非自由空间中MIMO系统的电磁有效自由度获取方法

技术领域

本发明涉及非自由空间中MIMO(多输入多输出)系统的电磁有效自由度获取方法，是一种信道性能仿真分析技术，属于电磁信息的技术领域。

背景技术

现代无线通信技术正处于向更高频率快速发展的阶段，然而由于支撑其发展的传统通信理论缺少对底层物理限制条件的考虑，成为了阻碍实际工程技术发展的重要原因之一，所以电磁信息论的概念应运而生。在以往单信道的传统通信中，香农信息论作为其底层理论基础，利用了概率模型对通信系统的信道容量以及通信误码率进行分析，提供了单信道通信系统的性能上限。电磁信息论作为指导新一代通信发展的基础理论，在传统香农信息论的基础上考虑了电磁学理论中的实际物理限制条件，可以提供更符合实际高频通信技术和工程的通信系统性能上限，也为现有通信技术的优化提高和未来新兴通信技术的发展奠定了坚实的理论基础。

有效自由度是信息论中十分重要的一个概念，它等价于通信系统等效的独立单输入单输出(SISO)系统的个数。在以往分析通信系统有效自由度时，用于求取通信自由度的信道矩阵都属于标量的信道矩阵，只考虑了标量的输出电流信号和接收电场信号。然而，由于现代通信信号正快速地向更高频甚至太赫兹方向发展，所以近场通信在近年来逐渐占据重要位置，以往的标量信道矩阵不仅在近场区域不适用，更不能捕捉到通信电磁波的全波物理信息。所以，需要建立包含所有收发极化方向信息的全极化信道矩阵，从而可以更加全面和精确地分析高频近场通信的系统性能。

根据论文《Electromagnetic Effective Degree ofFreedom ofaMIMO SysteminFree Space》可以基于矢量格林函数建立通信系统的全极化信道模型，但其只考虑了自由空间中的通信系统，忽略了实际环境对系统的影响。然而，高频信号易受复杂电磁环境的影响，产生多径效应等现象导致信号的快速衰落，所以将通信系统放置在非自由空间中进行系统性能的研究分析才能更好地指导实际工程中的系统设计。本发明在全极化信道矩阵的基础上，提出了一种在非自由空间中分析MIMO系统电磁有效自由度的方法。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种非自由空间中MIMO系统的电磁有效自由度获取方法，针对非自由空间中的MIMO通信系统，通过对应的全极化信道矩阵求得系统的电磁有效自由度，分析系统的性能以及环境对其的影响，从而指导系统的设计与布局。

技术方案：为了实现上述目的，本发明的一种非自由空间中MIMO系统的电磁有效自由度获取方法采用的技术方案步骤如下：

S1：建立包含反射地面的非自由空间中的MIMO通信系统模型；

S2：分别改变阵列单元个数、通信距离、阵列高度、反射地面介电常数进行电磁仿真；

S3：根据仿真出的接收电场得到对应信道矩阵，建立全极化电磁信道模型；

S4：利用得到的仿真结果计算电磁有效自由度，进行电磁有效自由度曲线绘制。

其中，

所述步骤S1具体包括：

S11：将发射阵列的单元建模为M×M个单位电偶极子，并且均匀分布在固定大小的方形区域内；

S12：将接收阵列的单元建模为M×M个理想接收点，并且均匀分布在固定大小的方形区域内，接收阵列和发射阵列的直线距离为D；

S13：在收发阵列下方距离高度H处设置一个面积大于MIMO系统投影面积且介电常数为ε

所述步骤S2具体包括：

S21：在电磁仿真软件中设置好MIMO系统通信模型后，运行软件进行仿真，找到所生成的包含所有建模信息的文件，则编写程序利用该文件调用仿真软件来进行仿真；

S22：利用编程改变仿真中单位电偶极子坐标值以及接收点坐标值进行仿真，则可得到不同MIMO单元阵列个数对应的全极化信道矩阵；

S23：利用编程改变收发阵列之间的距离参数D的值进行仿真，则可得到不同通信距离对应的全极化信道矩阵；

S24：利用编程改变收发阵列对于地面的高度参数H的值进行仿真，则可得到不同阵列高度对应的全极化信道矩阵；

S25：利用编程改变反射地面的介电常数ε

所述步骤S3具体包括：

S31：将电磁信道矩阵建立为全极化信道矩阵

则需要通过仿真分别得到9个单极化信道矩阵；

S32：对于单极化信道矩阵，每一次仿真都只在源平面的第i个点处设置一个单位电偶极子，再通过仿真得到接收平面上M×M个点处的x、y、z方向电场，则分别得到对应的3个不同接收阵列极化方向的单极化信道矩阵的第i列向量，改变单位电偶极子的位置，经过M×M次仿真，则得到3个完整的单极化信道矩阵；

S33：改变单位电偶极子的方向再次进行S32步骤中的仿真，最后共仿真3(M×M)次则可得到9个单极化信道矩阵，即可得到对应的全极化信道矩阵。

所述步骤S4具体包括：

S41：对于仿真得到的全极化信道矩阵H，得到对应的信道相关矩阵

S42：利用编程对于不同M对应的全极化信道矩阵进行电磁有效自由度求解后，将M作为横坐标，电磁有效自由度作为纵坐标，则绘制对应的电磁有效自由度曲线；

S43：对于不同参数D、H以及ε

有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益技术效果：

第一，本发明与以往的单极化信道矩阵相比，利用了包含x、y、z方向的全极化信道矩阵对信道性能进行分析，所研究的电磁有效自由度在近场区域约为单极化信道矩阵对应的电磁有效自由度的2倍多，并在远场区域逐渐趋于2倍。并且本发明提出了一种自动调用电磁仿真软件进行仿真并得出对应电磁有效自由度的方法，从而解决了电磁有效自由度曲线所需仿真次数过多的问题。

第二，本发明所考虑的电磁波传播环境为包含反射地面的非自由空间，考虑了传播环境对电磁波的影响。比起以往通信模型的自由空间研究背景，非自由空间中的通信模型研究考虑到了阵列高度、环境反射材质等实际问题，更具有实际工程意义。

附图说明

图1为包含反射地面的非自由空间MIMO系统基本模型。

图2为不同通信距离下的电磁有效自由度曲线。

图3为不同阵列高度下的电磁有效自由度曲线。

图4为不同反射地面材质下的电磁有效自由度曲线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实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。

仿真所建立的非自由空间中的MIMO通信模型参考附图1，其中源平面和接收平面分别为相同大小的正方形区域，固定边长为L，并且分别有M×M个点均匀分布在收发区域，对应着理想点源和理想接收点。收发阵列之间的直线距离为D，定义为系统的通信距离，并且将反射地面设置在距离收发阵列H处，其中反射地面的介电常数为ε

r＝Ht (1)

其中单极化信道矩阵H为N×N的矩阵，矩阵元素h

在上述单极化信道矩阵的基础上则可以得到对应的全极化信道矩阵G，即由9个单极化信道矩阵组成：

G为3N×3N的矩阵，其中的子矩阵H

为了通过仿真软件简便地得到对应的信道矩阵，可以通过以下步骤进行仿真：

S1：在发射阵列的第i个单元处设置一个固定方向的单位电偶极子，其余位置为空。在接收阵列的M×M个单元位置处分别设置电场接收点。进行一次仿真后得到该情况下接收点处的电场分布分别为x、y、z方向，将不同极化方向的电场值分别组成3个向量，对应着3个发射阵列极化方向一样且接收阵列极化方向不同的单极化信道矩阵的第i列。

S2：将发射阵列处的单位电偶极子依次对应阵列单元的坐标改变位置，重复S1的操作仿真M×M次，得到的接收电场向量则可组成3个N×N的单极化信道矩阵，其对应的发射阵列极化方向一致，接收阵列极化方向分别为x、y、z。

S3：改变发射阵列处单位电偶极子的方向依次重复S1和S2步骤进行仿真，最后则可得到9个不同的单极化信道矩阵，再根据式(2)组成对应的全极化信道矩阵。

在通过仿真得到全极化信道矩阵之后，为了得到对应的电磁有效自由度，需要先对该信道的相关矩阵

改变阵列的单元个数N进行仿真则可得到不同的电磁有效自由度，根据多组数据则可绘制出一条关于变量M的电磁有效自由度曲线。由于一个电磁有效自由度就需要仿真3N次，所以为了得到一条电磁有效自由度曲线，仿真次数将会十分庞大，所以需要利用编程自动调用电磁仿真软件进行仿真。对于所使用的电磁仿真软件，在找到其储存所有建模参数的文件后，就可以用该文件调动仿真软件进行仿真，利用这一点，则可进行编程做到自动仿真从而得到一条电磁有效自由度曲线，其步骤如下：

S1：在电磁仿真软件中设置好MIMO系统通信模型，运行软件进行仿真后需要找到储存所有建模参数的文件，利用记事本打开该文件则可了解各参数的设置情况。

S2：利用编程根据S1中得到的文件改变不同参数，则可以利用该文件自动调用仿真软件进行仿真。

S21：利用编程在文件里改变单位电偶极子坐标值和方向以及接收点坐标值进行3N次仿真，则可得到不同MIMO单元阵列个数对应的全极化信道矩阵。

S22：利用编程在文件中改变收发阵列之间的距离参数D的值进行仿真，则可得到不同通信距离对应的全极化信道矩阵。

S23：利用编程在文件中改变收发阵列相对于地面的高度参数H的值进行仿真，则可得到不同阵列高度对应的全极化信道矩阵。

S24：利用编程在文件中改变反射地面的介电常数ε

以上所述仅是本发明的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

实施例1：

1.基本MIMO通信系统模型建立

本发明中利用电磁仿真软件建立了含有反射地面的非自由空间MIMO通信模型，参考附图1，并且根据仿真结果建立了全极化信道矩阵，从而可以更加全面地讨论通信系统电磁信道的特性。

将工作频率设定为2.6GHz，对应波长约为11.5厘米，并且将收发阵列正方形区域的边长固定为5倍波长。收发阵列单元总个数为M×M，仿真研究m从2到10所对应的电磁有效自由度。

2.不同通信距离的电磁有效自由度曲线绘制

将收发阵列的相对高度H固定为8倍波长，反射地面的介电常数ε

首先可以从图中看出，当系统阵列的单元数量小于最优数量时，电磁有效自由度会迅速增加，这是因为随着天线数量的增加，系统可以同时捕获到更多的独立信道。而另一方面，当单元数量达到并超过最优数量时，电磁有效自由度反而会随着单元数的增加缓慢减小，这是因为通信系统的有效自由度上限只与天线孔径和传输距离有关，而与天线结构或天线单元数量无关，所以当单元数量大于最优时，单元间的相互干扰严重，使得对应的电磁有效自由度下降，且小于系统最大的电磁有效自由度。

此外可以看出，系统最大的电磁有效自由度随着通信距离的增加而减小，其原因主要有三点。首先，当通信距离增加到了超过近场范围时，z极化对应的自由度将会趋于消失，从而导致全极化信道矩阵求解的电磁有效自由度减小。此外，电磁波在长距离传输下会退化为平面波，这就意味着接收电场的振幅会在所有接收点上都趋于相同，导致更少的电磁有效自由度。最后，通信距离的变化也会影响电磁波的入射角和传播路径的长度，导致电磁波的功率损失更大，对应的有效自由度也会越小。

3.不同阵列高度的电磁有效自由度曲线绘制

将通信距离D固定为10倍波长，反射地面的介电常数ε

可以看出，当M大于临界值7时，电磁有效自由度随H增加而减小，并且在自由空间中达到最小值，从而体现出了地面反射对通信系统自由度的提高作用，具体来说，反射路径会引入额外的空间自由度，导致系统的总自由度提高。同时，随着H的增加，反射路径长度增长，反射波的功率损失就会越大，对应提供的额外电磁有效自由度就越小。

另一方面，在附图3中M从4到7的区间上可以看出电磁有效自由度曲线的走势较为复杂，有些阵列高度对应的电磁有效自由度反而呈现高度越低电磁有效自由度越小的趋势，这说明在单元数量未达到临界值时，地面反射带来的额外自由度还不明显，这是由于收发阵列之间的复杂干扰导致的。此外，在一些高度条件下，曲线在达到最优数量之前会出现一个异常拐点，这是因为全极化信道模型对应着十分严格的全波物理信息，捕获了近场中十分复杂的矢量近场电磁波，导致了对应电磁有效自由度的复杂性。

4.不同反射地面材质的电磁有效自由度绘制

将通信距离d和阵列高度H都固定为10倍波长，改变反射地面的相对介电常数εr分别为1(即自由空间)、10、100以及无穷大(即PEC)，仿真得到的电磁有效自由度曲线参考附图4。

可以看出，当m大于临界值8时，电磁有效自由度随着反射地面的相对介电常数减小而减小，且在自由空间中达到最小值。这是因为反射地面的相对介电常数越大，电磁波的反射损耗越小，对应的电磁有效自由度越大。