基于高增益天线的近距离通信系统及其信道容量分析方法技术方案

本发明专利技术涉及一种基于高增益天线的近距离通信系统及其信道容量分析方法。所述基于高增益天线的近距离通信系统利用MIMO技术，将具有高增益的天线结构作为MIMO单元，通过设计不同的高增益天线单元与相应的阵列排布方式，能够在近距离通信范围内实现高质量的稳定通信。此外，本发明专利技术针对上述基于高增益天线的近距离通信系统改进了常规的信道容量分析方法，该方法通过提取收发天线之间的传输系数，能够更为方便、准确的得出近距离通信系统的信道容量。本发明专利技术能够显著的降低近距离通信的系统复杂度，提升近距离通信的系统稳定性。提升近距离通信的系统稳定性。提升近距离通信的系统稳定性。

【技术实现步骤摘要】
基于高增益天线的近距离通信系统及其信道容量分析方法


[0001]本专利技术属于无线通信传输的
，尤其涉及一种基于高增益天线的近距离通信系统及其信道容量分析方法。

技术介绍

[0002]近距离通信作为通信系统中重要的组成部分，广泛的研究于射频识别(RFID)、超宽带定位(UWB)和毫米波高速通信等应用中。随着5G时代的到来，近距离通信也在物联网的普及中也迎来了新的机遇。
[0003]根据香农定理，无线通信系统的最大通信速率受限于信道数量、信道带宽和信噪比。在考虑最佳能效和频谱资源匮乏的前提下，通过增加发射端和接收端天线个数的方法可以提升系统的最大通信速率，也即MIMO技术。MIMO技术可以在不提升发射功率、不展宽通信带宽的情况下提升系统的信道容量。在考虑成本、能耗和频谱资源的前提下，收发天线的辐射效率和有效增益对系统的信噪比存在至关重要的影响，这样，具有高增益的天线便成为高速率无线通信系统的关键器件。
[0004]然而，传统MIMO阵列多由多个小天线组成，很少用高增益天线做阵元来使用；与此同时，高增益天线通常单独使用或组成具有更高增益的天线阵列，很少用在MIMO系统中。因此，在考虑同时考虑成本、能耗和频谱资源的前提下，将基于高增益天线的近距离通信系统作为研究的重点是具有深远意义的。此外，传统信道容量分析多是将接收器置于发射器的远场来考虑的。因此，为了评估基于高增益天线的近距离通信系统，有必要针对其近场特性，改进信道容量分析方法。

技术实现思路

[0005]要解决的技术问题
[0006]为了避免现有技术的不足之处，本专利技术提供一种基于高增益天线的近距离通信系统及其信道容量分析方法。
[0007]技术方案
[0008]一种基于高增益天线的近距离通信系统，其特征在于包括发射端和接收端，发射端采用高增益天线。
[0009]进一步地：发射端的高增益天线采用单个高增益天线。
[0010]进一步地：发射端的高增益天线采用多个高增益天线阵列。
[0011]一种近距离通信系统的信道容量分析方法，其特征在于：
[0012][0013]其中，n
R
、n
T
分别代表接收和发射天线的个数，为n
R
维的单位矩阵，P为总发射功率，N0为噪声功率，为该近场通信系统的信道矩阵，s
ij
代表第j个发射天线到第i个接收天线的传输系数。
[0014]有益效果
[0015]本专利技术提供的一种基于高增益天线的近距离通信系统及其信道容量分析方法，能够在近距离通信范围内实现高质量的稳定通信，显著的降低近距离通信的系统复杂度；此外，本专利技术针对上述基于高增益天线的近距离通信系统改进了常规的信道容量分析方法，能够更为方便、准确的得出近距离通信系统的信道容量。
[0016]本专利技术所提出的基于高增益天线的近距离通信系统能够大大提高系统在近场区域信道容量的稳定性，减轻了射频链路的复杂度；所提出的信道容量评估方法能够更为方便、准确的得出近距离通信系统的信道容量。
附图说明
[0017]附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本专利技术的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
[0018]图1为本专利技术中基于高增益天线近距离通信系统MIMO信道的示意图。
[0019]图2为本专利技术中发射端采用单个高增益天线的天线示意图。
[0020]图3为本专利技术中发射端采用四个高增益天线的天线示意图。
[0021]图4为根据香农公式，结合不同发射端天线个数的近场通信系统得出的信道容量。
具体实施方式
[0022]为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面描述的本专利技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0023]本专利技术提供的一种基于高增益天线的近距离通信系统，在发射端采用高增益天线。发射端的高增益天线可以采用单个高增益天线，也可以利用多个高增益天线阵列来组成近距离通信系统。当采用单个高增益天线阵列组成近距离通信系统时，此发射系统可看作单输出系统。当采用多个当采用多个高增益天线阵列组成近距离通信系统时，此发射系统可看作多输出系统。单输出系统可看作多输出系统的特殊情况来对待。
[0024]本专利技术还提供了一种基于高增益天线的近距离通信系统的信道容量分析方法，具体如下：
[0025]根据香农公式，可以得到MIMO系统的信道容量为：
[0026][0027]其中，n
R
、n
T
分别代表接收和发射天线的个数，为n
R
维的单位矩阵，P为总发射功率，N0为噪声功率，为信道矩阵，h
ij
代表第j个发射天线到第i个接收天线的信道增益，代表求矩阵的共轭转置。
[0028]对于基于高增益天线的近距离通信系统而言，视距传播占主导地位，因此，信道矩阵H可用收发天线之间的传输系数来确定。
[0029]当把接收天线和发射天线置于同一环境且距离满足近场通信要求时，该近场通信
系统的信道容量可以写为：
[0030][0031]其中，为该近场通信系统的信道矩阵，s
ij
代表第j个发射天线到第i个接收天线的传输系数。
[0032]图1为本专利技术中基于高增益天线近距离通信系统MIMO信道的示意图。如图所示，每个射频端连接一个高增益天线，发射器可以由一个或多个射频端构成，也即，发射器的天线端可以由单个或多个高增益天线构成。其传输矩阵可以表示为：n和m分别表示接收端和发射端高增益天线的个数。
[0033]图2为本专利技术中发射端采用单个高增益天线的天线示意图，当接收端仅采用一个天线时，其传输矩阵可写为：S＝(s
11
)。
[0034]图3为本专利技术中发射端采用四个高增益天线的天线示意图，当接收端仅采用一个天线时，其传输矩阵可写为：S＝(s
11
s
12
s
13
s
14
)。
[0035]图4为根据香农公式，结合不同发射端天线个数的近场通信系统得出的信道容量。
[0036]以上所述，仅为本专利技术的具体实施方式，但本专利技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本
的技术人员在本专利技术公开的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本专利技术的保护范围之内。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于高增益天线的近距离通信系统，其特征在于包括发射端和接收端，发射端采用高增益天线。2.根据权利要求1所述的基于高增益天线的近距离通信系统，其特征在于：发射端的高增益天线采用单个高增益天线。3.根据权利要求1所述的基于高增益天线的近距离通信系统，其特征在于：发射端的高增益天线采用多个高增益天线阵列。4.一种基于权利要求1所述的近距离...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨宇航，崔伦，周世钢，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：