多天線通信中的天線與信道空間域研究.pdf

1、多天線技術(shù)，包括天線的接收及發(fā)射分集、基于自適應(yīng)陣列理論的智能天線技術(shù)以及收發(fā)兩端同時應(yīng)用多天線的MIMO技術(shù)，通過獲取空間維資源顯著提高通信性能，成為下一代無線通信的關(guān)鍵技術(shù)之一，并引起越來越廣泛的研究興趣。尤其上世紀(jì)九十年代中期提出的MIMO技術(shù)，其收發(fā)端同時應(yīng)用多天線，通過空間復(fù)用技術(shù)顯著地提高信道容量，展現(xiàn)出在有限頻譜資源下實現(xiàn)高速率傳輸?shù)木薮鬂撃?。多天線技術(shù)在傳統(tǒng)的頻率、時間及功率資源基礎(chǔ)上，增加了空間維的資源以提高信道容量及

2、通信的可靠性，本論文將圍繞空間維資源，對決定著空間維資源的兩個環(huán)節(jié)：天線子系統(tǒng)及無線信道的空域特性，作出系統(tǒng)而深入的研究。現(xiàn)有的多天線技術(shù)研究主要偏向通信與信息處理學(xué)科方向，其關(guān)注點包括信源與信道編解碼、空時編解碼、調(diào)制解調(diào)及信號檢測理論、信道估計與均衡算法等，往往忽略多天線與信道部分的研究，而通過基帶傳輸模型對多天線系統(tǒng)建模。但在無線通信中，被調(diào)制的高頻信號首先通過天線發(fā)射，經(jīng)過與空間障礙物的電磁作用，最后在接收端疊加，可見，由多天線

3、子系統(tǒng)以及無線信道組成的電磁環(huán)境構(gòu)成了后端信號處理的物理基礎(chǔ)和物理限制，這也是本論文的研究意義所在。 本論文是具有跨學(xué)科的特點，并嘗試在電磁場學(xué)科與通信信息處理學(xué)科間搭起溝通的橋梁，但同時偏重應(yīng)用電磁場理論與方法進行物理上的分析，深入地研究了多天線的電磁互耦、信道的極化維資源、信道空間維資源的物理限制以及提出了一種新的可重構(gòu)天線設(shè)計并應(yīng)用到多天線通信系統(tǒng)。圍繞上述內(nèi)容，本論文系統(tǒng)而深入地研究了以下方面： 第一，系統(tǒng)地研究

4、了天線子系統(tǒng)的互耦機理、互耦補償技術(shù)及互耦對多天線系統(tǒng)的作用。首先深入地研究多天線間的互耦機理，提出了一種新的互耦補償技術(shù)，并給出了接收陣列互耦機理的嚴(yán)格推導(dǎo)；接著應(yīng)用互耦補償技術(shù)研究了多天線的互耦對MIMO系統(tǒng)性能的影響，并統(tǒng)一了現(xiàn)有文獻中的兩種對立觀點；最后，基于射頻前端電路互耦、多天線間互耦以及近場信道環(huán)境三部分存在耦合關(guān)系，提出了一種統(tǒng)一的信道模型。 第二，深入研究了極化維資源在多天線系統(tǒng)中的應(yīng)用。極化維是一種重要的空間

5、維資源，只有充分地認識極化域，才可能最大限度地利用空間資源。本部分首先分析了極化分集在移動終端中的應(yīng)用，證明了在散射豐富條件下，極化分集具有優(yōu)于空間分集的性能；接著在更廣義的無線環(huán)境下分析了多維極化分集的性能，給出了極化維資源的上限；由于極化分集的顯著缺陷是存在較大的接收功率差，因而提出了圓極化天線在MIMO中的應(yīng)用及給出其性能分析，證明了其在交叉極化鑒別度較高的場合能顯著改善性能；最后針對圓極化天線的設(shè)計相對困難，且不能共點安裝，提出

6、了一種改善極化分集的預(yù)處理方法。 第三，深入研究了給定收發(fā)端天線安裝空間條件下，無線信道空間維資源的上限。首先采用本征模的分析方法，研究忽略天線單元的電磁特性下的空間自由度，并與已有的研究成果比較，分析了異同點，同時給出了本征模理論與傳統(tǒng)的多天線信息理論的聯(lián)系；由于在一定的安裝空間下，當(dāng)天線數(shù)目增大時，天線間的互耦也將變得強烈，故最后結(jié)合天線互耦研究了信道容量的飽和問題。 本論文的最后部分提出一種緊湊的多天線設(shè)計技術(shù)，即

7、極化可重構(gòu)天線技術(shù)，并將其應(yīng)用到多天線通信中。多天線問為了實現(xiàn)良好的隔離及降低各天線接收信號間的衰落相關(guān)性，多天線的布局往往需要較大的安裝空間，這對于體積緊湊的移動終端往往不易實現(xiàn)，而且多天線系統(tǒng)往往需要多個收發(fā)射頻前端，增加了系統(tǒng)工程實現(xiàn)的復(fù)雜度和成本。本論文正是基于上述困難，提出了一種新的極化可重構(gòu)天線設(shè)計，首先給出了該天線的設(shè)計參數(shù)以及工作原理；接著分析了其在極化分集中的應(yīng)用；最后給出了在MIMO通信中結(jié)合天線選擇算法的應(yīng)用，并分