Page 261 - 应用声学2019年第4期
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第 38 卷 第 4 期 朴大志： 多极化 MIMO 信道特性与天线设计 721
相应的6 极化MIMO 天线由共点正交的 3个电偶极
0 引言 子天线和3个磁偶极子天线组成，如图1所示 [24] 。
MIMO(Multiple-input multiple-output) 系 统 y
又称为多天线系统 (Multiple-antenna systems)，其
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核心思想是在发射和接收端同时使用多个天线，
利用无线信道的丰富散射来提高通信系统的频谱
效率，在 Long Term Evolution (LTE 4G) 和 IEEE x
802.11n 等无线通信标准中已经获得了广泛应用，
z
并成为第五代 (5G) 和未来无线通信系统的关键技 ᇓϦౝߕ֒ ֒
术 [1−3] 。但在基于空间分集的 MIMO 系统中，为了
获得足够大的自由度，需要足够大的收发天线阵元 图 1 共点正交 6 极化天线
Fig. 1 Colocated orthogonal hexapolarized an-
间距，在多径丰富的环境中，要达到半个波长，而在
tenna
多径稀疏的环境中则要更大，从而限制了 MIMO 技
术的应用。多极化MIMO技术使无线通信系统的容 然而，由于这种共点正交且隔离度较高的 6 极
量在时、频、空域之外获得了另一维度，此外，采用 化天线很难实现，目前 6 极化 MIMO 系统性能评估
极化分集构成的 MIMO 系统可以通过空间共点的 方面的研究主要基于理论分析和数值计算。在常
天线来实现，从而更充分地利用电磁场的矢量特性， 见的极化分集系统中，一般只考虑用垂直和水平两
并使收发MIMO天线阵的尺寸显著减小。 个极化的天线来得到两个独立的信道。文献 [25] 中
多极化天线是构成极化分集系统的一个关键 指出，在散射环境下，通过 6 极化天线可以构成一
部分，并对整个系统的性能起到重要的作用 [4] ，多 个6×6 的MIMO系统，所获得的信道容量可以达到
极化天线也称为矢量天线，类似于矢量传感器。矢 传统 2 极化系统的 3 倍，这是由于在电磁场中任一
量传感器的输出是由一个物理量在空间中某一点 点可区分的电磁极化状态数是 6 而不是 2。此研究
的多个分量所构成的矢量，最初被用于提高传感器 点燃了人们对多极化MIMO 通信理论的热情，通过
阵列中到达角估计的精度并缩小阵列的孔径 [5−7] ， 一些信道建模理论对此信道的特性和行为进行了
目前已广泛应用于高分辨率目标定位 [8−15] 、识 研究，发现通过共点正交的 6 极化天线，所获得的
别 [16−17] 和成像 [18−19] 等系统中，近年来在水声通 MIMO 信道的自由度为 2 到 6 之间，与环境的散射
信中的应用也逐渐引起了关注 [20−23] 。 特性有关。关于这些多极化MIMO信道建模理论方
多极化 MIMO 系统的信道特性主要包括自由 面的研究主要可分为二类：一类基于统计分析，另一
度 (信道矩阵非零特征值数)、相关系数、统计分布 类基于确定性理论。
和交叉极化隔离度等。与单极化系统相比，一个多
1.1 基于统计分析的信道建模
极化 MIMO 系统的性能与所用的天线有更加密切
基于统计分析的多极化 MIMO 信道模型多来
的关系。其信道特性主要取决于各极化天线对矢量
源于单极化MIMO 信道建模理论的延伸和扩展，主
电磁信号的辐射和接收能力，与天线本身的辐射特
要有文献 [26–35]。其中文献 [26,28–30,33] 针对 2 极
性和所应用环境的散射特性以及它们的相互作用
化，文献 [31–32,34] 中考虑了 3 极化。一般考虑理想
有关。本文主要介绍无线通信系统中多极化MIMO
的天线在一个散射丰富的环境中，通过多径的俯
信道建模理论、天线设计和信道特性测量实验等。
仰角和水平角的不同分布来描述不同的信道散射
状况，通过一个散射矩阵来描述每个散射体对极
1 多极化MIMO信道建模理论
化耦合的贡献，并认为散射矩阵中的元素为具有某
通过多极化天线，空间中同一点的多个电磁场 种分布的随机变量。比如文献 [31] 中得到的结论是
极化状态可以同时被探测和利用，理论上，电磁场中 当同极化和交叉极化耦合系数分别为 0.9 和 0.6 时，
共存在 E x 、E y 、E z 和 H x 、H y 、H z 这 6 种极化状态， 共点 3 极化 MIMO 信道容量与 3×3 独立瑞利 (IID
