空域相关的分布式MIMO信道遍历容量分析

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分布式MIMO系统同时实现了MIMO系统的微观分集增益(空间多路增益)和分布式天线系统的宏观分集增益。与传统的MIMO系统相比,分布式系统信号接入距离缩短。这不但有利于降低功耗,还能提高系统容量。  在地面通信环境中,多径衰落与阴影效应同时存在,称为衰落/阴影复合场景。基于统计的信道建模将这一类场景中的阴影效应描述为lognormal分布。并由此产生了复合场景的组合分析模型,例如Rayleighlognormal模型、Nakagamilognormal模型和Ricianlognormal模型。在通信系统性能分析中,基于这些模型的数学推导相对复杂。为了在数学上更加易于处理,研究者们已经提出了一些近似模型来描述组合衰落,例如K分布、广义K分布等等。  在分布式MIMO系统信道容量的解析分析中,基于lognormal分布的组合衰落模型使得数学分析较为复杂。当模型包含信道相关性以及固定分量时更是如此。因此,更多研究仍然采用了K分布(RayleighGamma分布)、广义K分布(Nakagami-mGamma分布)、RayleighIG分布等近似分布作为组合衰落的分析模型,尽管这些模型并不总是能够精确地描述经典的lognormal分布(描述阴影效应)。由于数学分析中的复杂性和困难性,采用Rayleighlognormal模型、Nakagamilognormal模型和Ricianlognormal模型的研究较少。  基于lognormal分布的组合衰落信道的研究中,对于信道容量的解析表示,早期研究针对的场景中假设无线信道的信道传输矩阵完全不相关,并且在信号传播中不存在固定分量(平均分量)。  基于lognormal分布的组合衰落信道的研究中,针对包含空域相关性的场景,对于信道容量边界解析解的研究在数学分析上更加困难,研究成果更加稀少。已有的这类研究所针对的通信场景有以下设定:  (1)限定的的信道相关性(例如仅单边空域相关);  (2)限制收发天线数量的对比关系;  (3)不存在非衰落分量。  考虑到上述研究针对的通信场景存在的限定,本文基于Rayleigh/lognormal模型和包含了非衰落分量的Rician/lognormal模型,研究了分布式MIMO系统的遍历容量。研究中所针对的通信场景中包含了信道的相关性,并且不限制收发天线的数量对比关系。论文的主要创新研究成果包含如下方面:  (1)分析和提出了空域双边相关(接收相关与发送相关) Rayleigh/Lognormal衰落下的分布式MIMO(D-MIMO)系统遍历容量上下边界的解析解。通过子矩阵展开等方法构造出新的不等式,由此在对上述系统模型的遍历容量边界分析中,避免了数学分析中超几何函数包含大尺度衰落矩阵,解决了对大尺度衰落矩阵和小尺度衰落矩阵的统计分析无法分离的困难问题。仿真试验证实,同类场景下与已有研究成果相比,本文给出的解析边界应用范围更广、更加精确。  (2)首次分析和提出了空域双边相关Rician/Lognormal衰落下分布式MIMO系统遍历容量上边界的解析解。通过两次子矩阵展开等方法构造出新的不等式,由此在对上述系统模型的遍历容量边界分析中,避免了数学分析中Hayakawa多项式包含大尺度衰落矩阵,解决了对大尺度衰落矩阵和小尺度衰落矩阵的统计分析无法分离的问题。仿真试验证实,解析的上边界能够有效地、解析地描述接收相关、发送相关、衰落深度和天线数量等系统参数与容量间的关系。  (3)首次分析和提出了空域发送端相关Rician/Lognormal衰落下分布式MIMO系统遍历容量上下边界的解析解。通过构造新的不等式,由此在对上述系统模型的遍历容量边界分析中,避免了数学分析中Hayakawa多项式包含大尺度衰落矩阵,解决了对大尺度衰落矩阵和小尺度衰落矩阵的统计分析无法分离的问题。仿真试验证实,解析的上下边界非常精确,并且能够有效地、解析地描述发送相关、衰落深度和天线数量等系统参数与容量间的关系。
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