Анализ влияния пространственно коррелированных замираний на передающей стороне и приемной стороне на пропускную способность радиоканала системы MIMO

т

Анализ влияния пространственно коррелированных замираний на передающей стороне и приемной стороне на пропускную способность радиоканала системы MIMO

В современных системах радиосвязи широко используется технология MIMO, которая основывается на использовании нескольких антенн на приемной стороне и передающей стороне. Благодаря использованию нескольких антенн обеспечивается гораздо более высокая пропускная способность систем MIMO по сравнению с традиционными системами SISO с одной передающей и одной приемной антенной. Однако наличие пространственной корреляции замираний существенно затрудняет практическое использование технологии MIMO в системах радиосвязи, снижает пропускную способность таких систем. Работа посвящена анализу влияния пространственно коррелированных Ключевые слова: пространственная корреляция, замираний на передающей стороне и приемной стороне на пропускную способность радиоканала замирания, пропускная способность, MIMO, системы MIMO. Получены результаты компьютерного моделирования пропускной способности системы моделирование. MIMO при различных конфигурациях антенн в условиях пространственно коррелированных замираний.

Панкратов Д.Ю.,

Доцент кафедры СиСРТ МТУСИ

В современных системах радиосвязи широко используется технология MIMO (Multiple Input Multiple Output - много входов, много выходов) [1, 2]. За счет использования нескольких антенн на прием (той стороне и передающей стороне технология MIMO позволяет обеспечить более высокую пропускную способность, по сравнению с системами SISO (Single Input Single Output - один вход, один выход) с одной передающей и одной приемной антенной [3, 4]. Наличие пространственной корреляции замираний [4, 51 на передающей стороне и на приемной стороне снижает эффективность использования технологии MIMO в системах радиосвязи.

Для повышения эффективности использования технологии MIMO необходимо учитывать наличие пространственной корреляции замираний на передающей стороне и на приемной стороне, что приводит к учету большого числа коэффициентов. Однако получены модели [3], в которых число таких коэффициентов сокращено, что позволяет провести моделирование пространственной корреляцией в системах MIMO с без явного учета структуры антенной решетки. На основании известных результатов [3] продолжен анализ влияния пространственной корреляции на передающей стороне и приемной стороне на пропускную способность радиоканала системы MIMO. Анализ проведен путем компьютерного моделирования пропускной способности системы MIMO при различных конфигурациях антенн в условиях пространственной корреляции.

Модель сигнала на входе приемника в системе связи MIMO с М передающими антеннами и N приемными антеннами [3] имеет следующий вид:

y = Hs + n,

где у — вектор принимаемых сигналов размерности JVxl; 11 - комплексная матрица радиоканала системы MIMO размерности N х Мs — вектор переданных сигналов размерности М ж 1; м - гауссовский случайный вектор размерности N х I с нулевым средним и корреляционной матрицей E[nrí\-a~nI, где / - единичная матрица размерности Nx N, сг - дисперсия шума, операция «"» обозначает one-

72

рацию комплексного сопряжения и транспонирования (эрмитова сопряжения).

При этом каждый элемент h¡- матрицы Н представляет

собой комплексный коэффициент передачи в радиоканале системы MIMO от j-й передающей антенны к i-й приемной антенне. Отношение сигнал/шум для одной приемной антенны составляет р = р/ап2, где Р= E[s's]= Мст52 - мощность Сигналов, излучаемая с помощью всех передающих антенн, al - дисперсия сигнала, излучаемого с помощью одной передающей антенны.

Пропускная способность радиоканала системы MIMO с комплексной матрицей Н определяется соотношением [4, 6]

C=fog1detíl + -^-HH'j бит/с/Гц,

где / — единичная матрица размерности NxN, где N -число приемных антенн; р — отношение сигнал/шум для одной приемной антенны; М - число передающих антенн; Н - комплексная матрица радиоканала системы MIMO размерности JV х А/. Как видно из формулы (1), она является обобщением известной формулы К, Шеннона.

Однако на практике, в реальном радиоканале системы MIMO, матрица Н является случайной благодаря случайным замираниям в радиоканале. Таким образом, пропускная способность С также является случайной величиной. При этом каждый элемент h¡¡ матрицы Н является случайной

величиной, распределение которой определяется характером замираний в радиоканале. В случае отсутствия прямой видимости между передающими и приемными антеннами замирания могут иметь распределение Рэлея, а в случае прямой видимости между передающими и приемными антеннами замирания могут иметь распределение Райса. Пространственно коррелированные замирания имеют место тогда, когда элементы матрицы Н коррелированны между собой. Корреляция зависит от расстояния между антеннами и конфигурации антенн на передающей стороне и приемной стороне.

Известна простая модель [3] для учета пространственной корреляции в радиоканале системы MIMO с помощью модели матрицы канала;

Н cor =

T-Comm #10-2014

Л

У

Т-Сотт #10-2014

73

л

т

Analysis of influence of spatial fading correlation on the transmitting side and the receiving side

on MIMO system radio channel capacity

Pankratov D.Yu., MTUCI

Abstract

In modern radio communication systems MIMO technology is widely used, which is based on using multiple antennas at the transmitting side and the receiving side. The use of multiple antennas provides a much higher MIMO systems capacity compared to conventional SISO systems with one transmit and one receive antenna. However, the presence of the spatial fading correlation significantly hinders the practical use of MIMO techniques in wireless systems, reduces the capacity of such systems. This paper provides the analysis of the influence of spatial fading correlation on the transmitting side and the receiving side on MIMO system radio channel capacity. The results of computer simulations of MIMO system radio channel capacity with different antennas configurations under spatial fading correlation conditions are provided.

Keywords: spatial correlation, fading, throughput, MIMO, simulation.

74 T-Comm #10-2014

л