近距离多天线无线通信能力研究

孟庆昌

【摘要】 低功耗、泛在接入、极高频谱效率开始成为移动通信领域发展的必然需求，而这些需求的满足就需要得到近距离多天线无线通信的支持，为此本文就近距离多天线无线通信能力展开了具体研究，希望这一研究能够为我国移动通信系统的更好发展带来一定支持。

【关键字】 近距离多天线无线通信 通信能力 新一代移动通信系统

前言：第五代移动通信技术将实现热点高容量场景下数10Tbps/km2的流量密度，而这种近距离多天线通信场景的需求实现需要得到近距离多天线无线通信的支持，由此我们也能够直观认识到近距离多天线无线通信能力研究具备的较高现实意义。

一、近距离多天线无线通信能力

对于近距离多天线无线通信能力来说，其本身由近距离多天线的信道容量与近距离多天线的空间自由度两部分组成。

1.1近距离多天线的信道容量

对于近距离多天线的信道容量来说，其本身指的是近距离多天线无线通信信道可支持的最大无差错传输数据速率，这一速率本身属于评价通信系统性能的重要指标，而为了较好明晰这一近距离多天线无线通信能力，我们就可以应用球面波模型与应用平面波模型就近距离多天线的信道容量展开具体研究[1]。

1.1.1球面波模型的应用

在忽略路径损耗差的前提下，我们就可以应用球面波模型的进行近距离多天线的信道容量分析，通过这一分析我们就能够得到归一化的LOS信道矩阵，即：

在这一归一化的LOS信道矩阵中，其本身应用波长、发射天线与接收天线距离等数据得出了得出了该矩阵，而结合泰勒级数展开，我们就能在引入误差较小的情况下完成近距离多天线的信道容量的求得。结合归一化的LOS信道矩阵，我们最终能够得到多发两收近距离LOS信道容量会随着收发通信距离而波动、波长越短容量所波动的收发通信距离范围越大，由此我们就能够在球面波模型应用进行的近距离多天线的信道容量分析中，得出越短的波长更适合近距离通信的结论。此外，球面波模型下的近距离多天线的信道容量会受到波长、发射天线数、阵元间隔、收发通信距离和阵列方向等参数的影响也应引起我们重视[2]。

1.1.2平面波模型的应用

除了球面波模型，应用平面波模型同样能够较好对近距离多天线的信道容量进行分析，而通过这一分析我们就能够得到平面波模型发射端与接收端距离，即：

在这一公式中，dm，n指的是平面波模型发射端与接收端距离，而结合这一公式并忽略路径损耗差，我们就能够得出平面波模型下近距离多天线的信道容量独立于发射天线数、阵元间隔、收发通信距离、波长和阵列方向，且该容量仅与信噪比存在关系，而由此我们也能够发现平面波模型的应用并不能满足近距离多天线的信道容量的分析需求[3]。

1.1.3仿真验证

为了验证上文研究的真实性，我们还需要应用计算机对上文得出的结论进行仿真验证，而这一近距离多天线的信道容量仿真需要首先进行信道矩阵特征值的求得，并通过求得的特征值算出信道容量，而结合这一仿真笔者得出了信道容量波动范围内可以通过设计天线阵元位置使信道容量最大，而由此我们就能够断定上文中提到的越短的波长更适合近距离通信结论的正确性[4]。

1.2近距离多天线的空间自由度

近距离多天线的信道容量同样也属于近距离多天线无线通信能力的具体组成，而为了较好对近距离多天线的空间自由度进行分析，我们就需要展开单极化线性阵列的空间自由度与三极化线性阵列的空间自由度研究。

1.2.1单极化线性阵列的空间自由度

对于应用单极化线性阵列的近距离多天线的空间自由度分析来说，我们需要结合三维空间中任意方向的线性天线阵列，得出单极化天线阵列LOS信道的冲击响应模型，即：

結合单极化天线阵列LOS信道的冲击响应模型，我们就可以应用光学中的特征函数方法分析近距离多天线的空间自由度，而结合这一分析我们就能够得出三维空间中单极化线性阵列的近距离LOS信道的空间自由度，即：

结合这一结果进行分析我们不难发现，单极化线性阵列的近距离多天线的空间自由度分析反映出了这一自由度与阵列尺寸、收发距离、波长、阵列方向的关系，而波长越小时近距离多天线的空间自由度变越大，二者呈现一种反比关系。

1.2.2三极化线性阵列的空间自由度

在应用三极化线性阵列进行的近距离多天线的空间自由度分析中，我们需要应用三极化线性阵列的LOS信道冲击响应展开具体分析，这里的三极化线性阵列的LOS信道冲击响应具体表现为H=（q，p）=（q，p）（I-rrH）。而结合这一LOS信道冲击响应，我们就能够得出三维空间中三极化线性阵列的近距离LOS信道的空间自由度，即：

1.2.3仿真验证

为了较好验证上文得出结果的真实性，我们还需要对应用单极化线性阵列与三极化线性阵列展开的近距离多天线的空间自由度分析结果进行验证。在具体的仿真验证中，我们需要结合计算机求单极化线性阵列中不同阵列方向和尺寸的特征值，通过这一分解得出的特征值进行归一化对比，笔者发现比较特征函数方法和奇异值分解方法结果完全一致，而这就说明了本文所进行的单极化线性阵列的空间自由度研究可行性。

二、实现近距离多天线无线通信能力的策略

结合上文内容我们能够较为全面的了解近距离多天线的信道容量、近距离多天线的空间自由度这两方面近距离多天线无线通信能力，而为了更为深入完成本文研究，笔者将在下文中就实现近距离多天线无线通信能力的策略展开详细论述，这一论述内容将主要围绕近距离多天线LOS信道的阵元位置优化展开。

在具体的近距离多天线无线通信中接收天线阵元位置优化中，我们需要考虑近距离多天线无线通信中的路径损耗和相位差，以此找到最优天线阵元位置。值得注意的是，蚁群算法的应用也能够较好满足近距离多天线LOS信道的阵元位置优化需求。

结论：在本文就近距离多天线无线通信能力展开的研究中，笔者详细论述了近距离多天线无线通信能力、实现近距离多天线无线通信能力的策略，而结合这一系列内容我们能够较为全面的了解近距离多天线无线通信能力，希望这一认知能够为相关研究人员带来一定启发，并在一定程度上为我国第五代移动通信系统的研发提供支持。

参 考 文 献

[1]杨勇，孙伟强，庄虔伟，冯涛，许胜勇，解思深.近场宽带电场耦合天线的高频结构模拟器软件仿真及性能分析[J].物理学报，2012，20：516-522.

[2]宋诗莹.近距离通信中的天线小型化技术分析[J].电子制作，2015，22：50.

[3]万雅芬.中波传输技术发展现状及其在无线通信中的应用[J].电子技术与软件工程，2016，09：49.

[4]刘艳峰，魏兵，任新成.近场通信天线场分布特性仿真[J].电子测量技术，2015，08：132-134.