بهبود ظرفیت در سیستم‌های چند ورودی-چند خروجی با استفاده از آنتن‌های آرایه‌ای با پیکربندی مجدد

نجات بخش, نصیرالدین; غفاری میاب, محسن; مکاری, نادر

بهبود ظرفیت در سیستم‌های چند ورودی-چند خروجی با استفاده از آنتن‌های آرایه‌ای با پیکربندی مجدد

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

¹ گروه مخابرات-دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر-دانشگاه تربیت مدرس- تهران- ایران

² عضو هیأت علمی دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر دانشگاه تربیت مدرس

³ استادیار مخابرات دانشگاه تربیت مدرس/ مخابرات بی سیم

چکیده

آنتن‌های با قابلیت پیکربندی مجدد این توانایی را دارند که الگوی تشعشعی خود را بر اساس نیاز‌ تغییر دهند. برای اینکه بتوان از قابلیت پیکربندی مجدد این آنتن‌ها بهره برد، باید با استفاده از پارامترهای تخمین زده شده‌ی کانال، بهترین حالت یا الگوی تشعشعی را برای آنتن پیدا کرد. در این مقاله با در نظر گرفتن یک سیستم چند کاربره‌ی MIMO، با تعریف یک مسئله‌ی بهینه سازی، تأثیر استفاده از آنتن‌های پیکربندی مجدد با الگوهای تشعشعی مختلف در افزایش نرخ تبادل اطالاعات مورد بررسی قرار می‌گیرد. با استفاده از الگو-های تشعشعی استاندارد سیستم‌های MIMO و با فرض استفاده از یک آنتن آرایه‌ای ایستگاه‌پایه با المان‌های با قابلیت پیکربندی مجدد و چند کاربر تک آنتنی، نمودار‌های ظرفیت متوسط هر کاربر بر حسب سیگنال به نویز و همچنین نمودار ظرفیت متوسط بر حسب تعداد کاربران رسم شده‌است. بر اساس این نمودارها، ظرفیت متوسط کاربران برای حالت بدون شکل‌دهی پرتو 40‌% (به میزان 0.045bps/Hz) و با شکل دهی پرتو MRC 5‌% (به میزان 0.052 bps/Hz) نسبت به حالتی که آنتن‌ها قابلیت پیکربندی مجدد نداشته باشند بهتر خواهدبود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

مخابرات بدون سیم

عنوان مقاله [English]

Increasing Capacity in MIMO Systems Using Reconfigurable Array Antennas

نویسندگان [English]

Nassiroddin Nejatbakhsh ¹
Mohsen Ghaffari-Miab ²
Nader Mokari ³

¹ Department of Electrical and Computer Engineering, Tarbiat Modares University, Tehran, Iran.

² Department of Electrical and Computer Engineering, Tarbiat Modares University, Tehran, Iran

³ Department of Electrical and Computer Engineering, Tarbiat Modares University, Tehran, Iran

چکیده [English]

Reconfigurable antennas are capable of having several states of frequency response, polarization or radiation patterns. In order to benefit from this reconfigurability, we should choose the best state of antennas, regarding estimated values for communication channel. The main purpose of this work is to show capacity enhancement of a multi user multiple input multiple output (MU-MIMO) system by means of pattern reconfigurable antennas. Firstly, for a base station antenna array consisting of reconfigurable antenna elements and several single antenna users, an optimization problem is devised to find the best state in which system capacity is maximized. Afterwards, considering a 5×5 antenna array in the base station and 20 single antenna UEs, the achievable rate per UE versus SNR is obtained and plotted for non-reconfigurable to 5-state reconfigurable antenna elements. Based on these results, it is concluded that by means of reconfigurable antennas in the base station array, the achievable rate per user can be increased by 40% (0.045 bps/Hz) without beamforming and 5% (0.052 bps/Hz) with MRC beamforming.

کلیدواژه‌ها [English]

Reconfigurable Antennas
MIMO
5G Cellular Networks

مراجع

[1] R. Senanayake, P. J. Smith, P. A. Martin, and J. S. Evans, "Performance Analysis of Reconfigurable Antenna Arrays," IEEE Transactions on Communications, 2017.

[2] W. Lin, H. Wong, and R. W. Ziolkowski, "Wideband Pattern-Reconfigurable Antenna With Switchable Broadside and Conical Beams," IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, vol. 16, pp. 2638-2641, 2017.

[3] H. Li, B. K. Lau, and S. He, "Design of Closely Packed Pattern Reconfigurable Antenna Array for MIMO Terminals," IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 65, no. 9, pp. 4891-4896, 2017.

[4] N. H. Chamok, M. H. Yilmaz, H. Arslan, and M. Ali, "High-Gain Pattern Reconfigurable MIMO Antenna Array for Wireless Handheld Terminals," IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 64, no. 10, pp. 4306- 4315, 2016.

[5] W. Li and Y. Zhao, "A pattern reconfigurable patch antenna for wide-angle scanning phased array," in Wireless Information Technology and Systems (ICWITS) and Applied Computational Electromagnetics (ACES), 2016 IEEE/ACES International Conference on, 2016, pp. 1-2: IEEE.

[6] J. G. Andrews et al., "What will 5G be?," IEEE Journal on selected areas in communications, vol. 32, no. 6, pp. 1065-1082, 2014.

[7] M. Agiwal, A. Roy, and N. Saxena, "Next generation 5G wireless networks: A comprehensive survey," IEEE Communications Surveys & Tutorials, vol. 18, no. 3, pp. 1617- 1655, 2016.

[8] E. G. Larsson, O. Edfors, F. Tufvesson, and T. L. Marzetta, "Massive MIMO for next generation wireless systems," IEEE Communications Magazine, vol. 52, no. 2, pp. 186-195, 2014.

[9] L. Lu, G. Y. Li, A. L. Swindlehurst, A. Ashikhmin, and R. Zhang, "An Overview of Massive MIMO: Benefits and Challenges," (in English), Ieee Journal of Selected Topics in Signal Processing, vol. 8, no. 5, pp. 742-758, Oct 2014.

[10] T. S. Rappaport, S. Sun, and M. Shafi, "Investigation and comparison of 3GPP and NYUSIM channel models for 5G wireless communications," arXiv preprint arXiv:1707.00291, 2017.

[11] K. Zheng, S. Ou, and X. Yin, "Massive MIMO channel models: A survey," International Journal of Antennas and Propagation, vol. 2014, 2014.

[12] J.-P. Kermoal, L. Schumacher, K. I. Pedersen, P. E. Mogensen, and F. Frederiksen, "A stochastic MIMO radio channel model with experimental validation," IEEE Journal on selected areas in Communications, vol. 20, no. 6, pp. 1211-1226, 2002.

[13] C.-M. Chen, V. Volski, L. Van der Perre, G. A. E. Vandenbosch, and S. Pollin, "Finite large antenna arrays for Massive MIMO: characterisation and system impact," IEEE Transactions on Antennas and Propagation, pp. 1-1, 2017.

[14] H. Shin and J. H. Lee, "Capacity of multipleantenna fading channels: Spatial fading correlation, double scattering, and keyhole," IEEE Transactions on Information Theory, vol. 49, no. 10, pp. 2636-2647, 2003.

[15] H. Q. Ngo, E. G. Larsson, and T. L. Marzetta, "Energy and spectral efficiency of very large multiuser MIMO systems," IEEE Transactions on Communications, vol. 61, no. 4, pp. 1436- 1449, 2013.

[16] S. Le Digabel, "Algorithm 909: NOMAD: Nonlinear optimization with the MADS algorithm," ACM Transactions on Mathematical Software (TOMS), vol. 37, no. 4, p. 44, 2011.

[17] Available: https://www.inverseproblem.co.nz/OPTI/

[18] K. S. D. 742215V01. Available: http://www.kathrein-scala .com/catalog/742215V01 2015-12-15.pdf

[19] P. J. Bevelacqua, Antenna arrays: Performance limits and geometry optimization. Arizona State University, 2008.