[论文解读] On the Capacity of Multiple Antenna Systems in Rician Fading

Sudharman K. Jayaweera, H. Vincent Poor|ArXiv.org|Jan 21, 2005

Advanced Wireless Communication Techniques参考文献 15被引用 23

一句话总结

本文研究了在瑞利衰落条件下，当信道状态信息（CSI）仅在接收端可用时，多输入多输出（MIMO）系统的容量。研究推导了发射端完全无CSI知识情况下的精确容量，并提出了一种新颖的信号传输方案，利用对Rician K因子分布的了解，显著提升了容量增益，尤其在高K因子时，相较于为瑞利衰落优化的方案表现更优。

ABSTRACT

The effect of Rician-ness on the capacity of multiple antenna systems is investigated under the assumption that channel state information (CSI) is available only at the receiver. The average-power-constrained capacity of such systems is considered under two different assumptions on the knowledge about the fading available at the transmitter: the case in which the transmitter has no knowledge of fading at all, and the case in which the transmitter has knowledge of the distribution of the fading process but not the instantaneous CSI. The exact capacity is given for the former case while capacity bounds are derived for the latter case. A new signalling scheme is also proposed for the latter case and it is shown that by exploiting the knowledge of Rician-ness at the transmitter via this signalling scheme, significant capacity gain can be achieved. The derived capacity bounds are evaluated explicitly to provide numerical results in some representative situations.

研究动机与目标

• 分析当信道状态信息（CSI）仅在接收端可用时，Rician衰落对MIMO系统容量的影响。
• 推导在发射端完全不了解衰落统计特性时，Rician衰落下MIMO系统的精确容量表达式。
• 提出一种新型信号传输方案，利用发射端对Rician K因子分布的统计知识来提升容量。
• 为所提出的方案建立紧致的上下界容量，量化性能增益。
• 在真实信道条件下，评估瑞利衰落优化信号传输与Rician衰落优化方案之间的容量差距。

提出的方法

• 建立一个具有$N_T$个发射端和$N_R$个接收端天线的MIMO系统模型，假设为非相关瑞利类衰落及加性白高斯噪声。
• 使用非中心Wishart分布对Rician衰落下的信道矩阵进行建模，其参数为K因子。
• 利用复多元Gamma函数和Zonal多项式，推导出当发射端无CSI时的遍历容量的精确表达式。
• 提出一种新型信号传输方案，发射端根据已知的K因子分布调整输入协方差，而非依赖瞬时CSI。
• 利用矩阵变体超几何函数和积分表示，为所提方案推导出紧致的上下界容量。
• 采用广义超几何函数${}_{0}\tilde{F}_{1}$和矩阵变量的贝塞尔函数，以评估容量边界。

实验结果

研究问题

• RQ1 当发射端无CSI时，Rician衰落如何影响MIMO系统的遍历容量？
• RQ2 在存在强视 Line-of-Sight（LOS）分量的Rician环境中，与为瑞利衰落优化的系统相比，其容量差距是多少？
• RQ3 若发射端仅掌握Rician K因子的分布知识，是否能显著提升MIMO容量，而无需瞬时CSI？
• RQ4 对于发射端部分CSI、接收端完美CSI的MIMO系统，可实现的最紧致容量上下界是什么？
• RQ5 所提出的信号传输方案在K因子和发射端天线数增加时，其性能如何扩展？

主要发现

• 推导出在发射端无CSI时MIMO系统的精确遍历容量，表明瑞利衰落下实现容量的输入分布在Rician情况下同样可实现容量。
• 在无发射端CSI时的上界与瑞利衰落优化信号传输的下界之间存在显著容量差距，表明在Rician环境中假设为瑞利衰落会导致性能严重损失。
• 所提出的信号传输方案，利用对K因子分布的了解，相比瑞利衰落优化方案实现了显著更高的容量，尤其在高K因子时优势明显。
• 为所提方案的容量推导出紧致的上下界，从而实现性能的精确评估。
• 对于大K因子，推导出所提方案容量的简化近似，表明其性能接近最优。
• 数值评估结果证实，Rician衰落可提升MIMO容量，且所提方案通过利用发射端的统计CSI，有效捕捉了这一增益。