近距離多天線(xiàn)無(wú)線(xiàn)通信能力研究

孟慶昌

【摘要】 低功耗、泛在接入、極高頻譜效率開(kāi)始成為移動(dòng)通信領(lǐng)域發(fā)展的必然需求，而這些需求的滿(mǎn)足就需要得到近距離多天線(xiàn)無(wú)線(xiàn)通信的支持，為此本文就近距離多天線(xiàn)無(wú)線(xiàn)通信能力展開(kāi)了具體研究，希望這一研究能夠?yàn)槲覈?guó)移動(dòng)通信系統(tǒng)的更好發(fā)展帶來(lái)一定支持。

【關(guān)鍵字】 近距離多天線(xiàn)無(wú)線(xiàn)通信 通信能力 新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)

前言：第五代移動(dòng)通信技術(shù)將實(shí)現(xiàn)熱點(diǎn)高容量場(chǎng)景下數(shù)10Tbps/km2的流量密度，而這種近距離多天線(xiàn)通信場(chǎng)景的需求實(shí)現(xiàn)需要得到近距離多天線(xiàn)無(wú)線(xiàn)通信的支持，由此我們也能夠直觀(guān)認(rèn)識(shí)到近距離多天線(xiàn)無(wú)線(xiàn)通信能力研究具備的較高現(xiàn)實(shí)意義。

一、近距離多天線(xiàn)無(wú)線(xiàn)通信能力

對(duì)于近距離多天線(xiàn)無(wú)線(xiàn)通信能力來(lái)說(shuō)，其本身由近距離多天線(xiàn)的信道容量與近距離多天線(xiàn)的空間自由度兩部分組成。

1.1近距離多天線(xiàn)的信道容量

對(duì)于近距離多天線(xiàn)的信道容量來(lái)說(shuō)，其本身指的是近距離多天線(xiàn)無(wú)線(xiàn)通信信道可支持的最大無(wú)差錯(cuò)傳輸數(shù)據(jù)速率，這一速率本身屬于評(píng)價(jià)通信系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)，而為了較好明晰這一近距離多天線(xiàn)無(wú)線(xiàn)通信能力，我們就可以應(yīng)用球面波模型與應(yīng)用平面波模型就近距離多天線(xiàn)的信道容量展開(kāi)具體研究[1]。

1.1.1球面波模型的應(yīng)用

在忽略路徑損耗差的前提下，我們就可以應(yīng)用球面波模型的進(jìn)行近距離多天線(xiàn)的信道容量分析，通過(guò)這一分析我們就能夠得到歸一化的LOS信道矩陣，即：

在這一歸一化的LOS信道矩陣中，其本身應(yīng)用波長(zhǎng)、發(fā)射天線(xiàn)與接收天線(xiàn)距離等數(shù)據(jù)得出了得出了該矩陣，而結(jié)合泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)，我們就能在引入誤差較小的情況下完成近距離多天線(xiàn)的信道容量的求得。結(jié)合歸一化的LOS信道矩陣，我們最終能夠得到多發(fā)兩收近距離LOS信道容量會(huì)隨著收發(fā)通信距離而波動(dòng)、波長(zhǎng)越短容量所波動(dòng)的收發(fā)通信距離范圍越大，由此我們就能夠在球面波模型應(yīng)用進(jìn)行的近距離多天線(xiàn)的信道容量分析中，得出越短的波長(zhǎng)更適合近距離通信的結(jié)論。此外，球面波模型下的近距離多天線(xiàn)的信道容量會(huì)受到波長(zhǎng)、發(fā)射天線(xiàn)數(shù)、陣元間隔、收發(fā)通信距離和陣列方向等參數(shù)的影響也應(yīng)引起我們重視[2]。

1.1.2平面波模型的應(yīng)用

除了球面波模型，應(yīng)用平面波模型同樣能夠較好對(duì)近距離多天線(xiàn)的信道容量進(jìn)行分析，而通過(guò)這一分析我們就能夠得到平面波模型發(fā)射端與接收端距離，即：

在這一公式中，dm，n指的是平面波模型發(fā)射端與接收端距離，而結(jié)合這一公式并忽略路徑損耗差，我們就能夠得出平面波模型下近距離多天線(xiàn)的信道容量獨(dú)立于發(fā)射天線(xiàn)數(shù)、陣元間隔、收發(fā)通信距離、波長(zhǎng)和陣列方向，且該容量?jī)H與信噪比存在關(guān)系，而由此我們也能夠發(fā)現(xiàn)平面波模型的應(yīng)用并不能滿(mǎn)足近距離多天線(xiàn)的信道容量的分析需求[3]。

1.1.3仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證上文研究的真實(shí)性，我們還需要應(yīng)用計(jì)算機(jī)對(duì)上文得出的結(jié)論進(jìn)行仿真驗(yàn)證，而這一近距離多天線(xiàn)的信道容量仿真需要首先進(jìn)行信道矩陣特征值的求得，并通過(guò)求得的特征值算出信道容量，而結(jié)合這一仿真筆者得出了信道容量波動(dòng)范圍內(nèi)可以通過(guò)設(shè)計(jì)天線(xiàn)陣元位置使信道容量最大，而由此我們就能夠斷定上文中提到的越短的波長(zhǎng)更適合近距離通信結(jié)論的正確性[4]。

1.2近距離多天線(xiàn)的空間自由度

近距離多天線(xiàn)的信道容量同樣也屬于近距離多天線(xiàn)無(wú)線(xiàn)通信能力的具體組成，而為了較好對(duì)近距離多天線(xiàn)的空間自由度進(jìn)行分析，我們就需要展開(kāi)單極化線(xiàn)性陣列的空間自由度與三極化線(xiàn)性陣列的空間自由度研究。

1.2.1單極化線(xiàn)性陣列的空間自由度

對(duì)于應(yīng)用單極化線(xiàn)性陣列的近距離多天線(xiàn)的空間自由度分析來(lái)說(shuō)，我們需要結(jié)合三維空間中任意方向的線(xiàn)性天線(xiàn)陣列，得出單極化天線(xiàn)陣列LOS信道的沖擊響應(yīng)模型，即：

結(jié)合單極化天線(xiàn)陣列LOS信道的沖擊響應(yīng)模型，我們就可以應(yīng)用光學(xué)中的特征函數(shù)方法分析近距離多天線(xiàn)的空間自由度，而結(jié)合這一分析我們就能夠得出三維空間中單極化線(xiàn)性陣列的近距離LOS信道的空間自由度，即：

結(jié)合這一結(jié)果進(jìn)行分析我們不難發(fā)現(xiàn)，單極化線(xiàn)性陣列的近距離多天線(xiàn)的空間自由度分析反映出了這一自由度與陣列尺寸、收發(fā)距離、波長(zhǎng)、陣列方向的關(guān)系，而波長(zhǎng)越小時(shí)近距離多天線(xiàn)的空間自由度變?cè)酱?，二者呈現(xiàn)一種反比關(guān)系。

1.2.2三極化線(xiàn)性陣列的空間自由度

在應(yīng)用三極化線(xiàn)性陣列進(jìn)行的近距離多天線(xiàn)的空間自由度分析中，我們需要應(yīng)用三極化線(xiàn)性陣列的LOS信道沖擊響應(yīng)展開(kāi)具體分析，這里的三極化線(xiàn)性陣列的LOS信道沖擊響應(yīng)具體表現(xiàn)為H=（q，p）=（q，p）（I-rrH）。而結(jié)合這一LOS信道沖擊響應(yīng)，我們就能夠得出三維空間中三極化線(xiàn)性陣列的近距離LOS信道的空間自由度，即：

1.2.3仿真驗(yàn)證

為了較好驗(yàn)證上文得出結(jié)果的真實(shí)性，我們還需要對(duì)應(yīng)用單極化線(xiàn)性陣列與三極化線(xiàn)性陣列展開(kāi)的近距離多天線(xiàn)的空間自由度分析結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。在具體的仿真驗(yàn)證中，我們需要結(jié)合計(jì)算機(jī)求單極化線(xiàn)性陣列中不同陣列方向和尺寸的特征值，通過(guò)這一分解得出的特征值進(jìn)行歸一化對(duì)比，筆者發(fā)現(xiàn)比較特征函數(shù)方法和奇異值分解方法結(jié)果完全一致，而這就說(shuō)明了本文所進(jìn)行的單極化線(xiàn)性陣列的空間自由度研究可行性。

二、實(shí)現(xiàn)近距離多天線(xiàn)無(wú)線(xiàn)通信能力的策略

結(jié)合上文內(nèi)容我們能夠較為全面的了解近距離多天線(xiàn)的信道容量、近距離多天線(xiàn)的空間自由度這兩方面近距離多天線(xiàn)無(wú)線(xiàn)通信能力，而為了更為深入完成本文研究，筆者將在下文中就實(shí)現(xiàn)近距離多天線(xiàn)無(wú)線(xiàn)通信能力的策略展開(kāi)詳細(xì)論述，這一論述內(nèi)容將主要圍繞近距離多天線(xiàn)LOS信道的陣元位置優(yōu)化展開(kāi)。

在具體的近距離多天線(xiàn)無(wú)線(xiàn)通信中接收天線(xiàn)陣元位置優(yōu)化中，我們需要考慮近距離多天線(xiàn)無(wú)線(xiàn)通信中的路徑損耗和相位差，以此找到最優(yōu)天線(xiàn)陣元位置。值得注意的是，蟻群算法的應(yīng)用也能夠較好滿(mǎn)足近距離多天線(xiàn)LOS信道的陣元位置優(yōu)化需求。

結(jié)論：在本文就近距離多天線(xiàn)無(wú)線(xiàn)通信能力展開(kāi)的研究中，筆者詳細(xì)論述了近距離多天線(xiàn)無(wú)線(xiàn)通信能力、實(shí)現(xiàn)近距離多天線(xiàn)無(wú)線(xiàn)通信能力的策略，而結(jié)合這一系列內(nèi)容我們能夠較為全面的了解近距離多天線(xiàn)無(wú)線(xiàn)通信能力，希望這一認(rèn)知能夠?yàn)橄嚓P(guān)研究人員帶來(lái)一定啟發(fā)，并在一定程度上為我國(guó)第五代移動(dòng)通信系統(tǒng)的研發(fā)提供支持。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]楊勇，孫偉強(qiáng)，莊虔偉，馮濤，許勝勇，解思深.近場(chǎng)寬帶電場(chǎng)耦合天線(xiàn)的高頻結(jié)構(gòu)模擬器軟件仿真及性能分析[J].物理學(xué)報(bào)，2012，20：516-522.

[2]宋詩(shī)瑩.近距離通信中的天線(xiàn)小型化技術(shù)分析[J].電子制作，2015，22：50.

[3]萬(wàn)雅芬.中波傳輸技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及其在無(wú)線(xiàn)通信中的應(yīng)用[J].電子技術(shù)與軟件工程，2016，09：49.

[4]劉艷峰，魏兵，任新成.近場(chǎng)通信天線(xiàn)場(chǎng)分布特性仿真[J].電子測(cè)量技術(shù)，2015，08：132-134.