衰落相关性对强不对称MIMO信道中联合收发分集的进一步影响分析

《IEEE Transactions on Image Processing》：Further Investigation of Impact of Fading Correlation on Joint Transmit-Receive Diversity

本文针对强不对称MIMO信道中衰落相关性对联合收发分集(JTRD)性能的影响展开深入研究。作者通过推导完美相关与不相关衰落情况下子最优JTRD信道容量累积分布函数(CDF)的解析表达式，并结合蒙特卡洛数值计算验证，发现衰落相关性对基于最大比分集(MRD)的JTRD具有积极影响，而对基于选择分集(SD)的JTRD仅产生轻微恶化。该研究为实际移动通信系统中基站与终端设备的天线配置优化提供了重要理论依据。

　　

在移动通信技术快速发展的今天，多天线技术已成为提升无线传输性能的关键手段。然而在实际部署中，基站（BS）通常拥有充足的空间安装大量天线，而用户设备（UE）却因尺寸和硬件复杂度限制只能配备少量天线，这种不对称配置形成了强不对称MIMO（多输入多输出）信道。更复杂的是，基站天线间距较大能够获得不相关衰落，而用户设备天线间距较小容易产生衰落相关性，传统观点认为这种相关性会降低系统性能，但最新研究表明这一认知可能需要重新审视。

日本东北大学的Fumiyuki Adachi和Ryo Takahashi在《IEICE Communications Express》发表的最新研究中，对衰落相关性在强不对称MIMO信道中对联合收发分集（JTRD）的影响进行了深入探索。该研究通过理论分析与数值计算相结合的方法，揭示了衰落相关性对不同类型的JTRD技术产生的差异化影响，为未来移动通信系统设计提供了新的理论视角。

研究人员主要采用解析推导与蒙特卡洛数值计算相结合的技术方法。首先建立了强不对称MIMO信道模型（BS天线数M=128，UE天线数N=2），针对完美相关（ρ=1）和不相关（ρ=0）两种极端衰落情况，推导了基于最大比分集（MRD）和选择分集（SD）的子最优JTRD信道容量累积分布函数（CDF）的闭合表达式。通过蒙特卡洛仿真验证理论结果的准确性，并进一步分析了最优JTRD（等效于最大特征模传输）在衰落相关性影响下的性能变化规律。

信道容量CDF的理论推导与验证

研究团队首先建立了JTRD的系统模型，其中下行传输通过信道矩阵H、发射分集权重向量α和接收分集权重向量β进行表征。对于子最优JTRD，用户设备根据最大比分集（MRD）或选择分集（SD）原则确定分集权重向量。理论分析显示，在强不对称MIMO信道（M?N）中，基于MRD的JTRD在ρ=1时的信道容量比ρ=0时提升了3.32log₁₀N bps/Hz，当N=2时提升约1bps/Hz。而基于SD的JTRD虽然因衰落相关性产生性能下降，但在大M情况下影响微弱。

衰落相关性对子最优JTRD的影响机制

通过(M,N)=(128,2)的典型强不对称MIMO信道案例研究，发现基于MRD的JTRD性能随衰落相关性增强而改善，而基于SD的JTRD仅出现轻微性能下降。蒙特卡洛数值计算结果与理论推导高度吻合，证实了理论模型的准确性。这一发现颠覆了传统认为衰落相关性必然损害系统性能的认知，为实际系统中天线布局优化提供了新思路。

最优JTRD与特征模传输的性能分析

最优JTRD等效于最大特征模传输，研究表明在强不对称MIMO信道中，衰落相关性增强会提升最大特征模传输（对应最优JTRD）的性能，但会降低次大特征模传输的性能。这种性能权衡关系为多用户MIMO系统中的资源分配策略提供了重要参考。

本研究通过严谨的理论推导和数值验证，系统分析了衰落相关性对强不对称MIMO信道中JTRD性能的影响规律。研究结果表明，衰落相关性对基于MRD的JTRD具有积极影响，而对基于SD的JTRD影响有限，这一发现对实际移动通信系统设计具有重要指导意义。特别是考虑到基于MRD的JTRD更接近最优JTRD的性能表现，衰落相关性在实际系统中可能产生的积极影响值得进一步关注和研究。

该研究的创新之处在于揭示了衰落相关性在特定信道条件下的积极作用，为未来5G-Advanced和6G移动通信系统中的天线设计和分集技术选择提供了理论依据。然而，研究也指出需要进一步探索衰落相关性对MRD和SD产生差异化影响的内在机制，并将分析扩展到更多UE天线（N>2）的场景，这些都将成为未来研究的重要方向。