Multi-functional and reconfigurable multiple-input multiple-output (MR-MIMO) can provide performance gains over traditional MIMO by introducing additional degrees of freedom. In this paper, we focus on the capacity maximization pattern design for MR-MIMO systems. Firstly, we introduce the matrix representation of MR-MIMO, based on which a pattern design problem is formulated. To further reveal the effect of the radiation pattern on the wireless channel, we consider pattern design for both the single-pattern case where the optimized radiation pattern is the same for all the antenna elements, and the multi-pattern case where different antenna elements can adopt different radiation patterns. For the single-pattern case, we show that the pattern design is equivalent to a redistribution of power among all scattering paths, and an eigenvalue optimization based solution is obtained. For the multi-pattern case, we propose a sequential optimization framework with manifold optimization and eigenvalue decomposition to obtain near-optimal solutions. Numerical results validate the superiority of MR-MIMO systems over traditional MIMO in terms of capacity, and also show the effectiveness of the proposed solutions.


翻译:多功能和可重新配置的多投入多重输出(MR-MIMO)通过引入更多程度的自由,可以对传统的MIMO产生绩效收益。在本文中,我们侧重于MR-MIMO系统的能力最大化模式设计。首先,我们引入MR-MIMO的矩阵代表,以此为基础制定模式设计问题。为了进一步揭示辐射模式对无线信道的影响,我们考虑单一模式的模式设计,即所有最优化的辐射模式对所有天线元素都是相同的,而多模式则不同天线元素可以采用不同的辐射模式。在单一模式的情况下,我们表明模式设计相当于所有分散路径之间权力的重新分配,并获得了基于电子价值优化的解决方案。在多模式的情况下,我们提出一个有多模式优化的顺序优化框架,以获得近乎最佳的解决方案。数字结果证实MR-MIM系统在能力方面优于传统的IMIMO系统,并显示拟议解决方案的有效性。

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