適用于毫米波los mimo的子陣列天線結(jié)構(gòu)及設(shè)計方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種適用于LOS MIMO的子陣列天線結(jié)構(gòu)及設(shè)計方法，發(fā)射端采用由相移器組成天線子陣列的陣列發(fā)射結(jié)構(gòu)，接收端既可以采用與發(fā)射端對稱的定向接收結(jié)構(gòu)，也可以采用非對稱的全向接收結(jié)構(gòu)。該設(shè)計方法通過理論計算得出滿足這一要求的歸一化天線子陣列間隔條件，實現(xiàn)點對點LOS MIMO通信中射頻等效信道的最大有效自由度，并對有效自由度的上下限進行了合理的估計。與現(xiàn)有非陣列天線結(jié)構(gòu)相比，此方案考慮了非對稱和對稱天線子陣列兩種情況，既能提供陣列增益，又能在多徑缺失的信道環(huán)境下保證一定的空間復用增益。
【專利說明】
適用于毫米波LOS ΜI MO的子陣列天線結(jié)構(gòu)及設(shè)計方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于無線通信技術(shù)領(lǐng)域，涉及到一種毫米波視距(Line Of Sight，L0S)多 輸入多輸出（Multiple Input Multiple Output，MIM0)通信中的子陣列天線結(jié)構(gòu)及設(shè)計方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著用戶的無線設(shè)備數(shù)量迅速增加，對數(shù)據(jù)速率的需求也不斷膨脹，導致現(xiàn)有無 線頻率出現(xiàn)頻譜危機。毫米波在支持極高數(shù)據(jù)速率的無線通信方面占據(jù)獨特的資源優(yōu)勢。 結(jié)合ΜΜ0技術(shù)可以利用高維信號空間通過不同的天線并行傳輸多個獨立的數(shù)據(jù)流，在不增 加額外帶寬和發(fā)射功率的條件下使用空間復用技術(shù)提高頻譜效率。
[0003] 低成本的半導體硅工藝和鍺化硅毫米波集成電路研究方面的最新突破在一定程 度上保證了毫米波通信的可行性，但是毫米波信號獨特的傳播特性使部分通信技術(shù)的使用 受到限制。主要表現(xiàn)在兩個方面，第一，路徑損耗大導致傳播距離小，目前的應(yīng)用主要集中 在室內(nèi)；第二，毫米波信道的稀疏散射特性導致多徑效應(yīng)不明顯，L0S成分占主導地位，很難 發(fā)揮ΜΜ0技術(shù)的優(yōu)勢。802. llad標準已經(jīng)提出了使用陣列天線和波束成型技術(shù)增強發(fā)射和 接收波束的方向性，用陣列增益彌補部分路徑損耗，但是只能傳輸單個數(shù)據(jù)流。
[0004] 在毫米波通信系統(tǒng)中，為了同時獲得陣列增益和空間復用增益，需要對天線的擺 放結(jié)構(gòu)進行精心的設(shè)計。本發(fā)明提出一種適用于毫米波L0S ΜΠΚ)中的子陣列天線結(jié)構(gòu)及設(shè) 計方法，發(fā)射端采用由相移器組成天線子陣列的陣列發(fā)射結(jié)構(gòu)，而接收端使用與發(fā)射端對 稱的定向接收結(jié)構(gòu)或非對稱的全向接收結(jié)構(gòu)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 發(fā)明目的：針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提出了一種適用于毫米波LOS ΜΜ0通信 系統(tǒng)的子陣列天線結(jié)構(gòu)及設(shè)計方法，該方法的優(yōu)化準則清晰明確，能最大化射頻等效信道 的有效自由度，估計出的有效自由度上下限為底層系統(tǒng)方案設(shè)計提供重要的參考信息。
[0006] 技術(shù)方案：一種適用于毫米波LOS ΜΜ0的子陣列天線結(jié)構(gòu)，發(fā)射端采用由相移器 組成天線子陣列的陣列發(fā)射結(jié)構(gòu)，包括至少兩個發(fā)射子陣列，每個子陣列包括由至少兩根 天線組成的線陣，每根天線單獨與一個相移器相連接，每個子陣列中的天線由同一個射頻 鏈路驅(qū)動，相鄰兩子陣列之間的間距大于子陣列內(nèi)相鄰兩天線的間距;接收端采用與發(fā)射 端對稱的定向接收結(jié)構(gòu)或非對稱的全向接收結(jié)構(gòu)。該設(shè)計方案可以實現(xiàn)最大化有效自由 度，優(yōu)化結(jié)果表明接收端采用與發(fā)射端對稱的定向接收結(jié)構(gòu)時，發(fā)射子陣列的間隔和接收 子陣列的間隔之積與通信距離、信號波長成正比，與子陣列的數(shù)目成反比;接收端采用與發(fā) 射端不對稱的全向接收結(jié)構(gòu)，發(fā)射子陣列的間隔和接收天線的間隔之積與通信距離、信號 波長成正比，與發(fā)射子陣列或接收天線的數(shù)目成反比。
[0007] 具體設(shè)計時，上述天線結(jié)構(gòu)的具體設(shè)計方法包括如下步驟：
[0008] (1)發(fā)射端采用由相移器組成天線子陣列的陣列發(fā)射結(jié)構(gòu)，有Nt根發(fā)射天線，平均 分配給N個發(fā)射子陣列，即Nt = PN，其中P表示每個子陣列的天線數(shù)，子陣列內(nèi)天線的間距為 dt，前一個發(fā)射子陣列的最后一根天線與后一個發(fā)射子陣列的第一根天線的間距為Dt，前一 個發(fā)射子陣列的第一根天線與后一個發(fā)射子陣列的第一根天線的間距為發(fā)射子陣列間隔 Lt =(N_1) dt+Dt ；
[0009] (2)接收機采用對稱的定向接收結(jié)構(gòu)（以接收機采用對稱的定向接收為例進行結(jié) 構(gòu)設(shè)計，非對稱的全向接收結(jié)構(gòu)設(shè)計可以直接運用對稱情況下的結(jié)論），有Nr根接收天線， 平均分配給Μ個接收子陣列，即N r = QM，其中Q表示每個子陣列的天線數(shù)，子陣列內(nèi)天線的間 距為dr，前一個接收子陣列的最后一根天線與后一個接收子陣列的第一根天線的間距為Dr， 前一個接收子陣列的第一根天線與后一個接收子陣列的第一根天線的間距為接收子陣列 間隔Lr= (M-l )dr + Dr。
[0010] (3)發(fā)射天線陣列和接收天線陣列平行放置，并且假設(shè)通信距離R遠大于發(fā)射天線 間距和接收天線間距，第η(η = 0，1，···，Ν-1)個發(fā)射子陣列中第ρ(ρ = 0，1，···，Ρ-1)根天線與 第m(m = 0,1，…，Μ-1)個接收子陣列中第q(q = 0,1，…，Q_1)根天線之間的距離rmQ+q,np+P和 L0S信道響ShmQ+q,nP+P分別表示為
[0013] 穴τ，Λ：^ΛΙ、?曰"^奴TC。[0014] 用子陣列內(nèi)的天線提供陣列增益，一般取dt = dr = λ/2。為獲得最大有 效自由度，應(yīng)使m ^n2(ni，n2 e {〇，1，…，Ν-1 })時有~，，其中
[0011]
[0012]
f表示第η個發(fā)射子陣列中第ρ根天線到所有接收天線的 信道響應(yīng)矢量，[· ]7表示轉(zhuǎn)置。將公式1和公式2代入計算，可以得到子陣列間隔Lt、Lr、子陣 列數(shù)N、M和信號波長λ、通信距離R之間應(yīng)滿足如下關(guān)系：
[0015]
(公式 3)
[0016]稱^^為歸一化子陣列間隔積。 人R
[0017]接收端采用與發(fā)射端不對稱的全向接收結(jié)構(gòu)時，接收天線數(shù)Nr = M，Q=l，相鄰兩 根接收天線間距Dr，相應(yīng)的設(shè)計準則調(diào)整為：
[0018]
(公式 4)
[0019]根據(jù)有效自由度的定義，當發(fā)射端天線間距和接收端天線間距都取為0時，等效為 一根發(fā)射天線和一根接收天線的系統(tǒng)，有效自由度取得最小值；當子陣列天線的間隔滿足 公式3或公式4時，各個子陣列天線之間互不相關(guān)，有效自由度取得最大值。在平均信噪比為 γ的條件下，對有效自由度的上下限估計為：
[0020]
[0021] 其中，V=max(N，M)。
[0022] 有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點：第一，本發(fā)明對毫米波LOS ΜΠΚ)中子陣列天線結(jié)構(gòu)的設(shè)計準則是最大化有效自由度，比最大化容量或信噪比更加具有 實際意義，結(jié)合有效自由度的上下限估計值，相關(guān)科技人員可以為實際系統(tǒng)選擇一個合理 的數(shù)據(jù)流數(shù)目；第二，本發(fā)明的設(shè)計既適用于對稱的子陣列天線定向發(fā)射和定向接收結(jié)構(gòu)， 又適用于非對稱的定向發(fā)射和全向接收結(jié)構(gòu);第三，本發(fā)明中基于L0S ΜΙΜΟ的天線子陣列 結(jié)構(gòu)，既能提供陣列增益，又能在多徑缺失的信道環(huán)境下保證一定的空間復用增益，因此適 用于毫米波通信;第四，本發(fā)明中子陣列天線結(jié)構(gòu)設(shè)計結(jié)果具有很強的魯棒性，以致在L0S Μ頂0系統(tǒng)中對通信距離變化、載波頻率偏移的敏感度較小，有效地保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
【附圖說明】
[0023]圖1為本發(fā)明中毫米波LOS MBTO對稱子陣列天線結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖2為本發(fā)明中毫米波LOS MBTO非對稱子陣列天線結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025] 圖3為本發(fā)明實施例中有效自由度隨歸一化子陣列間隔積變化的仿真圖。
【具體實施方式】
[0026] 下面結(jié)合具體實施例，結(jié)合附圖進一步闡明本發(fā)明，應(yīng)理解這些實施例僅用于說 明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀了本發(fā)明之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對本發(fā)明的 各種等價形式的修改均落于本申請所附權(quán)利要求所限定的范圍。
[0027]本發(fā)明實施例公開的一種適用于毫米波LOS ΜΜ0信道的子陣列天線結(jié)構(gòu)，發(fā)射端 采用由相移器組成天線子陣列的陣列發(fā)射結(jié)構(gòu)，每根天線單獨與一個相移器相連接，一定 數(shù)量的天線組成一個發(fā)射子陣列，每個子陣列中的天線由同一個射頻鏈路驅(qū)動，各子陣列 之間有一較大的間距以保持各個射頻鏈路之間的獨立性，子陣列內(nèi)的天線之間保持較小的 天線間距以提供一定的陣列增益;接收端采用與發(fā)射端對稱的定向接收結(jié)構(gòu)或非對稱的全 向接收結(jié)構(gòu)。該天線結(jié)構(gòu)設(shè)計方案可以實現(xiàn)最大化有效自由度，優(yōu)化結(jié)果表明發(fā)射子陣列 和接收子陣列的互間隔之積與通信距離、信號波長成正比，而與子陣列的數(shù)目成反比。下面 以具體實例來說明本發(fā)明天線結(jié)構(gòu)的具體設(shè)計過程，包括如下內(nèi)容：
[0028]如圖1所示，發(fā)射端采用由相移器組成天線子陣列的陣列發(fā)射結(jié)構(gòu)，有Nt = 32根發(fā) 射天線，平均分配給N = 4個發(fā)射子陣列，即Nt = PN，其中P = 8表示每個子陣列的天線數(shù)，子 陣列內(nèi)天線的間距為dt，前一個發(fā)射子陣列的最后一根天線與后一個發(fā)射子陣列的第一根 天線的間距為Dt，前一個發(fā)射子陣列的第一根天線與后一個發(fā)射子陣列的第一根天線的間 距為發(fā)射子陣列間隔L t = 7dt + Dt;以接收機采用對稱的定向接收為例進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，非對 稱的全向接收結(jié)構(gòu)設(shè)計可以直接運用對稱情況下的結(jié)論，有N r = 32根接收天線，平均分配 給M = 4個接收子陣列，即Nr = QM，其中Q = 8表示每個子陣列的天線數(shù)，子陣列內(nèi)天線的間距 為dr，前一個接收子陣列內(nèi)最后一根天線與后一個接收子陣列內(nèi)第一根天線的間距為Dr，前 一個接收子陣列的第一根天線與后一個接收子陣列的第一根天線的間距為接收子陣列間 隔L r = 7dr+Dr。其它參數(shù)見表1。支持不同通信距離、不同載波頻率和不同天線數(shù)及子陣列結(jié) 構(gòu)的場景可以修改本實施例中的例子得到。
[0029] 表1仿真參數(shù)設(shè)置
[0030]
[0031]【具體實施方式】如下：
[0032]發(fā)射天線陣列和接收天線陣列平行放置，并且假設(shè)通信距離R= 100m遠大于發(fā)射 天線間距和接收天線間距，第11(11 = 0，1，2,3)個發(fā)射子陣列中第？(？ = 0，1，一，7)根天線與 第m(m = 0，l，2,3)個接收子陣列中第(?((? = 0，1，···，7)根天線之間的距離r8m+q,8n+P和L0S信道 響應(yīng)h8m+q, 8n+p分別表不為
[0033]
[0034]
[0035] 其中，λ? 6.7mm表示信號波長。
[0036] 用子陣列內(nèi)的天線提供陣列增益，一般取dt = dr = X/2。為獲得最大有效自由度，應(yīng) 使ni 矣 112 (ni，112 E {〇，1，2，3 })時有〈hx"丨，hx", - 0 ?其中h8n+p = [ho, 8n+p，hi, 8n+p，…，h31，8n+p ]T表示第n個發(fā)射子陣列中第p根天線到所有接收天線的信道響應(yīng)矢量，[· ]7表示轉(zhuǎn)置。將 公式6和公式7代入計算，可以得到子陣列間隔Lt、Lr和信號波長λ之間應(yīng)滿足如下關(guān)系：
[0037]
(公式 8) 1.1
[0038] 稱·^為歸一化子陣列間隔積。 100 Λ
[0039] 如圖2所示，接收端采用與發(fā)射端不對稱的全向接收結(jié)構(gòu)時，接收天線數(shù)Nr = M = 4，Q= 1，相鄰兩根接收天線間距Dr，相應(yīng)的設(shè)計準則調(diào)整為：
[0040]
(公式 9) ..... ......Λ, ' ^' r /
[0041] 根據(jù)有效自由度的定義，當發(fā)射端天線間距和接收端天線間距都取為0時，等效為 一根發(fā)射天線和一根接收天線的系統(tǒng)，有效自由度取得最小值；當子陣列天線的間隔滿足 公式8時，各個子陣列天線之間互不相關(guān)，有效自由度取得最大值。在平均信噪比為-10dB的 條件下，對有效自由度的上下限估計為：
[0042] 0.9624 = ED0Fmin < ED0F < ED0Fmax<3.4595 (公式 10)
[0043] 為了說明本發(fā)明對毫米波LOS ΜΜ0中子陣列天線結(jié)構(gòu)設(shè)計方法的科學性和準確 性，本發(fā)明實施例還提供了發(fā)射端采用由相移器組成天線子陣列的陣列發(fā)射結(jié)構(gòu)且接收端 采用與發(fā)射端對稱的陣列接收結(jié)構(gòu)時有效自由度ED0F隨歸一化子陣列間隔積LtLr/AR變化 I r ] 的仿真曲線圖。從圖3中可以看出，有效自由度變化曲線的第一個最大值點位于^ = +處， aR 4 與公式8的計算結(jié)果一致，整條曲線上有效自由度的最小值略小于1，最大值略小于3.5,與 公式10得出的結(jié)果一致。
【主權(quán)項】
1. 一種適用于毫米波LOS ΜΙΜΟ的子陣列天線結(jié)構(gòu)，其特征在于，發(fā)射端采用由相移器 組成天線子陣列的陣列發(fā)射結(jié)構(gòu)，包括至少兩個發(fā)射子陣列，每個子陣列包括由至少兩根 天線組成的線陣，每根天線單獨與一個相移器相連接，每個子陣列中的天線由同一個射頻 鏈路驅(qū)動，相鄰兩子陣列之間的間距大于子陣列內(nèi)相鄰兩天線的間距;接收端采用與發(fā)射 端對稱的定向接收結(jié)構(gòu)或非對稱的全向接收結(jié)構(gòu)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于毫米波LOS MBTO的子陣列天線結(jié)構(gòu)，其特征在于，接收 端采用與發(fā)射端對稱的定向接收結(jié)構(gòu)，發(fā)射子陣列的間隔和接收子陣列的間隔之積與通信 距離、信號波長成正比，與子陣列的數(shù)目成反比。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于毫米波LOS MBTO的子陣列天線結(jié)構(gòu)，其特征在于，接收 端采用與發(fā)射端不對稱的全向接收結(jié)構(gòu)，發(fā)射子陣列的間隔和接收天線的間隔之積與通信 距離、信號波長成正比，與發(fā)射子陣列或接收天線的數(shù)目成反比。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于毫米波LOS MBTO的子陣列天線結(jié)構(gòu)，其特征在于，發(fā)射 端將所有發(fā)射天線平均分配給各發(fā)射子陣列。5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的適用于毫米波LOS MMO的子陣列天線結(jié)構(gòu)，其特征在于，發(fā)射 子陣列中相鄰天線的間距與接收子陣列中相鄰天線的間距相同，取值為信號波長的一半。6. -種根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于毫米波LOS MIMO的子陣列天線結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法， 其特征在于，包括： (1) 發(fā)射端采用由相移器組成天線子陣列的陣列發(fā)射結(jié)構(gòu)，將Nt根發(fā)射天線，平均分配 給N個發(fā)射子陣列，其中，每個子陣列的天線數(shù)為Ρ，子陣列內(nèi)天線的間距為d t，前一個發(fā)射 子陣列的最后一根天線與后一個發(fā)射子陣列的第一根天線的間距為Dt，前一個發(fā)射子陣列 的第一根天線與后一個發(fā)射子陣列的第一根天線的間距為發(fā)射子陣列間隔L t=(N-l)dt+ Dt; (2) 接收端采用與發(fā)射端對稱的定向接收結(jié)構(gòu)，將Nr根接收天線，平均分配給M個接收子 陣列，其中，每個子陣列的天線數(shù)為Q，子陣列內(nèi)天線的間距為dr，前一個接收子陣列的最后 一根天線與后一個接收子陣列的第一根天線的間距為Dr，前一個接收子陣列的第一根天線 與后一個接收子陣列的第一根天線的間距為接收子陣列間隔Lr=(M-l)d r+Dr; (3) 設(shè)發(fā)射天線陣列和接收天線陣列平行放置，通信距離R遠大于發(fā)射天線間距和接收 天線間距，取dt = dr = X/2;根據(jù)如下關(guān)系對子陣列間隔Lt、Lr、子陣列數(shù)N、M進行設(shè)計：7. -種根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于毫米波LOS MIMO的子陣列天線結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法， 其特征在于，包括： (1) 發(fā)射端采用由相移器組成天線子陣列的陣列發(fā)射結(jié)構(gòu)，將Nt根發(fā)射天線，平均分配 給N個發(fā)射子陣列，其中，每個子陣列的天線數(shù)為P，子陣列內(nèi)天線的間距為d t，前一個發(fā)射 子陣列的最后一根天線與后一個發(fā)射子陣列的第一根天線的間距為Dt，前一個發(fā)射子陣列 的第一根天線與后一個發(fā)射子陣列的第一根天線的間距為發(fā)射子陣列間隔L t=(N-l)dt+ Dt; (2) 接收端采用與發(fā)射端不對稱的全向接收結(jié)構(gòu)，接收天線數(shù)為Nr，相鄰兩根接收天線 間距為Dr; (3)設(shè)發(fā)射天線陣列和接收天線陣列平行放置，通信距離R遠大于發(fā)射天線間距和接收 天線間距，取dt = A/2;根據(jù)如下關(guān)系對相關(guān)參數(shù)進行設(shè)計：8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的適用于毫米波LOS MMO的子陣列天線結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，其特 征在于，所述設(shè)計方法能夠最大化有效自由度，在平均信噪比為γ的條件下，有效自由度的 上下限估計為：其中，V=max(N，M)，接收端采用與發(fā)射端不對稱的全向接收結(jié)構(gòu)時M=Nr，Q=l。
【文檔編號】H01Q21/00GK105896102SQ201610186814
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年3月29日
【發(fā)明人】何世文, 薛春林, 黃永明, 王海明, 楊綠溪, 洪偉
【申請人】東南大學