适用于毫米波los mimo的子阵列天线结构及设计方法
【专利摘要】本发明公开了一种适用于LOS MIMO的子阵列天线结构及设计方法，发射端采用由相移器组成天线子阵列的阵列发射结构，接收端既可以采用与发射端对称的定向接收结构，也可以采用非对称的全向接收结构。该设计方法通过理论计算得出满足这一要求的归一化天线子阵列间隔条件，实现点对点LOS MIMO通信中射频等效信道的最大有效自由度，并对有效自由度的上下限进行了合理的估计。与现有非阵列天线结构相比，此方案考虑了非对称和对称天线子阵列两种情况，既能提供阵列增益，又能在多径缺失的信道环境下保证一定的空间复用增益。
【专利说明】
适用于毫米波LOS ΜI MO的子阵列天线结构及设计方法
技术领域
[0001] 本发明属于无线通信技术领域，涉及到一种毫米波视距(Line Of Sight，L0S)多 输入多输出（Multiple Input Multiple Output，MIM0)通信中的子阵列天线结构及设计方 法。
【背景技术】
[0002] 随着用户的无线设备数量迅速增加，对数据速率的需求也不断膨胀，导致现有无 线频率出现频谱危机。毫米波在支持极高数据速率的无线通信方面占据独特的资源优势。 结合ΜΜ0技术可以利用高维信号空间通过不同的天线并行传输多个独立的数据流，在不增 加额外带宽和发射功率的条件下使用空间复用技术提高频谱效率。
[0003] 低成本的半导体硅工艺和锗化硅毫米波集成电路研究方面的最新突破在一定程 度上保证了毫米波通信的可行性，但是毫米波信号独特的传播特性使部分通信技术的使用 受到限制。主要表现在两个方面，第一，路径损耗大导致传播距离小，目前的应用主要集中 在室内；第二，毫米波信道的稀疏散射特性导致多径效应不明显，L0S成分占主导地位，很难 发挥ΜΜ0技术的优势。802. llad标准已经提出了使用阵列天线和波束成型技术增强发射和 接收波束的方向性，用阵列增益弥补部分路径损耗，但是只能传输单个数据流。
[0004] 在毫米波通信系统中，为了同时获得阵列增益和空间复用增益，需要对天线的摆 放结构进行精心的设计。本发明提出一种适用于毫米波L0S ΜΠΚ)中的子阵列天线结构及设 计方法，发射端采用由相移器组成天线子阵列的阵列发射结构，而接收端使用与发射端对 称的定向接收结构或非对称的全向接收结构。
【发明内容】
[0005] 发明目的：针对现有技术的不足，本发明提出了一种适用于毫米波LOS ΜΜ0通信 系统的子阵列天线结构及设计方法，该方法的优化准则清晰明确，能最大化射频等效信道 的有效自由度，估计出的有效自由度上下限为底层系统方案设计提供重要的参考信息。
[0006] 技术方案：一种适用于毫米波LOS ΜΜ0的子阵列天线结构，发射端采用由相移器 组成天线子阵列的阵列发射结构，包括至少两个发射子阵列，每个子阵列包括由至少两根 天线组成的线阵，每根天线单独与一个相移器相连接，每个子阵列中的天线由同一个射频 链路驱动，相邻两子阵列之间的间距大于子阵列内相邻两天线的间距;接收端采用与发射 端对称的定向接收结构或非对称的全向接收结构。该设计方案可以实现最大化有效自由 度，优化结果表明接收端采用与发射端对称的定向接收结构时，发射子阵列的间隔和接收 子阵列的间隔之积与通信距离、信号波长成正比，与子阵列的数目成反比;接收端采用与发 射端不对称的全向接收结构，发射子阵列的间隔和接收天线的间隔之积与通信距离、信号 波长成正比，与发射子阵列或接收天线的数目成反比。
[0007] 具体设计时，上述天线结构的具体设计方法包括如下步骤：
[0008] (1)发射端采用由相移器组成天线子阵列的阵列发射结构，有Nt根发射天线，平均 分配给N个发射子阵列，即Nt = PN，其中P表示每个子阵列的天线数，子阵列内天线的间距为 dt，前一个发射子阵列的最后一根天线与后一个发射子阵列的第一根天线的间距为Dt，前一 个发射子阵列的第一根天线与后一个发射子阵列的第一根天线的间距为发射子阵列间隔 Lt =(N_1) dt+Dt ；
[0009] (2)接收机采用对称的定向接收结构（以接收机采用对称的定向接收为例进行结 构设计，非对称的全向接收结构设计可以直接运用对称情况下的结论），有Nr根接收天线， 平均分配给Μ个接收子阵列，即N r = QM，其中Q表示每个子阵列的天线数，子阵列内天线的间 距为dr，前一个接收子阵列的最后一根天线与后一个接收子阵列的第一根天线的间距为Dr， 前一个接收子阵列的第一根天线与后一个接收子阵列的第一根天线的间距为接收子阵列 间隔Lr= (M-l )dr + Dr。
[0010] (3)发射天线阵列和接收天线阵列平行放置，并且假设通信距离R远大于发射天线 间距和接收天线间距，第η(η = 0，1，···，Ν-1)个发射子阵列中第ρ(ρ = 0，1，···，Ρ-1)根天线与 第m(m = 0,1，…，Μ-1)个接收子阵列中第q(q = 0,1，…，Q_1)根天线之间的距离rmQ+q,np+P和 L0S信道响ShmQ+q,nP+P分别表示为
[0013] 穴τ，Λ：^ΛΙ、?曰"^奴TC。[0014] 用子阵列内的天线提供阵列增益，一般取dt = dr = λ/2。为获得最大有 效自由度，应使m ^n2(ni，n2 e {〇，1，…，Ν-1 })时有~，，其中
[0011]
[0012]
f表示第η个发射子阵列中第ρ根天线到所有接收天线的 信道响应矢量，[· ]7表示转置。将公式1和公式2代入计算，可以得到子阵列间隔Lt、Lr、子阵 列数N、M和信号波长λ、通信距离R之间应满足如下关系：
[0015]
(公式 3)
[0016]称^^为归一化子阵列间隔积。 人R
[0017]接收端采用与发射端不对称的全向接收结构时，接收天线数Nr = M，Q=l，相邻两 根接收天线间距Dr，相应的设计准则调整为：
[0018]
(公式 4)
[0019]根据有效自由度的定义，当发射端天线间距和接收端天线间距都取为0时，等效为 一根发射天线和一根接收天线的系统，有效自由度取得最小值；当子阵列天线的间隔满足 公式3或公式4时，各个子阵列天线之间互不相关，有效自由度取得最大值。在平均信噪比为 γ的条件下，对有效自由度的上下限估计为：
[0020]
[0021] 其中，V=max(N，M)。
[0022] 有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下优点：第一，本发明对毫米波LOS ΜΠΚ)中子阵列天线结构的设计准则是最大化有效自由度，比最大化容量或信噪比更加具有 实际意义，结合有效自由度的上下限估计值，相关科技人员可以为实际系统选择一个合理 的数据流数目；第二，本发明的设计既适用于对称的子阵列天线定向发射和定向接收结构， 又适用于非对称的定向发射和全向接收结构;第三，本发明中基于L0S ΜΙΜΟ的天线子阵列 结构，既能提供阵列增益，又能在多径缺失的信道环境下保证一定的空间复用增益，因此适 用于毫米波通信;第四，本发明中子阵列天线结构设计结果具有很强的鲁棒性，以致在L0S Μ頂0系统中对通信距离变化、载波频率偏移的敏感度较小，有效地保证了系统的稳定性。
【附图说明】
[0023]图1为本发明中毫米波LOS MBTO对称子阵列天线结构示意图；
[0024]图2为本发明中毫米波LOS MBTO非对称子阵列天线结构示意图；
[0025] 图3为本发明实施例中有效自由度随归一化子阵列间隔积变化的仿真图。
【具体实施方式】
[0026] 下面结合具体实施例，结合附图进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说 明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的 各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
[0027]本发明实施例公开的一种适用于毫米波LOS ΜΜ0信道的子阵列天线结构，发射端 采用由相移器组成天线子阵列的阵列发射结构，每根天线单独与一个相移器相连接，一定 数量的天线组成一个发射子阵列，每个子阵列中的天线由同一个射频链路驱动，各子阵列 之间有一较大的间距以保持各个射频链路之间的独立性，子阵列内的天线之间保持较小的 天线间距以提供一定的阵列增益;接收端采用与发射端对称的定向接收结构或非对称的全 向接收结构。该天线结构设计方案可以实现最大化有效自由度，优化结果表明发射子阵列 和接收子阵列的互间隔之积与通信距离、信号波长成正比，而与子阵列的数目成反比。下面 以具体实例来说明本发明天线结构的具体设计过程，包括如下内容：
[0028]如图1所示，发射端采用由相移器组成天线子阵列的阵列发射结构，有Nt = 32根发 射天线，平均分配给N = 4个发射子阵列，即Nt = PN，其中P = 8表示每个子阵列的天线数，子 阵列内天线的间距为dt，前一个发射子阵列的最后一根天线与后一个发射子阵列的第一根 天线的间距为Dt，前一个发射子阵列的第一根天线与后一个发射子阵列的第一根天线的间 距为发射子阵列间隔L t = 7dt + Dt;以接收机采用对称的定向接收为例进行结构设计，非对 称的全向接收结构设计可以直接运用对称情况下的结论，有N r = 32根接收天线，平均分配 给M = 4个接收子阵列，即Nr = QM，其中Q = 8表示每个子阵列的天线数，子阵列内天线的间距 为dr，前一个接收子阵列内最后一根天线与后一个接收子阵列内第一根天线的间距为Dr，前 一个接收子阵列的第一根天线与后一个接收子阵列的第一根天线的间距为接收子阵列间 隔L r = 7dr+Dr。其它参数见表1。支持不同通信距离、不同载波频率和不同天线数及子阵列结 构的场景可以修改本实施例中的例子得到。
[0029] 表1仿真参数设置
[0030]
[0031]【具体实施方式】如下：
[0032]发射天线阵列和接收天线阵列平行放置，并且假设通信距离R= 100m远大于发射 天线间距和接收天线间距，第11(11 = 0，1，2,3)个发射子阵列中第？(？ = 0，1，一，7)根天线与 第m(m = 0，l，2,3)个接收子阵列中第(?((? = 0，1，···，7)根天线之间的距离r8m+q,8n+P和L0S信道 响应h8m+q, 8n+p分别表不为
[0033]
[0034]
[0035] 其中，λ? 6.7mm表示信号波长。
[0036] 用子阵列内的天线提供阵列增益，一般取dt = dr = X/2。为获得最大有效自由度，应 使ni 矣 112 (ni，112 E {〇，1，2，3 })时有〈hx"丨，hx", - 0 ?其中h8n+p = [ho, 8n+p，hi, 8n+p，…，h31，8n+p ]T表示第n个发射子阵列中第p根天线到所有接收天线的信道响应矢量，[· ]7表示转置。将 公式6和公式7代入计算，可以得到子阵列间隔Lt、Lr和信号波长λ之间应满足如下关系：
[0037]
(公式 8) 1.1
[0038] 称·^为归一化子阵列间隔积。 100 Λ
[0039] 如图2所示，接收端采用与发射端不对称的全向接收结构时，接收天线数Nr = M = 4，Q= 1，相邻两根接收天线间距Dr，相应的设计准则调整为：
[0040]
(公式 9) ..... ......Λ, ' ^' r /
[0041] 根据有效自由度的定义，当发射端天线间距和接收端天线间距都取为0时，等效为 一根发射天线和一根接收天线的系统，有效自由度取得最小值；当子阵列天线的间隔满足 公式8时，各个子阵列天线之间互不相关，有效自由度取得最大值。在平均信噪比为-10dB的 条件下，对有效自由度的上下限估计为：
[0042] 0.9624 = ED0Fmin < ED0F < ED0Fmax<3.4595 (公式 10)
[0043] 为了说明本发明对毫米波LOS ΜΜ0中子阵列天线结构设计方法的科学性和准确 性，本发明实施例还提供了发射端采用由相移器组成天线子阵列的阵列发射结构且接收端 采用与发射端对称的阵列接收结构时有效自由度ED0F随归一化子阵列间隔积LtLr/AR变化 I r ] 的仿真曲线图。从图3中可以看出，有效自由度变化曲线的第一个最大值点位于^ = +处， aR 4 与公式8的计算结果一致，整条曲线上有效自由度的最小值略小于1，最大值略小于3.5,与 公式10得出的结果一致。
【主权项】
1. 一种适用于毫米波LOS ΜΙΜΟ的子阵列天线结构，其特征在于，发射端采用由相移器 组成天线子阵列的阵列发射结构，包括至少两个发射子阵列，每个子阵列包括由至少两根 天线组成的线阵，每根天线单独与一个相移器相连接，每个子阵列中的天线由同一个射频 链路驱动，相邻两子阵列之间的间距大于子阵列内相邻两天线的间距;接收端采用与发射 端对称的定向接收结构或非对称的全向接收结构。2. 根据权利要求1所述的适用于毫米波LOS MBTO的子阵列天线结构，其特征在于，接收 端采用与发射端对称的定向接收结构，发射子阵列的间隔和接收子阵列的间隔之积与通信 距离、信号波长成正比，与子阵列的数目成反比。3. 根据权利要求1所述的适用于毫米波LOS MBTO的子阵列天线结构，其特征在于，接收 端采用与发射端不对称的全向接收结构，发射子阵列的间隔和接收天线的间隔之积与通信 距离、信号波长成正比，与发射子阵列或接收天线的数目成反比。4. 根据权利要求1所述的适用于毫米波LOS MBTO的子阵列天线结构，其特征在于，发射 端将所有发射天线平均分配给各发射子阵列。5. 根据权利要求2所述的适用于毫米波LOS MMO的子阵列天线结构，其特征在于，发射 子阵列中相邻天线的间距与接收子阵列中相邻天线的间距相同，取值为信号波长的一半。6. -种根据权利要求1所述的适用于毫米波LOS MIMO的子阵列天线结构的设计方法， 其特征在于，包括： (1) 发射端采用由相移器组成天线子阵列的阵列发射结构，将Nt根发射天线，平均分配 给N个发射子阵列，其中，每个子阵列的天线数为Ρ，子阵列内天线的间距为d t，前一个发射 子阵列的最后一根天线与后一个发射子阵列的第一根天线的间距为Dt，前一个发射子阵列 的第一根天线与后一个发射子阵列的第一根天线的间距为发射子阵列间隔L t=(N-l)dt+ Dt; (2) 接收端采用与发射端对称的定向接收结构，将Nr根接收天线，平均分配给M个接收子 阵列，其中，每个子阵列的天线数为Q，子阵列内天线的间距为dr，前一个接收子阵列的最后 一根天线与后一个接收子阵列的第一根天线的间距为Dr，前一个接收子阵列的第一根天线 与后一个接收子阵列的第一根天线的间距为接收子阵列间隔Lr=(M-l)d r+Dr; (3) 设发射天线阵列和接收天线阵列平行放置，通信距离R远大于发射天线间距和接收 天线间距，取dt = dr = X/2;根据如下关系对子阵列间隔Lt、Lr、子阵列数N、M进行设计：7. -种根据权利要求1所述的适用于毫米波LOS MIMO的子阵列天线结构的设计方法， 其特征在于，包括： (1) 发射端采用由相移器组成天线子阵列的阵列发射结构，将Nt根发射天线，平均分配 给N个发射子阵列，其中，每个子阵列的天线数为P，子阵列内天线的间距为d t，前一个发射 子阵列的最后一根天线与后一个发射子阵列的第一根天线的间距为Dt，前一个发射子阵列 的第一根天线与后一个发射子阵列的第一根天线的间距为发射子阵列间隔L t=(N-l)dt+ Dt; (2) 接收端采用与发射端不对称的全向接收结构，接收天线数为Nr，相邻两根接收天线 间距为Dr; (3)设发射天线阵列和接收天线阵列平行放置，通信距离R远大于发射天线间距和接收 天线间距，取dt = A/2;根据如下关系对相关参数进行设计：8.根据权利要求6或7所述的适用于毫米波LOS MMO的子阵列天线结构设计方法，其特 征在于，所述设计方法能够最大化有效自由度，在平均信噪比为γ的条件下，有效自由度的 上下限估计为：其中，V=max(N，M)，接收端采用与发射端不对称的全向接收结构时M=Nr，Q=l。
【文档编号】H01Q21/00GK105896102SQ201610186814
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年3月29日
【发明人】何世文, 薛春林, 黄永明, 王海明, 杨绿溪, 洪伟
【申请人】东南大学