MIMO 系统的容量和 S 参数

Question

使用信道建模软件 (Quadriga)，我正在计算 2x2 MIMO 系统 A 的频谱效率 (bps/Hz) 高于固定频率的 2x2 MIMO 系统 B 的相应容量。然而，系统 A 的隔离度（互耦-S21）低于系统 B。这是为什么呢？该软件将已实现增益模式作为输入。它还将耦合矩阵作为输入，我分别使用了每个系统的 S 参数。

给定频率s21=-20dB的系统A|| 给定频率的系统 B s21=-40dB

Answer 1

MIMO 系统的容量取决于两个因素：总体 SNR（所有 MIMO 子链路的平均值）和信道矩阵的 "orthogonality"。后者可以通过矩阵的奇异值分解来确定。如果所有奇异值都相等，则矩阵是正交的。

在 2x2 的情况下，您将能够并行传输 2 个数据流，即容量与流的数量成线性比例（与 SNR 成对数）。然而，很少能实现完美的正交性。如果您使用相同的信道模型设置（多路径结构、频率、带宽、功率等）并且仅调整天线端口之间的耦合，则由于信道系数的相关性较高，较低的隔离度会导致较低的容量。这可以在以下代码示例中看到（使用 QuaDRiGa v2.2）：

clear all
iso = 0:5:40
for n = 1:numel(iso)
    % Keep identical random ssed
    RandStream.setGlobalStream(RandStream('mt19937ar','seed',1));

    l = qd_layout;                              % Quadriga Layout
    l.randomize_rx_positions(100,1.5,1.5,0);    % Random receiver position
    l.tx_array = qd_arrayant('ula2');           % ULA antenna
    l.tx_array.coupling = [ 1,sqrt( 10^(-iso(n)/10) ); 0,1 ];
    l.rx_array = l.tx_array.copy;
    l.set_scenario('3GPP_38.901_UMi_NLOS');

    c = l.get_channels;                         % Channel coefficients
    H = c.fr(1e9,1);                            % MIMO matrix
    P = mean(abs(H(:).^2));                     % Average Power
    H = H./sqrt(P);                             % Normalize Power
    C(n) = log2(abs(det( eye(2) + 10/2 * (H*H') )));   % MIMO Capacity @ 10 dB SNR
end
plot(iso,C,'-o')

MIMO 系统的容量和 S 参数

Capacity of MIMO System and S-Parameters

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