[发明专利]一种基于虚源理论的6极化MIMO信道建模方法

说明书

技术领域

本发明涉及MIMO无线通信领域，尤其一种基于虚源理论的6极化MIMO信道建模方法。

背景技术

随着移动多媒体和移动互联网等多种高数据率无线业务的飞速发展，在无线通信网络中对带宽的需求不断增加。然而无线频谱是不可再生的资源，因此有限的带宽将严重制约未来高速无线通信系统的发展。无线通信的研究者不得不对电磁波的信息传输能力进行重新审视，以获得频谱效率更高的无线传输技术。MIMO技术由于在频谱利用率和网络覆盖等方面极具潜力而成为多种新一代无线信息传输系统中不可或缺的核心技术，如蜂窝系统中的3GPP LTE，WiMAX，无线局域网系统中的IEEE 802.11n等。然而，在单极化MIMO系统中，对于散射丰富的环境，获得独立衰落支路所需的发射、接收天线阵元间距至少要达到半个波长，而对于多径角度扩展较小的环境，则需要5到10倍波长甚至更大的阵元间距，因此MIMO系统在小尺寸的便携收发设备中很难实现。因此近年来人们逐渐把目光转向可以缩小收发阵孔径的多极化MIMO技术。

一个MIMO系统所能支持的独立子信道数可以表示为系统的自由度。与单极化MIMO系统中利用收发阵元的空间距离来获得MIMO自由度不同，多极化MIMO技术通过对电磁波极化特性的利用来进一步提高无线通信系统的信息传输能力，使无线通信系统的容量在时域、频域和空域之外又获得了另一个维度。更重要的是多极化MIMO系统可利用空间共点的多极化发射和接收天线来实现，从而使MIMO技术可以在一些设备尺寸受限的场合得到应用。

虽然在传统的抗衰落技术中，也考虑通过不同的极化状态来获得分集增益，但这些系统多限于使用水平和垂直两种极化，而6极化MIMO技术可以对电磁场中E_x，E_y，E_z和H_x，H_y，Y_z共6个极化状态进行利用。最近一些研究表明通过发射和接收端对这6种极化状态的利用可以获得一个6×6的MIMO系统，这个系统的自由度为2到6之间，主要受环境的散射特性影响。由于多极化MIMO系统的信道特性对环境中散射体的分布和材料等非常敏感，因此建立符合实际环境的信道模型对于评估多极化MIMO系统性能有着至关重要的意义。虽然关于单极化MIMO信道建模方法的研究已趋于成熟，但人们对多极化MIMO信道建模的原理和方法研究在世界范围内还处在起步阶段。与单极化MIMO相比，多极化MIMO信道建模的难度更大，因为要考虑信道中散射体对不同极化状态信号间的耦合作用。与常用的2极化相比，6极化MIMO系统不但要考虑不同极化的电场信号间的耦合，还要考虑各种极化的磁场信号间以及电场和磁场信号间的相互耦合，而这些耦合作用具有复杂的物理机制，因此目前还没有公认的6极化MIMO信道模型。此外，已有考虑极化的MIMO信道建模多针对2极化或3极化，而关于更多重极化的MIMO信道模型还很缺乏。在这些考虑极化的MIMO信道建模中，多采用基于统计分析的建模方法。这些模型主要可以归纳为两类，一类基于散射矩阵，另一类基于极化信号的相关性。虽然这种基于统计分析的信道建模方法可以使我们从宏观上对多极化MIMO信道的统计特性有所认识，但从微观角度这种信道模型无法从物理上体现多极化MIMO信道特性的细节。在基于散射矩阵的多极化MIMO信道建模中，一般认为散射后信号的相位在[0，2π)内均匀分布，而功率的变化则通过XPD(cross-polarization discrimination)来体现，这些XPD一般被描述为正态分布的随机变量。因为这些信道模型中一般考虑散射体均匀分布的丰富散射环境，因此认为经过散射后信号的相位变化均匀分布，但实际信道中可能具有稀疏多径的情况，散射后信号的幅度和相位变化与散射体的分布以及收发阵与散射体的相对位置因素等都有密切的关系，而这些关系很难通过这种基于统计的信道模型来体现。在基于极化信号相关性的多极化MIMO信道建模中，通过多径的AOD(angle of departure)和AOA(angle of arrival)的不同分布来描述不同的信道散射环境，多针对这些角度的分布进行假设，然后得到它们与不同极化状态信道响应相关系数的关系，用随机相关矩阵模型来进行信道建模。然而，这种建模方法中没有体现信道散射过程对极化耦合的作用，也无法直接体现MIMO信道容量与其传播环境间的关系以及收发阵的结构和位置等参数对MIMO信道特性的影响。此外，这种建模方法中多针对AOD和AOA的连续、均匀分布情况，而对强直达信号和稀疏多径等信道情况下的应用较为困难。此外，在已有多极化MIMO信道分析中多进行远场平面波的假设，而这种假设会使多极化MIMO信道矩阵的计算受到不可忽略的影响。