Ebook: Multiantenna Systems for MIMO Communications

悦然

Multiantenna Systems for MIMO Communications

Franco De Flaviis, Lluis Jofre, Jordi Romeu, Alfred Grau

Morgan&Claypool Publishers, 2008

Contents
1. Principles ofMultiantennaCommunication Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 Introduction toWireless Communications Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Capacity in a Single-Input/Single-OutputCommunication System. . . . . . . . . . . . .2
1.3 Impairments of theWireless Channel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4
1.3.1 PropagationElectromagnetic Phenomena . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.4 Definition of aMultiantenna System. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.5 Capacity in aMIMOCommunication System. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8
1.5.1 SystemModel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.5.2 General Capacity Expression. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.5.3 Uninformed TransmitterCapacity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.5.4 Water-Filling Capacity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.5.5 Channel Normalization. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .19
1.5.6 Ergodic and OutageCapacity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.6 MIMO ChannelModels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.7 Preliminaries of Antenna Design inMIMOCommunication Systems . . . . . . . . . 23
1.8 Channel Coding inMIMOCommunication Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.8.1 Diversity Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2. TheRadioChannel forMIMOCommunication Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.2 Radio Channel Propagationeterministic PhysicalDescription . . . . . . . . . . . . . . 31
2.2.1 Channel Bandwidth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.2.2 Space--TimeCIR. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.3 The Ideal Free-Space PropagationCase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.3.1 Free-Space SISO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.3.2 Free-SpaceMIMO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.4 TheMultipath PropagationCase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.4.1 Multipath SISO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.4.2 MultipathMIMO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.4.3 Time-VariantMultipathMIMO. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.4.4 Time-VariantWidebandMultipathMIMO. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .47
2.5 Representations of an LTV Radio Channel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
2.6 LTV Wideband Bidirectional Polarimetric Multiantenna Multipath
Radio ChannelModel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
2.6.1 PolarimetricTransferMatrices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
2.6.2 Distance Propagation Factor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
2.6.3 Nature of theMPCs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
2.6.4 DoD andDoA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
2.6.4.1 Modeling of Different Channel Types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
2.7 Quality of theMIMO ChannelModel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
2.7.1 Frequency-SelectiveChannels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
2.7.2 Channel Time-Variant Predictions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
2.7.3 Channel ScatteringDimension . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
2.7.4 Example: Capacity of a 2 × 2MIMO System. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .64
3. CodingTheory forMIMOCommunication Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
3.1 OverviewofMIMOCoding Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
3.2 PerformanceMeasures in Coding Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.2.1 Definition ofDiversityGain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.2.2 Definition ofMultiplexingGain. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .69
3.2.2.1 Tradeoffs BetweenDiversity andMultiplexingGain. . . . . . . . .69
3.2.3 Definition of ArrayGain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
3.2.4 Definition of Channel Correlation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
3.3 CombiningMethods. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .73
3.4 Space--TimeCoding. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .74
3.4.1 Classification of Space--TimeCoding Techniques. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .76
3.4.2 Space--TimeBlock Codes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .77
3.4.3 Space--TimeTrellis Codes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
3.4.4 BeamForming. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .81
3.5 SMTechniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
3.5.1 Bell Labs Layered Space--Time. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .83
3.5.2 Combined DiversityMultiplexing Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
3.6 Design Criteria forMIMOCoding Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
3.6.1 SymbolDecision Criteria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
3.6.2 Diversity and Coding Gain Design Criteria. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .85
3.6.3 ArrayVersus DG Design Criteria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
3.6.3.1 PowerAllocationCriteria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
3.7 PerformanceAnalysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
3.7.1 Performance of Space--TimeCoding Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
3.7.2 Performance of SMTechniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
4. AntennaModeling forMIMOCommunication Systems. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .91
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
4.2 GeneralModel for anMPA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
4.2.1 ScatteringMatrixRepresentation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
4.2.2 Fundamental Scattering Properties. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .95
4.2.3 Normalized Far-Field Radiation Pattern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
4.2.4 Fundamental Radiation Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
4.2.5 CanonicalMinimum Scattering Antennas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
4.2.6 Active Gain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
4.3 Components of aMIMO SystemNetworkModel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .101
4.3.1 Signal Source (Generator) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
4.3.2 Signal Drain (Loads) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
4.3.3 TransmitMPA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
4.3.4 ReceiveMPA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
4.3.5 PropagationChannel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .103
4.4 AssembledMIMO SystemNetworkModel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .104
4.4.1 Connection of ScatteringMatrices. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .104
4.4.2 ChannelMatrix and ExtendedChannelMatrix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
4.4.3 Separation of the Transmitter and Receiver Side . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
4.5 Physical Representation of the PropagationChannel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .111
4.5.1 Separation of the Transmitter and Receiver Channel
Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .113
4.6 Mutual Coupling inMPAs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .115
4.7 PerformanceMeasures inMIMOCommunication Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
4.7.1 Transmission PowerGain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
4.7.1.1 TransmitMatching Efficiency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
4.7.1.2 ReceiveMatching Efficiency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
4.7.2 Mean Effective Gain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
4.7.3 Channel Correlation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
4.7.4 Antenna Correlation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
4.7.4.1 ReceiveAntenna Correlation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .127
4.7.4.2 Transmit Antenna Correlation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
4.7.4.3 Extended Transmit and Receive Antenna
Correlation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .129
4.7.4.4 Antenna Correlation in Ideally ScatteredChannels . . . . . . . . . 130
4.7.4.5 Examples. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .133
4.7.5 SystemCapacity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
4.7.6 DiversityOrder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
4.7.7 SystemBandwidth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
4.7.8 EffectiveDegrees of Freedom. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
4.8 Review of the Fundamental Limits ofMPAs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .142
5. DesignofMPAs forMIMOCommunication Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
5.2 Mutual Coupling ReductionUsing Antenna Diversity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
5.2.1 SpaceDiversity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
5.2.2 PolarizationDiversity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
5.2.3 PatternDiversity. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .152
5.3 Mutual Coupling ReductionUsing DNs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .152
5.4 AssembledMIMOSystemNetworkModel Including DNs . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
5.4.1 SuperextendedChannelMatrix. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .154
5.4.2 Separation of the Transmitter and Receiver Side Including
DNs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
5.5 Design Criteria of DNs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
5.5.1 Introduction toMatching Conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
5.5.1.1 Characteristic ImpedanceMatch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
5.5.1.2 Self-ImpedanceMatch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
5.5.1.3 MultiportConjugateMatch. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .160
5.5.2 OptimalMatching Conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
5.5.3 Proof of OptimalTransmission PowerGain. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
5.5.4 Proof of OptimalCapacity. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
5.6 PerformanceMeasures in MIMO Communication Systems Including
DNs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
5.6.1 Transmission PowerGain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
5.6.1.1 TransmitMatching Efficiency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
5.6.1.2 ReceiveMatching Efficiency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
5.6.2 SuperextendedChannel Correlation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
5.6.3 Superextended Transmit and Receive Antenna
Correlation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .170
5.6.4 Normalized Far-Field Radiation Patterns at theDN Ports . . . . . . . . . . . . 171
5.6.5 SystemBandwidth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
5.7 DecorrelatingNetworks. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .173
5.7.1 Lossless DNs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
5.7.1.1 Properties of Lossless DNs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .173
5.7.1.2 Decomposition of Lossless Networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
5.7.1.3 Implementation of Decorrelating Lossless Networks. . . . . . . .176
5.7.2 Lossless ReciprocalDNs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .178
5.7.2.1 Properties of Lossless and ReciprocalDecorrelating
Networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
5.7.2.2 Decomposition of Lossless ReciprocalNetworks . . . . . . . . . . . 179
5.7.2.3 Implementation of Lossless Reciprocal
DecorrelatingNetworks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
5.7.3 Proof of Optimal SuperextendedAntenna Correlation. . . . . . . . . . . . . . . .181
5.7.3.1 Optimal Superextended Receive Antenna
Correlation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .181
5.7.3.2 Optimal Superextended Transmit Antenna
Correlation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .182
5.8 Practical ImplementationAspects of DNs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
6. DesignExamples andPerformanceAnalysis ofDifferentMPAs . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
6.1 PerformanceAnalysis ofMPAs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .185
6.2 Antenna DiversityDesign Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
6.2.1 Space DiversityDesign . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
6.2.2 CompactDual-PolarizedAntenna Design. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .188
6.2.3 PatternDiversityDesign Using BeamForming . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
6.2.4 PatternDiversityDesign UsingMMAs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
6.2.5 Design Example of a PracticalAntenna Diversity System. . . . . . . . . . . . . 192
6.3 DecorrelatingNetworksDesign Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204
6.3.1 Takagi Factorization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204
6.3.2 SymmetryOperators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204
6.3.3 The 2 × 1 LinearmEA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
6.3.4 Three-Element CircularMEA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
6.3.5 The 2 × 2 PlanarMEA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
6.3.6 PerformanceAnalysis ofMPAs Using DNs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220
6.4 Performance Prediction of DifferentMPAs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220
6.4.1 Geometry and Size of anMPA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .221
6.4.2 Polarization Sensitivity of anMPA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224
6.4.3 Operating Frequency of anMPA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .224
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227
List ofAcronyms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
List of Symbols. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .239
Operators andMathematicalSymbols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245
AuthorBiography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249

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