On the Channel Capacity of MIMO Systems under

### 关于MIMO系统在相关瑞利衰落下的信道容量 #### 摘要与背景 本文讨论了多输入多输出（Multiple Input Multiple Output，简称MIMO）系统在相关瑞利衰落环境下信道容量的研究。研究指出，在实际场景中，由于天线间距和周围环境的影响，不同天线元件之间的衰落存在相关性，这可能会显著降低MIMO系统的信道容量。为了深入探讨这一问题，文章提出了一种新方法来研究在瑞利平坦衰落情况下，具有相关发射和接收天线的MIMO系统的信道容量。 #### 方法与理论基础 该研究利用随机矩阵理论导出了能够实现最大信道容量的最佳发射方向，并给出了高信噪比（Signal-to-Noise Ratio，简称SNR）下MIMO系统信道容量的闭合形式表达式。这些表达式的推导基于Wishart分布的性质。通过计算机模拟结果，文章验证了当天线间距增加到某个点时，信道容量达到最大值。此外，在高SNR条件下，信道容量的估计值接近其真实值。当发射器和接收器采用相同的阵列配置时，均匀圆阵（Uniform Circular Array，简称UCA）提供的信道容量高于均匀线阵（Uniform Linear Array，简称ULA）。 #### 相关性影响分析 早期的研究主要关注单用户、点对点链路中，通过在发射端和接收端使用多个天线可以显著提高信道容量，而无需额外的功率或带宽[1-3]。然而，在现实世界的应用场景中，由于天线间距不足以及周围环境的限制，不同天线元件之间的衰落之间存在着一定的相关性。这种相关性可能会导致MIMO系统的信道容量显著降低[4-5]。例如，在文献[4]中，作者们推导了当SNR趋于无穷大时的容量边界，从而可以方便地研究相关性对信道容量的影响。在另一篇文献[6]中，则探讨了空间相关性对MIMO传输链路的时均容量的影响，结果显示，无论是在发射端还是接收端的天线阵列上出现的相关性都会降低可实现的时均信道容量，尤其是在发射端没有信道状态信息（Channel State Information，简称CSI），而接收端则拥有完美的CSI的情况下。 #### 结论与展望 几乎所有的分析结果都假设只存在发射端或接收端的相关性，但在实际情况中，这种假设可能并不总是成立。因此，本研究不仅考虑了发射端和接收端的相关性同时存在的复杂情况，还提供了新的计算方法来评估信道容量。这些发现对于设计更高效的MIMO通信系统具有重要意义。未来的研究可以进一步探索如何在实际环境中优化天线布局以减少相关性的影响，或者开发新的信号处理技术来提高信道容量，特别是在复杂多变的传播环境中。 ### 关键词 - MIMO - 信道容量 - 衰落相关性 ### 总结 本文通过引入一种新的分析方法，对MIMO系统在相关瑞利衰落条件下的信道容量进行了深入研究。通过对最佳发射方向的导出以及闭合形式的表达式，研究揭示了天线间距和阵列配置对信道容量的影响，并且证明了在特定条件下，UCA相较于ULA能够提供更高的信道容量。这项工作为理解和优化MIMO系统的性能提供了重要的理论支持和技术指导。