Using ideas from Chu and Bode/Fano theories, we characterize the maximum achievable rate over the single-input single-output wireless communication channels under a restriction on the antenna size at the receiver. By employing circuit-theoretic multiport models for radio communication systems, we derive the information-theoretic limits of compact antennas. We first describe an equivalent Chu's antenna circuit under the physical realizability conditions of its reflection coefficient. Such a design allows us to subsequently compute the achievable rate for a given receive antenna size thereby providing a physical bound on the system performance that we compare to the standard size-unconstrained Shannon capacity. We also determine the effective signal-to-noise ratio (SNR) which strongly depends on the antenna size and experiences an apparent finite-size performance degradation where only a fraction of Shannon capacity can be achieved. We further determine the optimal signaling bandwidth which shows that impedance matching is essential in both narrowband and broadband scenarios. We also examine the achievable rate in presence of interference showing that the size constraint is immaterial in interference-limited scenarios. Finally, our numerical results of the derived achievable rate as function of the antenna size and the SNR reveal new insights for the physically consistent design of radio systems.


翻译:使用丘和波德/法诺理论的理论,我们根据对接收器天线尺寸的限制,对接收器天线大小的单一输出单输出无线通信频道设定了最大可实现率。我们利用无线电通信系统的电路理论多端模型,得出紧凑天线的信息理论极限。我们首先用其反射系数的物理可变性能条件来描述等效楚的天线电路。这种设计使我们能够随后计算特定天线尺寸的可实现率,从而对系统性能进行物理约束,与标准大小不受限制的香农能力进行比较。我们还确定高度依赖天线大小的有效信号对噪音比(SNR),并在只能达到部分香农能力的情况下经历明显的有限性性性性能退化。我们进一步确定最佳的信号带宽度,表明阻碍性比在窄带和宽带情景下都至关重要。我们还在出现干扰时,对显示大小限制在受干扰的情景中是无关紧要的。最后,我们从天线尺寸上得出的可实现率的数字结果,即天线尺寸和SNR射线系统持续设计物理洞察。

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