MIMO通信系统中基于全波方法的互耦感知容量分析

《IEEE Open Journal of the Communications Society》：A Full-Wave Approach to Mutual Coupling-Aware Capacity Analysis in MIMO Communication Systems

　　

摘要：

我们提供了一个完整的电磁（EM）无线系统建模框架，用于视距（LoS）通信。该框架将基于活性元件模式（AEP）的无限小偶极子建模（IDM）与其实际通用MIMO链路中的电磁波传播的双态格林函数（GF）表示相结合，这些链路中收发器天线元件之间存在任意程度的相互耦合。这种创新的AEP-IDM-GF方法解决了标准模型的三个根本问题：（i）对相互耦合的完整波形表征；（ii）在传统球面波传播物理之外的双态GF的应用；（iii）完整的极化信道表示。本研究的主要贡献之一是首次完整推导并分解了MIMO信道矩阵，将其表示为电流和自由空间格林函数的形式：我们建立了一种严格的积分表示方法，全面考虑了电磁相互耦合，并提出了一种新的信道矩阵分解方式，将其分为独立成分和由相互耦合引起的成分，这为定量分析波传播和耦合效应提供了基础工具。此外，还提出了基于IDM的高效专用实现方法，并将其与传统的全波EM求解器进行了比较。该框架在相位相干性方面达到了小于1°的水平，在近场（NF）功率响应方面的保真度达到了0.1 dBm，同时保持了计算效率，与全波矩（MoM）仿真相比，加速比高达42.9倍。这种准确性与效率的结合揭示了3GPP模型中的固有局限性：在高信噪比（SNR）条件下，这些模型显著高估了系统容量；而在强耦合配置和低信噪比条件下，则低估了系统性能。通过对包含密集MIMO配置的选定示例进行数值分析，发现相互耦合与全波空间相关性相互作用，从而在各个特征模式之间重新分配能量：...

显示更多