基于电磁矢量传感器的mimo-y型天线阵列形成方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于电磁矢量传感器的MIMO-Y型天线阵列形成方法，包括以下步骤：步骤一、计算接收端多天线为Y型阵列时的入射信号空间导向矢量；步骤二、计算基于电磁矢量传感器的所述Y型阵列导向矢量；步骤三、计算所述Y型阵列空间衰落相关性函数；步骤四、计算所述Y型阵列的阵元为电磁矢量传感器单元的空间衰落相关性。本发明通过在Y型天线阵列中引入电磁矢量传感器EVS的算法，扩展了对MIMO的系统建模，优化了MIMO多天线系统终端天线设计。
【专利说明】基于电磁矢量传感器的MlMO-Y型天线阵列形成方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及信号处理【技术领域】，尤其涉及基于电磁矢量传感器的ΜΙΜΟ-Y型天线 阵列。
【背景技术】
[0002]近年来由于移动通信入网用户迅速增加，使得无线电频谱日益拥挤。过去我们常 常通过分裂蜂窝€区或微小区的方法来提高系统容量以缓解蜂窝系统中的拥堵情况。但分 裂蜂窝小区成本高且需要重新配置蜂窝系统，自适应性天线能有效解决这个问题。由自适 应性天线^成的ΜΙΜΟ系统可以通过多径信号复用明显提高数据传输速率，以及可以通过 分集来提高接收性能。理论上能成倍的提高ΜΙΜΟ多径信道容量，并且不需要额外占用系统 频谱资源，因此ΜΙΜΟ多天线收发技术拥有广泛的发展前景。且目前多输入多输出技术已经 实现了在固定宽带无线接入中的应用。
[0003] 在ΜΙΜΟ无线收发技术中，通常可以通过增加天线阵元间的距离来减小空间衰落 相关性，从而提高ΜΙΜΟ系统容量。理论上，为获得较大的分集增益，基站天线间距离要大于 十个波长和移动终端天线间距离大于一个波长。然而由于空间的有限性，特别是移动终端 的体积有限，在实际应用中，终端天线的部署存在很大限制。在过去的研究中，提出很多方 法来优化ΜΙΜΟ多天线系统性能，如UCA(圆形天线阵列，Uniform Circular array) Jhou推 导出波达信号功率谱分别为均匀分布、高斯分布及双变量高斯分布时圆形天线和ULA(线 形天线，Uniform Linear Array)的 SFC(空间哀落相关，Spatial Fading Correlation) 的闭合表达式并对误码率进行了研究。Tsai等说明在孔径尺寸与线形天线相同时，在角 度扩展较小或中等时，圆形天线阵列较线形天线阵列误码率性能更优。Ioannides博士等 在波束成形中应用了圆形天线阵列。Takada提出定向天线阵列可有效减小阵元间空间相 关性。然而定向天线只对固定方向的信号有较好的接收性能，而在其他方向的方向增益可 能很小，因此定向天线常常被用于基站端。在天线阵列中引入电磁矢量传感器可以明显减 小阵元间空间衰落相关性从而提高ΜΙΜΟ系统容量。Y 〇ng分析了 EVS(电磁矢量传感器， Electromagnetic Vector Sensor)的三维空间衰落相关性并在三维空间中的线形阵列、圆 形阵列及URA(矩形阵列，Uniform Rectangle Array)中引入电磁矢量传感器，研究了空间 衰落相关性，误码率，MM0系统容量等。仿真实验表明，电磁矢量传感器的引入可以提高系 统性能。
【发明内容】
[0004] 鉴于现有技术中的上述不足，本发明提供一种Y型天线阵列形状，通过引入电磁 矢量传感器EVS的算法，扩展了对ΜΙΜΟ的系统建模，优化了 ΜΙΜΟ多天线系统终端天线设 计。
[0005] 为了达到以上目的，本发明采用以下技术方案：基于电磁矢量传感器的ΜΙΜ0-Υ型 天线阵列形成方法，包括以下步骤：
[0006] 步骤一、计算接收端多天线为Y型阵列时的入射信号空间导向矢量，
[0007] 所述Υ型阵列由Yi、Y2、Y3三个子线形阵列组成，相邻子线形阵列夹角为120°，相 邻阵元间距为d，假设第k个天线阵元的坐标为（x k，yk) (k = 1，2, . . .，3M)，则
【权利要求】
1.基于电磁矢量传感器的MIMO-Y型天线阵列形成方法，其特征在于，包括以下步骤： 步骤一、计算接收端多天线为Y型阵列时的入射信号空间导向矢量， 所述Y型阵列由I、Y2、Y3三个子线形阵列组成，相邻子线形阵列夹角为120°，相邻阵 元间距为d，假设第k个天线阵元的坐标为（xk，yk)(k= 1，2,. . .，3Μ)，则
以三维坐标中的原点为参考点，所述Y型阵列的导向矢量为： α ( θ，V)UYA = [ α 1 ( θ，Ψ)Τ，α 2( θ，Ψ)Τ，α 3( θ，Ψ)Τ]Τ 其中， αι(0,ψ)= α.2(θ. ,;? = Λ;>,(θ.?；') = [!,C-^lrr2u*-2, · :τ 其中ku = 2π/λ，λ表示接收信号的波长，τk =XkCOSVsinθ+yksin￥sinθ，得到： α(β.(；?νγΑ [I, - .,Cjk^llk -1Icos· ·,
1.-M- IK - ：-j Cds i··+ 3Ii- sin t>) sin0 .,, I , , . -1)( - ! 十.、一sht t.) sillI), , ,jT 步骤二、计算基于电磁矢量传感器的所述Y型阵列导向矢量， 电磁矢量传感器EVS的导向矢量为：
引入电磁矢量传感器的所述Y型阵列导向矢量表示为： 〇%m( Θ)=〇fKVS( Θ ) ? orm,A( ft y); 步骤三、计算所述Y型阵列空间衰落相关性函数， 在MIMO多天线阵列中，阵元m和阵元η之间的空间衰落相关定义为：
其中Ε[ ·]为数学期望，（·Γ表示复数共轭，In.为阵元m接收信号能量均值，3,"巧^). 和aM.d分别为阵元m和η的导向矢量，为波达信号的三维空间概率分布函数，在所 述Y型阵列中P(m，η)的实部和虚部分别为
其中，Sinc(X) =Sin(X)/x，= 7?2 + ?2ξ=?ηη-:佘且 Zx=kw(Xm-Xn)，Zy =kw(ym_yn); 步骤四、计算所述Y型阵列的阵元为电磁矢量传感器单元的空间衰落相关性， 所述Y型阵列中第m个电磁矢量传感器的第P个空间极化分量与第η个电磁矢量传感 器的第q个空间极化分量的空间衰落相关函数为
2.根据权利要求1所述的基于电磁矢量传感器的MIMO-Y型天线阵列形成方法，其特征 在于： 所述步骤四中得到P(m，n，p，q)的过程为，将所述步骤三中的P(m，η)采用极坐标 形式表达
其中，αυγΑω(θ，ψ)是所述Y型阵列第m个阵元的导向矢量，Ψι,ρ和Ψ2,ρ分别为中Ψ( 9，Ψ)的第一列和第二列的第ρ个元素；假设ρ(θ)对于的四个参数θ、ψ、η、γ是 相互独立的，即Ρ(θ) =Ρ(θ)ρ(Ψ)ρ(η)ρ(γ)且ρ(η)在[-π，π]上服从均匀分布， PU)在[〇,n/2]上服从均匀分布，即得到所述步骤四中的P(m，η，p，q)。
【文档编号】H04B7/04GK104270182SQ201410484158
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年9月19日 优先权日:2014年9月19日
【发明者】周杰, 王亚林 申请人:南京信息工程大学