理器、存储器及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在所述存储器中并被配置为所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行所述的方法中的任一方法的指令。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明一种LOS MIMO系统用均匀圆阵设计方法，在经典的基于均匀圆阵的LOSMIMO系统模型的基础上，通过改变发射端均匀圆阵直径d

进一步的，在该信道模型中，信道矩阵的各元素仅与对应天线之间的距离有关，更符合LOS环境的特性。

进一步的，根据收发天线的几何位置关系，通过勾股定理和余弦定理可以准确计算出d

进一步的，通过定义子信道之间平均相关系数，可以反映子信道之间的相关性，相关性越小说明子信道之间越独立，信道矩阵越趋于满秩，信道容量越接近理论上限。根据此时的设计参数η设计发射端均匀圆阵直径d

进一步的，当收发端距离L、载波频率f、接收端和发射端射频链数量N

进一步的，之前为了方便分析，将

综上所述，通过本发明设计的均匀圆阵在频谱效率和误码率上优于瑞利衰落信道，其中频谱效率接近理论上界，且天线阵列的面积与射频链数量大致呈线性关系。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明应用的场景示意图；

图2为发射天线阵列与接收天线阵列平移至同一平面后位置关系示意图；

图3为第m根接收天线与第n根发射天线位置示意图；

图4为本发明均匀圆阵设计流程图；

图5为近似最优设计参数随射频链数量的变化曲线图；

图6为频谱效率随信噪比的变化曲线图；

图7为误码率随信噪比的变化曲线图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。

请参阅图1，本发明一种LOS MIMO系统用均匀圆阵设计方法，在发射端和接收端具有N

请参阅图2，为平移至同一平面后位置关系示意图，由余弦定理c

请参阅图3，给出了第m根接收天线与第n根发射天线位置示意图，由勾股定理可知：

又因为通常情况下，L＞＞s

将(1)式带入(3)式即可得到(5)式。

请参阅图4，本发明一种LOS MIMO系统用均匀圆阵设计方法的具体步骤如下：

S1、建立LOS MIMO中均匀圆阵的信道模型；

其中，d

根据几何关系，应用余弦定理和泰勒展开式得到

其中，Δθ

S2、定义子信道；

h

则第m个子信道和第n个子信道的相关系数为

h

定义平均相关系数为：

将(4)、(5)、(6)代入(8)式，得

其中，η为设计参数，等于

S3、绘制γ随η的变化曲线，选择第一个极小值点作为近似最优的设计参数η

请参阅图5，给出了η

S4、通过近似最优η

η

S5、确定N

d

本发明再一个实施例中，提供一种LOS MIMO系统用均匀圆阵设计系统，该系统能够用于实现上述LOS MIMO系统用均匀圆阵设计方法，具体的，该系统包括输入模块，模型建立模块，计算模块，处理模块，拟合模块和设计模块。

其中，输入模块，输入收发端天线间距和载波频率；

模型建立模块，计算对应天线的集合距，建立LOS MIMO中均匀圆阵的信道模型；

计算模块，计算子信道之间的相关系数，得到子信道之间平均相关系数γ；

处理模块，绘制子信道之间平均相关系数γ随设计参数η的变化曲线，选择第一个极小值点作为近似最优的设计参数η

拟合模块，通过近似最优η

设计模块，确定N

本发明再一个实施例中，提供了一种终端设备，该终端设备包括处理器以及存储器，所述存储器用于存储计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，所述处理器用于执行所述计算机存储介质存储的程序指令。处理器可能是中央处理单元(Central ProcessingUnit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor、DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable GateArray，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等，其是终端的计算核心以及控制核心，其适于实现一条或一条以上指令，具体适于加载并执行一条或一条以上指令从而实现相应方法流程或相应功能；本发明实施例所述的处理器可以用于LOS MIMO系统用均匀圆阵设计的操作，包括：建立LOSMIMO中均匀圆阵的信道模型；定义子信道γ；绘制子信道γ随设计参数η的变化曲线，选择第一个极小值点作为近似最优的设计参数η

本发明再一个实施例中，本发明还提供了一种存储介质，具体为计算机可读存储介质(Memory)，所述计算机可读存储介质是终端设备中的记忆设备，用于存放程序和数据。可以理解的是，此处的计算机可读存储介质既可以包括终端设备中的内置存储介质，当然也可以包括终端设备所支持的扩展存储介质。计算机可读存储介质提供存储空间，该存储空间存储了终端的操作系统。并且，在该存储空间中还存放了适于被处理器加载并执行的一条或一条以上的指令，这些指令可以是一个或一个以上的计算机程序(包括程序代码)。需要说明的是，此处的计算机可读存储介质可以是高速RAM存储器，也可以是非不稳定的存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。

可由处理器加载并执行计算机可读存储介质中存放的一条或一条以上指令，以实现上述实施例中有关LOS MIMO系统用均匀圆阵设计方法的相应步骤；计算机可读存储介质中的一条或一条以上指令由处理器加载并执行如下步骤：建立LOS MIMO中均匀圆阵的信道模型；定义子信道γ；绘制子信道γ随设计参数η的变化曲线，选择第一个极小值点作为近似最优的设计参数η

请参阅图6和图7，分别给出了频谱效率和误码率随信噪比变化的曲线，采用8×8的均匀圆阵，接收天线与发射天线之间距离L＝100m，载波频率为75GHz，频谱效率计算如下：

在计算误码率时，在发射端采用QPSK调制，接收端使用MMSE准则进行解码，每条射频链发射10

可以看出设计的均匀圆阵，在误码率和频谱效率方面均优于瑞利衰落信道，且近似达到频谱效率的理论上界；可以让每条射频链单独驱动一根天线，提升系统性能。

请参阅图6，信噪比在-10～30dB内，本发明的频谱效率优于瑞利衰落信道，而传统的以半波长为天线间距的频谱效率与前两者相比明显较低，本发明的频谱效率与理论上界的性能差距随信噪比增大而增加，其中信噪比为30dB时，性能差距最大，约为1.52bps/Hz。

请参阅图7，信噪比在-10～30dB内，与瑞利衰落信道和传统的以半波长为天线间距相比，本发明的误码率明显更低，其中当信噪比大于15dB时，仿真中的误码率为0。

综上所述，本发明一种LOS MIMO系统用均匀圆阵设计方法、存储介质及计算设备，当收发端距离、载波频率和收发端射频链数量确定之后，可根据本发明设计均匀圆阵天线阵列，适用于LOS环境，误码率和频谱效率均优于瑞利衰落信道，其中频谱效率近似接近理论上界，同时部署成本与射频链数量大致呈线性关系。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。