[发明专利]一种利用球面波模型的非均匀天线阵列系统设计方法

说明书

本发明涉及无线通信技术领域，公开了一种利用球面波模型的非均匀天线阵列系统设计方法，包括以下步骤：S1、建立非均匀收发天线阵列的天线阵列架构；S2、根据建立的天线阵列架构，建立包含球面波特征的信道模型；S3、利用统计信道信息，设计出最优发发射方向和其功率分配；S4、最后，基于容量最大准则，在最优发射策略下，给出最优的天线阵元设计准则。本发明能够给出在不同信噪比下，天线设计方法准则，使得阵列天线设计方法比其他的阵列天线的设计方法性能更优。

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种利用球面波模型的非均匀天线阵列系统设计方法。

背景技术

近年来，随着手机、平板等智能终端的广泛普及，移动数据业务量呈现爆炸式增长，而现有的无线通信系统已经逐渐不能满足如此庞大的业务需求。因此，学术界和产业界相继展开了针对第五代移动通信技术(5th Generation,5G)的研究。而大规模MIMO(Multiple Input Multiple Output，MIMO)技术作为5G的关键技术之一，相比现有的第四代移动通信技术(4th Generation,4G)技术，由于其能够非常显著地提升通信系统的频谱效率和能量效率，目前已成为国内外研究的热点。

在MIMO系统中，使用平面波模型进行通信严重低估了系统的信道容量。相比于平面波，使用球面波模型进行通信可以显著增加系统容量；对于球面波模型的MIMO系统，现有技术大多都是关于均匀天线阵列的设计方案，其设计方案大多研究的都是在直视信道下，对于均匀天线的天线间距、天线方位角、收发天线间的距离等对系统性能的影响。而在三维空间中的均匀天线阵列下，目前也只是研究了系统的最优预编码设计方法。

但是如何在莱斯信道下研究非均匀线性天线阵列设计以及预编码设计方法，以及如何设计非均匀天线的摆放位置，是本领域一直需要解决的技术问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种利用球面波模型的非均匀天线阵列系统设计方法，能够给出在不同信噪比下，天线设计方法准则，使得阵列天线设计方法比其他的阵列天线的设计方法性能更优。

本发明通过以下技术手段解决上述技术问题：

一种利用球面波模型的非均匀天线阵列系统设计方法，其特征在于：依据球面波模型设计非均匀天线阵列系统的预编码及阵列天线设计方式，具体包括以下步骤：

S1、建立收发均为非均匀天线阵列的天线阵列架构，并且根据球面波模型建立信号模型；

S2、建立信道模型，并假设接收端知道信道全部的状态信息，发射端知道信道的统计状态信息，得出系统容量表达式为：

其中，Q是发射信号的相关矩阵Q＝E{SS^H}，ρ为E_S/N₀，U是的特征向量矩阵，Λ是特征分解对角矩阵，Λ_Q是Q的特征分解对角矩阵；

利用Jensen不等式，利用统计信息推导信道遍历容量上界为：

S3、设计2发M收系统的最优发射方向：利用统计信息，求得2发M收非均匀天线阵列系统最优发射方向式及最优功率分配方案，具体包括以下步骤：根据接收信号表达式，推导最优的发射方向为信道响应矩阵右奇异矩阵，利用矩阵分析知识求解2发M收非均匀线性天线阵列系统传输矩阵右奇异矩阵；证明容量上界表达式是关于功率的凸函数，利用KKT条件求解最优的功率分配方案；

S4、根据功率分配方案后容量闭式解，求解不同信噪比下阵列天线设计方法具体包括以下步骤：分析容量闭式解凹凸性，得出闭式解是个复合函数，根据复合函数中的子函数的单调性得出非均匀阵列天线参数取端点值容量最大结论；依据容量闭式解函数性质，判断不同信燥比条件下容量函数子函数单调性，确定系统最优非线均匀阵列天线参数取值；