本發(fā)明涉及一種大規(guī)模mimo陣列的天線結(jié)構(gòu)，具體涉及一種大規(guī)模mimo陣列的圓盤結(jié)構(gòu)，屬于陣列天線布局技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著低頻頻譜日益擁擠，人們將關(guān)注點(diǎn)轉(zhuǎn)移至毫米波頻段。由于毫米波波長達(dá)到毫米級別，因此可以在不占據(jù)更多空間的前提下，將傳統(tǒng)mimo天線數(shù)量大幅度增加，由幾個(gè)天線增加到幾十個(gè)上百個(gè)，形成大規(guī)模mimo陣列結(jié)構(gòu)。然而，在大規(guī)模mimo陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，不同結(jié)構(gòu)會具有不同的陣列流形，從而導(dǎo)致信道容量的差異。

當(dāng)前，從天線歸一化間距、信噪比、到達(dá)信號的角度擴(kuò)展等方面考慮，基站天線陣列排布為方陣、矩形面陣情況下的信道容量性能已經(jīng)得到普遍研究。雖然其信道容量相比較傳統(tǒng)mimo天線已經(jīng)得到很大改善，但是仍然存在提高的空間。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：提供一種大規(guī)模mimo陣列的天線結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)是由相等數(shù)目的天線均勻分布在每一層的圓周上，在天線總數(shù)、每一層的天線數(shù)確定的情況下，可以確定天線結(jié)構(gòu)的層數(shù)以及每一層圓周的半徑，從而確定天線結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案：

一種大規(guī)模mimo陣列的天線結(jié)構(gòu)，包括多個(gè)半徑不同的同心圓陣，各個(gè)圓陣包括相同數(shù)量的天線，這些天線均勻分布在對應(yīng)圓陣的圓周上，相鄰圓陣之間的間距相同。

作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述各個(gè)圓陣包括相同數(shù)量的天線，設(shè)為np，np為預(yù)先設(shè)定值。

作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述圓陣的半徑為rl，且

其中，l＝1,2,…,l，l為天線結(jié)構(gòu)中所有圓陣的總層數(shù)，d為天線結(jié)構(gòu)中最外層圓陣的直徑。

作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述天線結(jié)構(gòu)中，天線的總數(shù)量n＝np·l，其中，np為天線結(jié)構(gòu)中各個(gè)圓陣的天線數(shù)量，l為天線結(jié)構(gòu)中所有圓陣的總層數(shù)。

作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述天線結(jié)構(gòu)中，天線的總數(shù)量與天線結(jié)構(gòu)中所有圓陣的總層數(shù)之間為整除關(guān)系。

本發(fā)明采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果：

1、本發(fā)明大規(guī)模mimo圓盤陣列結(jié)構(gòu)，具有較低的到達(dá)角選擇性，能識別范圍更廣的來波信號。

2、本發(fā)明大規(guī)模mimo圓盤陣列結(jié)構(gòu)相較于方形、矩形陣列結(jié)構(gòu)獲得更好的信道容量。

3、本發(fā)明大規(guī)模mimo圓盤陣列結(jié)構(gòu)，為大規(guī)模mimo陣列的研究增添新的陣列形式。

附圖說明

圖1是本發(fā)明大規(guī)模mimo陣列的天線結(jié)構(gòu)的布局示意圖。

圖2是現(xiàn)有大規(guī)模mimo陣列結(jié)構(gòu)布局示意圖，其中，(a)為方形陣列、(b)為矩形陣列。

圖3是圓盤陣列結(jié)構(gòu)與方形陣列、矩形陣列結(jié)構(gòu)的信道容量隨天線間距變化的對比圖。

圖4是圓盤陣列的信道容量隨天線間距的變化曲線。

圖5是圓盤陣列的信道容量隨信噪比的變化曲線。

圖6是圓盤陣列的信道容量隨角度擴(kuò)散范圍的變化曲線。

具體實(shí)施方式

下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施方式，所述實(shí)施方式的示例在附圖中示出。下面通過參考附圖描述的實(shí)施方式是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能解釋為對本發(fā)明的限制。

本發(fā)明設(shè)計(jì)一種大規(guī)模mimo陣列的天線結(jié)構(gòu)布局，相比傳統(tǒng)mimo天線具有翻倍甚至幾十倍的天線單元數(shù)量。該結(jié)構(gòu)的天線單元總數(shù)為n＝np·l，其中np為每一層的天線單元數(shù)目，l為層數(shù)。最外層的圓周半徑為d/2，逐層遞減，每一層的半徑為：

一、方向矢量

首先以單個(gè)均勻圓陣為單位進(jìn)行考慮，假設(shè)有np個(gè)相同的全向陣列天線均勻分布一個(gè)半徑rl的圓周上：

其中，γn＝2πn/np，n＝0,1,…,np-1，rl為第l個(gè)圓周的半徑，l＝1,2,…,l。θ和φ分別為信源信號的仰角和方位角，λ為載波波長。

若存在k個(gè)用戶，則方向矩陣為：

al＝[al(θ1,φ1),al(θ2,φ2),…,al(θk,φk)]

多個(gè)半徑不同的圓陣形成圓盤，其方向矩陣可以視為多個(gè)圓陣的方向矩陣的疊加：

a＝[a1,a2,…,al]^t

其中，

二、信道矩陣

由于基站天線周圍存在散射體，會對入射波造成角度擴(kuò)散而導(dǎo)致接收信號的功率不同，用角度功率譜來描述不同到達(dá)角的來波功率，角度擴(kuò)散會導(dǎo)致信道的空間選擇性衰落。角度功率譜與來波信號平均到達(dá)角φ0、角度擴(kuò)散范圍δ以及角度擴(kuò)散的標(biāo)準(zhǔn)差σ等存在關(guān)系。以高斯分布為例，其角度功率譜為：

是歸一化系數(shù)，erf(·)為誤差函數(shù)。假設(shè)k個(gè)用戶為單天線結(jié)構(gòu)，則如果發(fā)射端的天線數(shù)目為m，則將p擴(kuò)展成m×k的矩陣。

我們將信道矩陣視作方向矩陣和角度功率譜的結(jié)合，其中，

三、mimo信道容量

mimo系統(tǒng)是綜合simo(single-inputmulti-output，單輸入多輸出)和miso(multi-inputmulti-output，多輸入單輸出)系統(tǒng)的一個(gè)自然過渡，對于n×m維的mimo系統(tǒng)，其信道矩陣h可以表示為：

設(shè)接收信號為：y＝[y1,y2,…,yn]^t，發(fā)射信號為：x＝[x1,x2,…,xm]^t，接收端噪聲為：n＝[n1,n2,…,nn]^t，則接收向量可表示為：

y＝hx+n

對于信道矩陣h固定的情形，對h進(jìn)行奇異值分解：

h＝udv^h

其中u∈c^m×n，v∈c^n×m，二者均為酉矩陣，

式中σi為h的奇異值，k為h的秩(k≤min(n,m))，λi為hh^h的非零特征值，且

可以把mimo信道等效為k個(gè)并行子信道，每個(gè)子信道由shannon公式給出，總信道容量為子信道容量之和，表示如下：

其中，det(·)表示求矩陣的行列式操作，m是發(fā)射端天線個(gè)數(shù)，im是m×m階單位矩陣，p是信號發(fā)射端的功率，σ²是接收端的功率。由于h是隨機(jī)變量，所以c也是隨機(jī)變量，從統(tǒng)計(jì)意義上對隨機(jī)變量的容量求平均值，定義遍歷信道容量：

其中，snr為信噪比，e(·)表示求期望值。

通過以上分析可以得知，角度功率譜p和陣列方向矩陣a共同影響信道矩陣h，其中陣列結(jié)構(gòu)的不同會導(dǎo)致a的不同。而h和信噪比snr又決定信道容量c，因此，陣列結(jié)構(gòu)間接決定著c。下面根據(jù)仿真圖對這些影響c的因素進(jìn)行分析。

圖1是本發(fā)明大規(guī)模mimo陣列的天線結(jié)構(gòu)的布局示意圖。圖2是現(xiàn)有大規(guī)模mimo陣列結(jié)構(gòu)布局示意圖，其中，(a)為方形陣列、(b)為矩形陣列。

圖3是三種陣列結(jié)構(gòu)的信道容量隨天線歸一化間距的關(guān)系對比圖。在圓盤陣中的d指最大圓周的直徑，如圖1所示，在方形陣中的d指邊長，如圖2的(a)，矩形陣中的d指較長邊的距離，如圖2的(b)。由圖可知，圓盤陣和方形陣的信道容量增長曲線類似，矩形陣能達(dá)到的最大值較低。最終三種結(jié)構(gòu)的信道容量均趨于穩(wěn)定。

圖4是圓盤陣列的信道容量隨天線歸一化間距之間的變化關(guān)系圖。用戶數(shù)為500，每一層的天線數(shù)目定為16，天線總數(shù)分別為64、96和144，即天線層數(shù)分別為4、6和9。接收信號平均達(dá)到角為0°，角度擴(kuò)散范圍δ為180°，角度擴(kuò)散標(biāo)準(zhǔn)差σ為50°。由圖可知，信道容量隨著天線間距的增大而增大，并趨于穩(wěn)定；天線數(shù)目越多，信道容量越高。

圖5是圓盤陣列的信道容量隨信噪比的變化關(guān)系圖。天線結(jié)構(gòu)的布局與上述圖4保持一致。根據(jù)信道容量的表達(dá)式可以得知c是隨著信噪比增大持續(xù)升高的，高信噪比情況下的升高幅度要強(qiáng)于低信噪比。

圖6是三種陣列結(jié)構(gòu)的信道容量隨著角度擴(kuò)散范圍δ的對比圖，三種結(jié)構(gòu)的天線數(shù)均為128，信噪比為20db，用戶數(shù)為500，接收信號平均達(dá)到角為0°，角度擴(kuò)散標(biāo)準(zhǔn)差σ為50°。由于圓盤陣列具有很強(qiáng)的對稱性，對到達(dá)角的方向不具有選擇性，所以其在角度擴(kuò)散范圍持續(xù)增大的時(shí)候，會比其他兩種陣列更持久地升高。由矩形陣的信道容量低于正方形陣低于圓盤陣可以得出結(jié)論，對稱性越弱，對到達(dá)角的選擇性越強(qiáng)，其信道容量越低。

總體而言，從各角度的分析結(jié)果來看，本發(fā)明的大規(guī)模mimo圓盤陣列結(jié)構(gòu)布局具有更好的性能，能夠獲得更高的信道容量。

以上實(shí)施例僅為說明本發(fā)明的技術(shù)思想，不能以此限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡是按照本發(fā)明提出的技術(shù)思想，在技術(shù)方案基礎(chǔ)上所做的任何改動(dòng)，均落入本發(fā)明保護(hù)范圍之內(nèi)。