一种MIMO系统中最佳天线间距的计算方法及系统

本发明属于无线通信中mimo系统的性能研究领域，具体涉及一种mimo系统中最佳天线间距的计算方法及系统。

背景技术：

1、随着无线通信技术的发展，天线对于通信系统性能的影响的研究被越来越重视。多天线系统中，天线如何布局布阵才能更好的适配通信信道是一个研究点。现有技术中多通过仿真遍历的方法来对比不同天线阵列的性能，还有一些较为复杂的优化迭代算法来实现天线稀疏。

2、多输入多输出系统的信道矩阵的条件数是用于评价mimo系统性能的关键参数。而mimo信道矩阵是由环境簇和天线矢量矩阵共同决定的。在环境簇已知的情况，怎样的天线矢量矩阵能保持甚至改善环境簇矩阵的条件数是本发明的解决的技术问题。

技术实现思路

1、为了求解得到最佳的天线间距，本发明提供了一种mimo系统中最佳天线间距的计算方法，得到最优的天线矢量矩阵来保持甚至改善环境簇矩阵的条件数，进而得到条件数最优的mimo信道矩阵。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种mimo系统中最佳天线间距的计算方法，包括以下步骤：

3、s1，设定接收端天线和发送端天线均为全向天线，在随机几何信道模型下，建立信道矩阵和天线矢量矩阵、多径簇环境矩阵的关系；建立发端天线矢量矩阵和离去角、发送天线间距的关系；建立收端天线矢量矩阵和到达角、接收天线间距的关系；通信环境为一个发送端和一个接收端的下行链路，发送端的天线数量为tx，接收端的天线数量为rx，构成rx*tx的mimo信道；信道环境为随机几何描述下的nlos多径簇环境，多径数量为l；

4、s2，在mimo系统中，将信道矩阵的条件数和矩阵的奇异值的平方和作为优化目标；

5、s3，基于s2所述优化目标，将天线设定为全向天线，计算求解最优的天线间距，得到最好的mimo信道；

6、s4，将s3所述计算求解最优的天线间距问题分为发送天线数量等于环境簇数量、发送天线数量大于环境簇数量、发送天线数量小于环境簇数量三种情况求解，得到对应三种情况下的最佳天线间距。

7、s1中，在随机几何信道模型下，建立发端天线矢量矩阵ftl×tx、收端天线矢量矩阵frrx×l以及多径环境簇矩阵与信道矩阵hrx×tx的表达式如式(1a)所示；建立收端天线矢量矩阵和到达角的表达式如式(1b)所示；建立发端天线矢量矩阵和离去角的表达式如式(1c)所示；

8、

9、αl＝κdr*cos(aoal)cos(zoal),  (1b)

10、βl＝κdt*cos(aodl)cos(zodl),  (1c)

11、其中，αl表示第l条簇的入射在相邻两个接收天线上引起的相位差，βl表示第l条簇的出射在相邻两个发送天线上引起的相位差；aoal和zoal表示第l条簇在接收天线侧的到达脚(方位角和俯仰角)，aodl和zodl表示第l条簇在发送天线侧的离去角(方位角和俯仰角)；κ为电磁波在空气中传播的波数；dr表示相邻接收天线之间的距离，dt表示相邻发送天线之间的距离；a1,…,al表示l条簇的环境增益。

12、s2，在mimo系统中，将信道矩阵的条件数和矩阵的奇异值的平方和作为优化目标时：将问题转为解决发送端矢量矩阵和环境簇矩阵的乘积矩阵h′的条件数和能量与矩阵和矩阵ftl×tx的关系，如表达式(2)所示：

13、

14、其中，ai(i＝1,…,l)表示l个簇上的增益，按模值从大到小的顺序排列，索引i越小，模值越大。

15、s4中，发送天线数量和环境簇数量相等，即l＝tx，此时，发送天线矢量矩阵ftl×tx为方阵；

16、h′l×tx的奇异值的平方和由表达式(3)得出：

17、

18、其中，表示h′l×tx的l个奇异值，且按照从大到小的顺序排列，索引i越小，越大；

19、h′l×tx的条件数cond(h′l×tx)满足表达式(4)

20、

21、其中，是h′l×tx奇异值中最大的那一个，是h′l×tx奇异值中最小的那一个。

22、(4)式中等号成立的条件是矩阵ftl×tx各行正交(各列正交)，满足各行正交的天线间距表达式为(5)

23、

24、

25、其中，kl表示任意的整数，dt,opt表示最佳的天线间距。

26、s4中，发送天线数量大于环境簇数量，即l<tx，此时，发送天线矢量矩阵ftl×tx为行数小于列数的矩阵，

27、h′l×tx的奇异值的平方和与发送天线数量和环境簇数量相等的情况相同，由表达式(3)得出，

28、h′l×tx的条件数满足表达式(4)，(4)式中等号成立的条件是矩阵ftl×tx各行正交，满足各行正交的天线间距表达式为(5)。

29、s4中，发送天线数量小于环境簇数量，即l>tx，此时，发送天线矢量矩阵ftl×tx为行数大于列数的矩阵，

30、h′l×tx的奇异值的平方和与发送天线数量和环境簇数量相等的情况相同，由表达式(3)得出，

31、以l＝3，tx＝2为例，发送天线矢量矩阵的表达式为(6)，h′l×tx条件数的最优值有两种情况，a12>a22+a32和a12≤a22+a32，表达式为(7)。a12>a22+a32情况下奇异值的推导过程表示为(8).

32、

33、

34、

35、

36、

37、最佳天线间距需要满足的条件为(9)：

38、

39、βl＝κdt*cos(aodl)cos(zodl),l＝1,2,3,…,l  (9b)

40、信道矩阵的奇异值平方和表达式为(3)，仅和发送天线数量以及信道簇增益有关，最优天线间距由信道矩阵的最优条件数得到。

41、基于所述方法的构思，本发明还提供一种mimo系统中最佳天线间距的计算系统，包括模型构建模块、优化目标构建模块以及计算模块；模型构建模块设定接收端天线和发送端天线均为全向天线，在随机几何信道模型下，建立信道矩阵和天线矢量矩阵、多径簇环境矩阵的关系；建立发端天线矢量矩阵和离去角、发送天线间距的关系；建立收端天线矢量矩阵和到达角、接收天线间距的关系；通信环境为一个发送端和一个接收端的下行链路，发送端的天线数量为tx，接收端的天线数量为rx，构成rx*tx的mimo信道；信道环境为随机几何描述下的nlos多径簇环境，多径数量为l；

42、优化目标构建模块在mimo系统中，将信道矩阵的条件数和矩阵的奇异值的平方和作为优化目标；

43、计算模块用于基于所述优化目标，将天线设定为全向天线，计算求解最优的天线间距，得到最好的mimo信道；将所述计算求解最优的天线间距问题分为发送天线数量等于环境簇数量、发送天线数量大于环境簇数量、发送天线数量小于环境簇数量三种情况求解，得到对应三种情况下的最佳天线间距。

44、另外，本发明还提供一种计算机设备，包括处理器以及存储器，存储器用于存储计算机可执行程序，处理器从存储器中读取所述计算机可执行程序并执行，处理器执行计算可执行程序时能实现本文所述mimo系统中最佳天线间距的计算方法。

45、同时可以提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，能实现本文所述的mimo系统中最佳天线间距的计算方法。

46、与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：结合定量的分析天线矢量矩阵对信道矩阵条件数的影响，采用简单的方法得到最优天线间距的闭式解，给天线布局布阵提供了参考，给出了最佳的天线间距，给多输入多输出通信系统的天线组阵提供指导。