[发明专利]一种用于系统容量最大化的大规模阵列综合方法

说明书

本发明涉及一种最大化系统信道容量的大规模阵列综合方法，用于系统容量的大规模阵列综合方法可用于大规模MIMO场景，该方法将电磁场理论与信息理论相结合，以最大化系统容量为目标，通过改变大规模阵列的电磁特性，提取收发天线之间的传输系数及大规模阵列中单元间的耦合特性，优化大规模阵列中各个单元的排布方式，从而提升系统性能。本发明满足目前DBF大规模阵列的需求，同时也弥合了天线阵列近场区和远场区，解决了天线近场区方向图不适用的情况。

技术领域

本发明属于无线通信的技术领域，尤其涉及一种用于系统容量最大化的大规模阵列综合方法。

背景技术

无线移动设备和服务的蓬勃发展对下一代通信系统提出了更具挑战性的要求，如高传输速率、高容量、低连接延迟、大规模物联网(IoT)通信等。大规模多输入多输出(massive MIMO)技术作为5G的主要技术指标，广泛应用于5G毫米波(mmWave)频段。尽管massive MIMO的多天线配置能够提高空间自由度，提高分集增益和复用增益，且其高增益特性更是能够减少基站发射功率的损耗，但是随着天线数量的增加，与天线相连的后端链路个数也随之增加，增加的链路个数除了带来成本的激增外，也对系统的散热、复杂度及集成度等方面提出了更高的要求。

阵列的稀疏化能够在满足一定性能指标的基础上通过减少阵列中阵元的个数，相较周期阵列，口径相同，阵元数变少，减少通道数，从而降低成本，减小复杂度。然而，由于大规模阵列的近场范围较广，此时常用来评估天线性能的指标在近场区内失去意义，而大规模阵列的稀疏化方法通过抑制方向图栅瓣来实现，该方法不适用于大规模阵列的近场区。因此，有必要建立天线稀疏化方法与系统评估模型的关系，完成基于系统指标大规模MIMO阵列的稀疏化。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提供一种最大化系统信道容量的大规模阵列综合方法。

技术方案

一种用于系统容量最大化的大规模阵列综合方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：通过电磁仿真软件，计算在限定的口径范围已知天线单元尺寸和个数的条件下所有可能位置下接收端的负载阻抗Z_L，接收阵列的阻抗矩阵Z_RR，发射端和接收端的阻抗转移矩阵Z_RT，发射阵列的阻抗矩阵Z_TT及发射端的源阻抗Z_S；

步骤2：计算信道矩阵：

H＝H_EM＝Z_L(Z_L+Z_RR)^-1Z_RT(Z_TT+Z_s)-1

其中，H_EM为带有电磁特性的信道矩阵；

步骤3：设置优化目标函数：

式中，C为最大化的系统容量，即为优化目标；n_R、n_T分别代表接收和发射天线的个数，为n_R维的单位矩阵，P为总发射功率，N₀为噪声功率，为信道矩阵，h_ij代表第j个发射天线到第i个接收天线的信道增益，代表求矩阵的共轭转置；Δ_i为阵列单元选择函数，其值为0时代表该位置无单元，其值为1时代表该位置存在天线单元，在限定的口径范围内共有N个位置用于排布M个天线单元；

步骤4：采用遗传算法对步骤3中的目标函数进行优化，得到大规模阵列中各个单元的排布方式。

步骤1中的电磁仿真软件为CST或HFSS。