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    ojee
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    <journal-title>
     Open Journal of Energy Efficiency
    </journal-title>
   </journal-title-group>
   <issn pub-type="epub">
    2169-2637
   </issn>
   <issn publication-format="print">
    2169-2645
   </issn>
   <publisher>
    <publisher-name>
     Scientific Research Publishing
    </publisher-name>
   </publisher>
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  <article-meta>
   <article-id pub-id-type="doi">
    10.4236/ojee.2024.134007
   </article-id>
   <article-id pub-id-type="publisher-id">
    ojee-136573
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    <subj-group subj-group-type="heading">
     <subject>
      Articles
     </subject>
    </subj-group>
    <subj-group subj-group-type="Discipline-v2">
     <subject>
      Engineering
     </subject>
    </subj-group>
   </article-categories>
   <title-group>
    Mutual Coupling Effect on Spectral Efficiency of 5G Massive MIMO Millimeter Wave Antenna Array
   </title-group>
   <contrib-group>
    <contrib contrib-type="author" xlink:type="simple">
     <name name-style="western">
      <surname>
       Ezeddin A. M. Ben
      </surname>
      <given-names>
       Ihrayz
      </given-names>
     </name> 
     <xref ref-type="aff" rid="aff1"> 
      <sup>1</sup>
     </xref> 
     <xref ref-type="aff" rid="aff2"> 
      <sup>2</sup>
     </xref>
    </contrib>
   </contrib-group> 
   <aff id="aff1">
    <addr-line>
     aDepartment of Electrical and Electronic Engineering, Faculty of Engineering, University of Benghazi, Benghazi, Libya
    </addr-line> 
   </aff> 
   <aff id="aff2">
    <addr-line>
     aHatif Libya Company, Benghazi, Libya
    </addr-line> 
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     14
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    <month>
     10
    </month>
    <year>
     2024
    </year>
   </pub-date> 
   <volume>
    13
   </volume> 
   <issue>
    04
   </issue>
   <fpage>
    101
   </fpage>
   <lpage>
    119
   </lpage>
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      27,
     </day>
     <month>
      August
     </month>
     <year>
      2024
     </year>
    </date>
    <date date-type="published">
     <day>
      11,
     </day>
     <month>
      August
     </month>
     <year>
      2024
     </year> 
    </date> 
    <date date-type="accepted">
     <day>
      11,
     </day>
     <month>
      October
     </month>
     <year>
      2024
     </year> 
    </date>
   </history>
   <permissions>
    <copyright-statement>
     © Copyright 2014 by authors and Scientific Research Publishing Inc. 
    </copyright-statement>
    <copyright-year>
     2014
    </copyright-year>
    <license>
     <license-p>
      This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
     </license-p>
    </license>
   </permissions>
   <abstract>
    The fifth generation (5G) wireless communication requires the massive multiple input multiple output (MIMO) technique. The massive MIMO antenna array of the millimeter wave (mm-wave) is recognized as a key enabler because of its high spectral efficiency. The higher the frequencies of the RF signal, the lower the distance it travels in free space caused by path loss, and it is more easily absorbed by obstacles, which are needed for high-gain transmitters. The advantage of the physical properties of higher New Radio (NR) frequencies is that 5G can utilize more spectrum, more antennas, and higher-order modulation schemes. The massive antennas and radio frequency chains improve the implementation of the cost of 5G wireless communication systems and result in an intense mutual coupling effect among antennas because of the limited space for deploying antennas. The upper bound of the effective capacity is derived for 5G multimedia massive MIMO communication systems. Two antennas that receive diversity gain models, the mutual coupling matrix, and the spacing antenna distance are built and analyzed. The impacts and affections of the antenna spacing the number of antennas, the quality-of-service (QoS) statistical exponent, and the number of independent incident directions on the upper effective capacity of 5G multimedia massive MIMO communication systems are analyzed. It is shown that for MIMO systems with compact transmit antenna arrays, the mutual coupling seriously degrades system capacity to mitigate the capacity degradation. In case of improvement in the mutual coupling by 99%, the system performance is kept stationary and enhances system capacity. However, the improvement of the mutual coupling is still about 87.5% today, which means the mutual coupling should be considered in 5G massive MIMO networks. 
   </abstract>
   <kwd-group> 
    <kwd>
     Mutual Coupling
    </kwd> 
    <kwd>
      Antenna Array
    </kwd> 
    <kwd>
      Massive MIMO
    </kwd> 
    <kwd>
      Spectral Efficiency
    </kwd> 
    <kwd>
      Effective Capacity
    </kwd> 
    <kwd>
      Multiuser
    </kwd> 
    <kwd>
      Multipath Directions
    </kwd> 
    <kwd>
      Scattering Matrix
    </kwd> 
    <kwd>
      Steering Matrix
    </kwd>
   </kwd-group>
  </article-meta>
 </front>
 <body>
  <sec id="s1">
   <title>1. Introduction</title>
   <p>The exact extent nature of the effects of coupling on array performance depends on the type of antenna, its design parameters, the relative placement of the element in the array, the type of feed used to excite elements and design parameters thereof, and the range of relative excitation employed <xref ref-type="bibr" rid="scirp.136573-1">
     [1]
    </xref> <xref ref-type="bibr" rid="scirp.136573-2">
     [2]
    </xref>. To support this large data traffic 5G is the latest possible solution. For 5G, frequencies of around 50 GHz are being considered, which will present some real challenges in the circuit design <xref ref-type="bibr" rid="scirp.136573-3">
     [3]
    </xref>. A Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) antenna system can enhance the overall antenna performance but has to overcome new challenges, such as reducing the mutual coupling and the correlation between the elements <xref ref-type="bibr" rid="scirp.136573-4">
     [4]
    </xref> <xref ref-type="bibr" rid="scirp.136573-5">
     [5]
    </xref>. The huge antenna arrays have to be deployed compactly because enough spaces are not available at not only base stations (BSs) but also mobile terminals; therefore, the interaction of mutual coupling among antennas gets so strong that it cannot be ignored in massive MIMO systems <xref ref-type="bibr" rid="scirp.136573-6">
     [6]
    </xref>. It has been proved that mutual coupling has a great influence on the performance of antenna arrays for not only small but also large inter-antenna spacing, because in order to contain the changes in all the anticipant vectors, the steering vectors of the antenna arrays should be adjusted not only in amplitude but also in phase <xref ref-type="bibr" rid="scirp.136573-6">
     [6]
    </xref> <xref ref-type="bibr" rid="scirp.136573-7">
     [7]
    </xref>.</p>
   <p>The motivation rest of this paper produces the system model in which there is a 2D antenna array is described for a massive MIMO mobile communication system, mutual coupling impedance, diversity gain for antenna spacing, antenna number diversity gain, optimal precoding matrix, upper bound of spectral efficiency is derived, and effective capacity with (QoS) quality-of-service statistical exponent. Numerical analysis is performed using the MATLAB program, and comments on the results of the mutual coupling effect of the massive MIMO modeling are summarized in this paper.</p>
  </sec><sec id="s2">
   <title>2. System Model</title>
   <sec id="s2_1">
    <title>2.1. Downlink 2D (Two Dimension) Massive MIMO Communication system</title>
    <p>Multiple input multiple output communication mobile, with multiple paths scattering environment system, are shown in <xref ref-type="fig" rid="fig1">
      Figure 1
     </xref>. In the beginning, the massive MIMO (Multiple Input Multiple Output) parameters of the system model are explained.</p>
    <p>Definition λ as the wavelength of the carrier signal, d as the antenna spacing distance between adjacent elements of the antenna array of the massive MIMO, aλ (a ≥ 1) as the length of the antenna array, bλ (b ≥ 1) as the width of the antenna</p>
    <fig id="fig1" position="float">
     <label>Figure 1</label>
     <caption>
      <title>Figure 1. Massive MIMO multiple path system model.</title>
     </caption>
     <graphic mimetype="image" position="float" xlink:type="simple" xlink:href="https://html.scirp.org/file/2650325-rId16.jpeg?20241014032206" />
    </fig>
    <p>array, deployment of m antenna elements in each row, and n elements in each column of this antenna array. The total number of elements, M of the antenna array of the massive MIMO (Multiple Input Multiple Output) can be derived as follows <xref ref-type="bibr" rid="scirp.136573-6">
      [6]
     </xref>.</p>
    <p>
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         M 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mi>
         m 
       </mi> 
       <mo>
         ∗ 
       </mo> 
       <mi>
         n 
       </mi> 
      </mrow> 
     </math> (1)</p>
    <p>The signal-to-noise ratio at the base station is noted as 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         S 
       </mi> 
       <mi>
         N 
       </mi> 
       <msub> 
        <mi>
          R 
        </mi> 
        <mrow> 
         <mi>
           B 
         </mi> 
         <mi>
           S 
         </mi> 
        </mrow> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math>. 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
       <mi>
         H 
       </mi> 
      </mstyle> 
     </math>, and 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
        β 
      </mi> 
     </math> stand for the small-scale fading matrix, and large-scale fading coefficient of the channel in this model respectively. The signal at the base station (BS) is defined as x, w means the additive white Gaussian noise (AWGN) over wireless channels, and the mutual coupling matrix is configured as K, the equivalent precoding matrix is recognized as 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           F 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mrow> 
         <mi>
           e 
         </mi> 
         <mi>
           q 
         </mi> 
        </mrow> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math>, A is defined as the steering matrix, then the down-link signal vector received at the user end (UE) mobile terminal equipped with N antenna at the receiver can be expressed as follows <xref ref-type="bibr" rid="scirp.136573-5">
      [5]
     </xref> <xref ref-type="bibr" rid="scirp.136573-6">
      [6]
     </xref>.</p>
    <p>
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         y 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <msqrt> 
        <mrow> 
         <mi>
           S 
         </mi> 
         <mi>
           N 
         </mi> 
         <msub> 
          <mi>
            R 
          </mi> 
          <mrow> 
           <mi>
             B 
           </mi> 
           <mi>
             S 
           </mi> 
          </mrow> 
         </msub> 
        </mrow> 
       </msqrt> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          H 
        </mi> 
        <mi>
          A 
        </mi> 
        <mi>
          K 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <msub> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           F 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mrow> 
         <mi>
           e 
         </mi> 
         <mi>
           q 
         </mi> 
        </mrow> 
       </msub> 
       <msup> 
        <mi>
          β 
        </mi> 
        <mrow> 
         <mrow> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
          <mo>
            / 
          </mo> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </mrow> 
        </mrow> 
       </msup> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mo>
         + 
       </mo> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          w 
        </mi> 
       </mstyle> 
      </mrow> 
     </math> (2)</p>
    <p>In which x, is as a 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          N 
        </mi> 
        <mi>
          s 
        </mi> 
       </msub> 
       <mo>
         × 
       </mo> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math> vector, and w is a 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         N 
       </mi> 
       <mo>
         × 
       </mo> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math> vector, where 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          N 
        </mi> 
        <mi>
          s 
        </mi> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math> is the number of data streams received at the received antenna, and N is the number received antenna at the mobile terminal of the user end (UE).</p>
    <p>The scattering matrix 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          H 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mo>
         ~ 
       </mo> 
       <mi mathvariant="script">
         C 
       </mi> 
       <mi mathvariant="script">
         N 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mn>
           0 
         </mn> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mi>
           P 
         </mi> 
         <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
          <mi>
            I 
          </mi> 
         </mstyle> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math> is governed by a complex Gaussian distribution and is expressed as follows.</p>
    <p>
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          H 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <msup> 
        <mrow> 
         <mrow> 
          <mo>
            [ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              h 
            </mi> 
            <mn>
              1 
            </mn> 
           </msub> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <mo>
             ⋯ 
           </mo> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <msub> 
            <mi>
              h 
            </mi> 
            <mi>
              p 
            </mi> 
           </msub> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <mo>
             ⋯ 
           </mo> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <msub> 
            <mi>
              h 
            </mi> 
            <mi>
              P 
            </mi> 
           </msub> 
          </mrow> 
          <mo>
            ] 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mtext>
          T 
        </mtext> 
       </msup> 
       <mo>
         ∈ 
       </mo> 
       <msup> 
        <mi>
          ℂ 
        </mi> 
        <mrow> 
         <mi>
           N 
         </mi> 
         <mo>
           × 
         </mo> 
         <mi>
           P 
         </mi> 
        </mrow> 
       </msup> 
      </mrow> 
     </math> (3)</p>
    <p>In which 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msup> 
        <mi>
          ℂ 
        </mi> 
        <mrow> 
         <mi>
           N 
         </mi> 
         <mo>
           × 
         </mo> 
         <mi>
           P 
         </mi> 
        </mrow> 
       </msup> 
      </mrow> 
     </math> denotes a 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         N 
       </mi> 
       <mo>
         × 
       </mo> 
       <mi>
         P 
       </mi> 
      </mrow> 
     </math> matrix of a complex number, P stands for the number of independent incident directions from scattering media environment. 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          h 
        </mi> 
        <mi>
          p 
        </mi> 
       </msub> 
       <mo>
         ~ 
       </mo> 
       <mi mathvariant="script">
         C 
       </mi> 
       <mi mathvariant="script">
         N 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mn>
           0 
         </mn> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mi>
           I 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math> stands for a complex coefficient vector of small-scale fading from the 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          p 
        </mi> 
        <mrow> 
         <mi>
           t 
         </mi> 
         <mi>
           h 
         </mi> 
        </mrow> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math> incident direction scattering media environment which is expressed as follows.</p>
    <p>
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          h 
        </mi> 
        <mi>
          p 
        </mi> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <msubsup> 
        <mi>
          h 
        </mi> 
        <mi>
          p 
        </mi> 
        <mrow> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
       </msubsup> 
       <mo>
         + 
       </mo> 
       <msubsup> 
        <mi>
          h 
        </mi> 
        <mi>
          p 
        </mi> 
        <mrow> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mi>
            i 
          </mi> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
       </msubsup> 
      </mrow> 
     </math> (4)</p>
    <p>The above-mentioned expression consists 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msubsup> 
        <mi>
          h 
        </mi> 
        <mi>
          p 
        </mi> 
        <mrow> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
       </msubsup> 
      </mrow> 
     </math> is defined as a real part of 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          h 
        </mi> 
        <mi>
          p 
        </mi> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math>, and 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msubsup> 
        <mi>
          h 
        </mi> 
        <mi>
          p 
        </mi> 
        <mrow> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mi>
            i 
          </mi> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
       </msubsup> 
      </mrow> 
     </math> is defined as an imaginary part of 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          h 
        </mi> 
        <mi>
          p 
        </mi> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math>. Furthermore, they are Gaussian random variables distributed independently and identically, whose expectation, and variance are 0 and 0.5 respectively <xref ref-type="bibr" rid="scirp.136573-6">
      [6]
     </xref>.</p>
    <p>The expectation of a random variable is defined as a mean value as mentioned in <xref ref-type="bibr" rid="scirp.136573-8">
      [8]
     </xref> as follows.</p>
    <p>
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         E 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mo>
          [ 
        </mo> 
        <mi>
          X 
        </mi> 
        <mo>
          ] 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mstyle displaystyle="true"> 
        <mrow> 
         <msubsup> 
          <mo>
            ∫ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <mi>
             ∞ 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mi>
            ∞ 
          </mi> 
         </msubsup> 
         <mrow> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
          <mo>
            ⋅ 
          </mo> 
          <mi>
            f 
          </mi> 
          <mrow> 
           <mo>
             ( 
           </mo> 
           <mi>
             x 
           </mi> 
           <mo>
             ) 
           </mo> 
          </mrow> 
          <mtext>
            d 
          </mtext> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
         </mrow> 
        </mrow> 
       </mstyle> 
      </mrow> 
     </math> (5)</p>
    <p>where 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         E 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mo>
          [ 
        </mo> 
        <mi>
          X 
        </mi> 
        <mo>
          ] 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math> is the expectation of a random variable X, 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         f 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math> distribution function of a random variable, and x ranges over all possible realization of X <xref ref-type="bibr" rid="scirp.136573-8">
      [8]
     </xref>.</p>
    <p>
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mtext>
         var 
       </mtext> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mi>
          X 
        </mi> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mi>
         E 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mo>
          [ 
        </mo> 
        <mrow> 
         <msup> 
          <mrow> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mi>
               X 
             </mi> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <mi>
               E 
             </mi> 
             <mrow> 
              <mo>
                [ 
              </mo> 
              <mi>
                X 
              </mi> 
              <mo>
                ] 
              </mo> 
             </mrow> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mrow> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </msup> 
        </mrow> 
        <mo>
          ] 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mi>
         E 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mo>
          [ 
        </mo> 
        <mrow> 
         <msup> 
          <mi>
            X 
          </mi> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </msup> 
        </mrow> 
        <mo>
          ] 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         − 
       </mo> 
       <mi>
         E 
       </mi> 
       <msup> 
        <mrow> 
         <mrow> 
          <mo>
            [ 
          </mo> 
          <mi>
            X 
          </mi> 
          <mo>
            ] 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </msup> 
      </mrow> 
     </math> (6)</p>
    <p>where 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mtext>
         var 
       </mtext> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mi>
          X 
        </mi> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math> is the variance of the random variable, 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         E 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mo>
          [ 
        </mo> 
        <mrow> 
         <msup> 
          <mi>
            X 
          </mi> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </msup> 
        </mrow> 
        <mo>
          ] 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math> is called the second moment of a random variable or mean square of the random variable and is given by <xref ref-type="bibr" rid="scirp.136573-8">
      [8]
     </xref>.</p>
    <p>
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         E 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mo>
          [ 
        </mo> 
        <mrow> 
         <msup> 
          <mi>
            X 
          </mi> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </msup> 
        </mrow> 
        <mo>
          ] 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mstyle displaystyle="true"> 
        <mrow> 
         <msubsup> 
          <mo>
            ∫ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <mi>
             ∞ 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mi>
            ∞ 
          </mi> 
         </msubsup> 
         <mrow> 
          <msup> 
           <mi>
             x 
           </mi> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
          </msup> 
          <mi>
            f 
          </mi> 
          <mrow> 
           <mo>
             ( 
           </mo> 
           <mi>
             x 
           </mi> 
           <mo>
             ) 
           </mo> 
          </mrow> 
          <mtext>
            d 
          </mtext> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
         </mrow> 
        </mrow> 
       </mstyle> 
      </mrow> 
     </math> (7)</p>
    <p>The standard deviation 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          σ 
        </mi> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math> is defined as the root square of the variance as follows <xref ref-type="bibr" rid="scirp.136573-8">
      [8]
     </xref>.</p>
    <p>
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          σ 
        </mi> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <msqrt> 
        <mrow> 
         <mi>
           var 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mi>
            X 
          </mi> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
       </msqrt> 
      </mrow> 
     </math> (8)</p>
    <p>Each independent incident direction corresponds to one steering vector 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         a 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mi>
            ϕ 
          </mi> 
          <mi>
            q 
          </mi> 
         </msub> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mi>
           θ 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         ∈ 
       </mo> 
       <msup> 
        <mi>
          ℂ 
        </mi> 
        <mrow> 
         <mi>
           M 
         </mi> 
         <mo>
           × 
         </mo> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
        </mrow> 
       </msup> 
      </mrow> 
     </math>, so all the P steering vectors can constitute the steering matrix A of the antenna array, which is expressed as follows. Here assuming both azimuth angle 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          ϕ 
        </mi> 
        <mi>
          q 
        </mi> 
       </msub> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mi>
           q 
         </mi> 
         <mo>
           = 
         </mo> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mo>
           ⋯ 
         </mo> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mi>
           P 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math>, and elevation angle 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
        θ 
      </mi> 
     </math>, which are uniform distributed independently and identically within scope of 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mrow> 
        <mo>
          [ 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mi>
            π 
          </mi> 
          <mo>
            / 
          </mo> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </mrow> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mi>
            π 
          </mi> 
          <mo>
            / 
          </mo> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mo>
          ] 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math>,</p>
    <p>
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          A 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <msup> 
        <mrow> 
         <mrow> 
          <mo>
            [ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mi>
             a 
           </mi> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                ϕ 
              </mi> 
              <mn>
                1 
              </mn> 
             </msub> 
             <mo>
               , 
             </mo> 
             <mi>
               θ 
             </mi> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <mi>
             a 
           </mi> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                ϕ 
              </mi> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msub> 
             <mo>
               , 
             </mo> 
             <mi>
               θ 
             </mi> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <mo>
             ⋯ 
           </mo> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <mi>
             a 
           </mi> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                ϕ 
              </mi> 
              <mi>
                q 
              </mi> 
             </msub> 
             <mo>
               , 
             </mo> 
             <mi>
               θ 
             </mi> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <mo>
             ⋯ 
           </mo> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <mi>
             a 
           </mi> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                ϕ 
              </mi> 
              <mi>
                P 
              </mi> 
             </msub> 
             <mo>
               , 
             </mo> 
             <mi>
               θ 
             </mi> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mrow> 
          <mo>
            ] 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mtext>
          T 
        </mtext> 
       </msup> 
       <mo>
         ∈ 
       </mo> 
       <msup> 
        <mi>
          ℂ 
        </mi> 
        <mrow> 
         <mi>
           P 
         </mi> 
         <mo>
           × 
         </mo> 
         <mi>
           M 
         </mi> 
        </mrow> 
       </msup> 
      </mrow> 
     </math> (9)</p>
    <p>The steering matrix of 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          q 
        </mi> 
        <mrow> 
         <mi>
           t 
         </mi> 
         <mi>
           h 
         </mi> 
        </mrow> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math> incident independent direction of the rectangular antenna array is defined by 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msup> 
        <mi>
          A 
        </mi> 
        <mi>
          q 
        </mi> 
       </msup> 
       <mo>
         ∈ 
       </mo> 
       <msup> 
        <mi>
          ℂ 
        </mi> 
        <mrow> 
         <mi>
           n 
         </mi> 
         <mo>
           × 
         </mo> 
         <mi>
           m 
         </mi> 
        </mrow> 
       </msup> 
      </mrow> 
     </math> <xref ref-type="bibr" rid="scirp.136573-6">
      [6]
     </xref>.</p>
    <p>
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mtext>
         vec 
       </mtext> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <msup> 
          <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
           <mi>
             A 
           </mi> 
          </mstyle> 
          <mi>
            q 
          </mi> 
         </msup> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mi>
         a 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mi>
            ϕ 
          </mi> 
          <mi>
            q 
          </mi> 
         </msub> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mi>
           θ 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math> (10)</p>
    <p>where 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mtext>
         vec 
       </mtext> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <msup> 
          <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
           <mi>
             A 
           </mi> 
          </mstyle> 
          <mi>
            q 
          </mi> 
         </msup> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math> is defined as a vectorization matrix operation <xref ref-type="bibr" rid="scirp.136573-9">
      [9]
     </xref>. Which is defined as below.</p>
    <p>
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mtext>
         vec 
       </mtext> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <msup> 
          <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
           <mi>
             A 
           </mi> 
          </mstyle> 
          <mi>
            q 
          </mi> 
         </msup> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <msup> 
        <mrow> 
         <mrow> 
          <mo>
            [ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              a 
            </mi> 
            <mrow> 
             <mn>
               1 
             </mn> 
             <mo>
               , 
             </mo> 
             <mn>
               1 
             </mn> 
            </mrow> 
           </msub> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <msub> 
            <mi>
              a 
            </mi> 
            <mrow> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
             <mo>
               , 
             </mo> 
             <mn>
               1 
             </mn> 
            </mrow> 
           </msub> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <mo>
             ⋯ 
           </mo> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <msub> 
            <mi>
              a 
            </mi> 
            <mrow> 
             <mi>
               n 
             </mi> 
             <mo>
               , 
             </mo> 
             <mn>
               1 
             </mn> 
            </mrow> 
           </msub> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <mo>
             ⋯ 
           </mo> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <msub> 
            <mi>
              a 
            </mi> 
            <mrow> 
             <mn>
               1 
             </mn> 
             <mo>
               , 
             </mo> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
            </mrow> 
           </msub> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <msub> 
            <mi>
              a 
            </mi> 
            <mrow> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
             <mo>
               , 
             </mo> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
            </mrow> 
           </msub> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <mo>
             ⋯ 
           </mo> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <msub> 
            <mi>
              a 
            </mi> 
            <mrow> 
             <mi>
               n 
             </mi> 
             <mo>
               , 
             </mo> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
            </mrow> 
           </msub> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <mo>
             ⋯ 
           </mo> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <msub> 
            <mi>
              a 
            </mi> 
            <mrow> 
             <mn>
               1 
             </mn> 
             <mo>
               , 
             </mo> 
             <mi>
               m 
             </mi> 
            </mrow> 
           </msub> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <msub> 
            <mi>
              a 
            </mi> 
            <mrow> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
             <mo>
               , 
             </mo> 
             <mi>
               m 
             </mi> 
            </mrow> 
           </msub> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <mo>
             ⋯ 
           </mo> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <msub> 
            <mi>
              a 
            </mi> 
            <mrow> 
             <mi>
               n 
             </mi> 
             <mo>
               , 
             </mo> 
             <mi>
               m 
             </mi> 
            </mrow> 
           </msub> 
          </mrow> 
          <mo>
            ] 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mtext>
          T 
        </mtext> 
       </msup> 
      </mrow> 
     </math> (11)</p>
    <p>where 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msup> 
        <mrow> 
         <mrow> 
          <mo>
            [ 
          </mo> 
          <mo> 
          </mo> 
          <mo>
            ] 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mi>
          T 
        </mi> 
       </msup> 
      </mrow> 
     </math> transpose matrix operation <xref ref-type="bibr" rid="scirp.136573-6">
      [6]
     </xref> <xref ref-type="bibr" rid="scirp.136573-9">
      [9]
     </xref>.</p>
    <p>The definition element of steering matrix of 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msup> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           A 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mi>
          q 
        </mi> 
       </msup> 
      </mrow> 
     </math> as below.</p>
    <p>
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msubsup> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           A 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mrow> 
         <mi>
           c 
         </mi> 
         <mi>
           e 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mi>
          q 
        </mi> 
       </msubsup> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mi>
         exp 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mo>
          { 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mi>
           j 
         </mi> 
         <mfrac> 
          <mrow> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
           <mi>
             π 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mi>
            λ 
          </mi> 
         </mfrac> 
         <mrow> 
          <mo>
            [ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mi>
               c 
             </mi> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <mn>
               1 
             </mn> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
           <mi>
             d 
           </mi> 
           <mi>
             cos 
           </mi> 
           <msub> 
            <mi>
              ϕ 
            </mi> 
            <mi>
              q 
            </mi> 
           </msub> 
           <mi>
             sin 
           </mi> 
           <mi>
             θ 
           </mi> 
           <mo>
             + 
           </mo> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mi>
               e 
             </mi> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <mn>
               1 
             </mn> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
           <mi>
             d 
           </mi> 
           <mi>
             sin 
           </mi> 
           <msub> 
            <mi>
              ϕ 
            </mi> 
            <mi>
              q 
            </mi> 
           </msub> 
           <mi>
             sin 
           </mi> 
           <mi>
             θ 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mo>
            ] 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mo>
          } 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math> (12)</p>
    <p>where 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msubsup> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           A 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mrow> 
         <mi>
           c 
         </mi> 
         <mi>
           e 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mi>
          q 
        </mi> 
       </msubsup> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
         <mo>
           ≤ 
         </mo> 
         <mi>
           c 
         </mi> 
         <mo>
           ≤ 
         </mo> 
         <mi>
           m 
         </mi> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
         <mo>
           ≤ 
         </mo> 
         <mi>
           e 
         </mi> 
         <mo>
           ≤ 
         </mo> 
         <mi>
           n 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math> is the element of the steering matrix 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msup> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           A 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mi>
          q 
        </mi> 
       </msup> 
      </mrow> 
     </math>.</p>
    <p>Which locates at cth row, and eth column <xref ref-type="bibr" rid="scirp.136573-5">
      [5]
     </xref> <xref ref-type="bibr" rid="scirp.136573-6">
      [6]
     </xref>.</p>
    <p>For a rectangular antenna array with M elements the mutual coupling matrix is defined and expressed as below <xref ref-type="bibr" rid="scirp.136573-6">
      [6]
     </xref>.</p>
    <p>
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          K 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <msub> 
        <mi>
          Z 
        </mi> 
        <mi>
          L 
        </mi> 
       </msub> 
       <msup> 
        <mrow> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              Z 
            </mi> 
            <mi>
              L 
            </mi> 
           </msub> 
           <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
            <mi>
              I 
            </mi> 
           </mstyle> 
           <mo>
             + 
           </mo> 
           <msub> 
            <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
             <mi>
               Z 
             </mi> 
            </mstyle> 
            <mi>
              M 
            </mi> 
           </msub> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
        </mrow> 
       </msup> 
      </mrow> 
     </math> (13)</p>
    <p>where 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          Z 
        </mi> 
        <mi>
          L 
        </mi> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math> denotes the antenna load impedance that is constant for each element of the antenna array equal to 50 Ω, 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           Z 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mi>
          M 
        </mi> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math> denotes the M × M mutual coupling impedance matrix, and 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
       <mi>
         I 
       </mi> 
      </mstyle> 
     </math> is the M × M unity matrix <xref ref-type="bibr" rid="scirp.136573-6">
      [6]
     </xref> <xref ref-type="bibr" rid="scirp.136573-10">
      [10]
     </xref>.</p>
   </sec>
   <sec id="s2_2">
    <title>2.2. Mutual Coupling Effect Modeling</title>
    <p>The induced EMF (Electro Motive Force) method is a classical method to compute the self and mutual impedances <xref ref-type="bibr" rid="scirp.136573-6">
      [6]
     </xref>. The coupling between two or more microstrip antenna elements can be taken into account easily, and it can be shown that coupling between two patches, as is coupling between two aperture or two wire antennas, is a function of the position of one element relative to the other <xref ref-type="bibr" rid="scirp.136573-11">
      [11]
     </xref> <xref ref-type="bibr" rid="scirp.136573-12">
      [12]
     </xref>. This has been demonstrated in a vertical half-wavelength dipole above a ground plane, and in a horizontal half-wavelength dipole above a ground plane. From these two, the ground effects are more pronounced for the horizontal dipole.</p>
    <p>The general expression of the induced electro-motive force developed by Carter has been the most widely used procedure for determining mutual coupling impedance between linear array elements of equal length h and a spacing distance d between two adjacent elements, which is expressed below <xref ref-type="bibr" rid="scirp.136573-11">
      [11]
     </xref>-<xref ref-type="bibr" rid="scirp.136573-14">
      [14]
     </xref>.</p>
    <p>
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mtable> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <msub> 
          <mi>
            R 
          </mi> 
          <mrow> 
           <mn>
             21 
           </mn> 
          </mrow> 
         </msub> 
         <mo>
           = 
         </mo> 
         <mfrac> 
          <mi>
            η 
          </mi> 
          <mrow> 
           <mn>
             4 
           </mn> 
           <mi>
             π 
           </mi> 
          </mrow> 
         </mfrac> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mi>
             sin 
           </mi> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mi>
               k 
             </mi> 
             <mi>
               h 
             </mi> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
           <mi>
             cos 
           </mi> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mi>
               k 
             </mi> 
             <mi>
               h 
             </mi> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
           <mrow> 
            <mo>
              [ 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                S 
              </mi> 
              <mi>
                i 
              </mi> 
             </msub> 
             <mrow> 
              <mo>
                ( 
              </mo> 
              <mrow> 
               <msub> 
                <mi>
                  u 
                </mi> 
                <mn>
                  2 
                </mn> 
               </msub> 
              </mrow> 
              <mo>
                ) 
              </mo> 
             </mrow> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
             <msub> 
              <mi>
                S 
              </mi> 
              <mi>
                i 
              </mi> 
             </msub> 
             <mrow> 
              <mo>
                ( 
              </mo> 
              <mrow> 
               <msub> 
                <mi>
                  v 
                </mi> 
                <mn>
                  1 
                </mn> 
               </msub> 
              </mrow> 
              <mo>
                ) 
              </mo> 
             </mrow> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <msub> 
              <mi>
                S 
              </mi> 
              <mi>
                i 
              </mi> 
             </msub> 
             <mrow> 
              <mo>
                ( 
              </mo> 
              <mrow> 
               <msub> 
                <mi>
                  v 
                </mi> 
                <mn>
                  2 
                </mn> 
               </msub> 
              </mrow> 
              <mo>
                ) 
              </mo> 
             </mrow> 
             <mo>
               + 
             </mo> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
             <msub> 
              <mi>
                S 
              </mi> 
              <mi>
                i 
              </mi> 
             </msub> 
             <mrow> 
              <mo>
                ( 
              </mo> 
              <mrow> 
               <msub> 
                <mi>
                  u 
                </mi> 
                <mn>
                  1 
                </mn> 
               </msub> 
              </mrow> 
              <mo>
                ) 
              </mo> 
             </mrow> 
            </mrow> 
            <mo>
              ] 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mtd> 
       </mtr> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mfrac> 
          <mrow> 
           <mi>
             cos 
           </mi> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
             <mi>
               k 
             </mi> 
             <mi>
               h 
             </mi> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mrow> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </mfrac> 
         <mrow> 
          <mo>
            [ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
           <msub> 
            <mi>
              C 
            </mi> 
            <mi>
              i 
            </mi> 
           </msub> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                u 
              </mi> 
              <mn>
                1 
              </mn> 
             </msub> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
           <msub> 
            <mi>
              C 
            </mi> 
            <mi>
              i 
            </mi> 
           </msub> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                u 
              </mi> 
              <mn>
                0 
              </mn> 
             </msub> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
           <mo>
             + 
           </mo> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
           <msub> 
            <mi>
              C 
            </mi> 
            <mi>
              i 
            </mi> 
           </msub> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                v 
              </mi> 
              <mn>
                1 
              </mn> 
             </msub> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <msub> 
            <mi>
              C 
            </mi> 
            <mi>
              i 
            </mi> 
           </msub> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                u 
              </mi> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msub> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <msub> 
            <mi>
              C 
            </mi> 
            <mi>
              i 
            </mi> 
           </msub> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                v 
              </mi> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msub> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mrow> 
          <mo>
            ] 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mtd> 
       </mtr> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mrow> 
           <mrow> 
            <mo>
              [ 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                C 
              </mi> 
              <mi>
                i 
              </mi> 
             </msub> 
             <mrow> 
              <mo>
                ( 
              </mo> 
              <mrow> 
               <msub> 
                <mi>
                  u 
                </mi> 
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                  1 
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               </msub> 
              </mrow> 
              <mo>
                ) 
              </mo> 
             </mrow> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
             <msub> 
              <mi>
                C 
              </mi> 
              <mi>
                i 
              </mi> 
             </msub> 
             <mrow> 
              <mo>
                ( 
              </mo> 
              <mrow> 
               <msub> 
                <mi>
                  u 
                </mi> 
                <mn>
                  0 
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              </mrow> 
              <mo>
                ) 
              </mo> 
             </mrow> 
             <mo>
               + 
             </mo> 
             <msub> 
              <mi>
                C 
              </mi> 
              <mi>
                i 
              </mi> 
             </msub> 
             <mrow> 
              <mo>
                ( 
              </mo> 
              <mrow> 
               <msub> 
                <mi>
                  v 
                </mi> 
                <mn>
                  1 
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               </msub> 
              </mrow> 
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                ) 
              </mo> 
             </mrow> 
            </mrow> 
            <mo>
              ] 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mtd> 
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      </mtable> 
     </math> (14)</p>
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          <mi>
            X 
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          <mrow> 
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             21 
           </mn> 
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         <mo>
           = 
         </mo> 
         <mfrac> 
          <mrow> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
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             π 
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          </mrow> 
         </mfrac> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mi>
             sin 
           </mi> 
           <mrow> 
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              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
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               k 
             </mi> 
             <mi>
               h 
             </mi> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
           <mi>
             cos 
           </mi> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mi>
               k 
             </mi> 
             <mi>
               h 
             </mi> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
           <mrow> 
            <mo>
              [ 
            </mo> 
            <mrow> 
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               2 
             </mn> 
             <msub> 
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                C 
              </mi> 
              <mi>
                i 
              </mi> 
             </msub> 
             <mrow> 
              <mo>
                ( 
              </mo> 
              <mrow> 
               <msub> 
                <mi>
                  v 
                </mi> 
                <mn>
                  1 
                </mn> 
               </msub> 
              </mrow> 
              <mo>
                ) 
              </mo> 
             </mrow> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <mn>
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             <msub> 
              <mi>
                C 
              </mi> 
              <mi>
                i 
              </mi> 
             </msub> 
             <mrow> 
              <mo>
                ( 
              </mo> 
              <mrow> 
               <msub> 
                <mi>
                  u 
                </mi> 
                <mn>
                  1 
                </mn> 
               </msub> 
              </mrow> 
              <mo>
                ) 
              </mo> 
             </mrow> 
             <mo>
               + 
             </mo> 
             <msub> 
              <mi>
                C 
              </mi> 
              <mi>
                i 
              </mi> 
             </msub> 
             <mrow> 
              <mo>
                ( 
              </mo> 
              <mrow> 
               <msub> 
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                  v 
                </mi> 
                <mn>
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                </mn> 
               </msub> 
              </mrow> 
              <mo>
                ) 
              </mo> 
             </mrow> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <msub> 
              <mi>
                C 
              </mi> 
              <mi>
                i 
              </mi> 
             </msub> 
             <mrow> 
              <mo>
                ( 
              </mo> 
              <mrow> 
               <msub> 
                <mi>
                  u 
                </mi> 
                <mn>
                  2 
                </mn> 
               </msub> 
              </mrow> 
              <mo>
                ) 
              </mo> 
             </mrow> 
            </mrow> 
            <mo>
              ] 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </mrow> 
        </mtd> 
       </mtr> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mfrac> 
          <mrow> 
           <mi>
             cos 
           </mi> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
             <mi>
               k 
             </mi> 
             <mi>
               h 
             </mi> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mrow> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </mfrac> 
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            [ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
           <msub> 
            <mi>
              S 
            </mi> 
            <mi>
              i 
            </mi> 
           </msub> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                u 
              </mi> 
              <mn>
                1 
              </mn> 
             </msub> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
           <msub> 
            <mi>
              S 
            </mi> 
            <mi>
              i 
            </mi> 
           </msub> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
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              <mi>
                u 
              </mi> 
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            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
           <mo>
             + 
           </mo> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
           <msub> 
            <mi>
              S 
            </mi> 
            <mi>
              i 
            </mi> 
           </msub> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                v 
              </mi> 
              <mn>
                1 
              </mn> 
             </msub> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <msub> 
            <mi>
              S 
            </mi> 
            <mi>
              i 
            </mi> 
           </msub> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                u 
              </mi> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msub> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <msub> 
            <mi>
              S 
            </mi> 
            <mi>
              i 
            </mi> 
           </msub> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                v 
              </mi> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msub> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mrow> 
          <mo>
            ] 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mtd> 
       </mtr> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mrow> 
           <mrow> 
            <mo>
              [ 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                S 
              </mi> 
              <mi>
                i 
              </mi> 
             </msub> 
             <mrow> 
              <mo>
                ( 
              </mo> 
              <mrow> 
               <msub> 
                <mi>
                  u 
                </mi> 
                <mn>
                  1 
                </mn> 
               </msub> 
              </mrow> 
              <mo>
                ) 
              </mo> 
             </mrow> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
             <msub> 
              <mi>
                S 
              </mi> 
              <mi>
                i 
              </mi> 
             </msub> 
             <mrow> 
              <mo>
                ( 
              </mo> 
              <mrow> 
               <msub> 
                <mi>
                  u 
                </mi> 
                <mn>
                  0 
                </mn> 
               </msub> 
              </mrow> 
              <mo>
                ) 
              </mo> 
             </mrow> 
             <mo>
               + 
             </mo> 
             <msub> 
              <mi>
                S 
              </mi> 
              <mi>
                i 
              </mi> 
             </msub> 
             <mrow> 
              <mo>
                ( 
              </mo> 
              <mrow> 
               <msub> 
                <mi>
                  v 
                </mi> 
                <mn>
                  1 
                </mn> 
               </msub> 
              </mrow> 
              <mo>
                ) 
              </mo> 
             </mrow> 
            </mrow> 
            <mo>
              ] 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mtd> 
       </mtr> 
      </mtable> 
     </math> (15)</p>
    <p>where 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          R 
        </mi> 
        <mrow> 
         <mn>
           21 
         </mn> 
        </mrow> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math> is the real part of the mutual impedance (resistance) between two elements, 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          X 
        </mi> 
        <mrow> 
         <mn>
           21 
         </mn> 
        </mrow> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math> is the imaginary part of the mutual impedance (reactance), 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          C 
        </mi> 
        <mi>
          i 
        </mi> 
       </msub> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math> is the Cosine integral, and 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          S 
        </mi> 
        <mi>
          i 
        </mi> 
       </msub> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math> is the Sine integrals, which both are given by <xref ref-type="bibr" rid="scirp.136573-11">
      [11]
     </xref>-<xref ref-type="bibr" rid="scirp.136573-14">
      [14]
     </xref>.</p>
    <p>
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          S 
        </mi> 
        <mi>
          i 
        </mi> 
       </msub> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mstyle displaystyle="true"> 
        <mrow> 
         <msubsup> 
          <mo>
            ∫ 
          </mo> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
         </msubsup> 
         <mrow> 
          <mfrac> 
           <mrow> 
            <mi>
              sin 
            </mi> 
            <mrow> 
             <mo>
               ( 
             </mo> 
             <mi>
               y 
             </mi> 
             <mo>
               ) 
             </mo> 
            </mrow> 
           </mrow> 
           <mi>
             y 
           </mi> 
          </mfrac> 
          <mtext>
            d 
          </mtext> 
          <mi>
            y 
          </mi> 
         </mrow> 
        </mrow> 
       </mstyle> 
      </mrow> 
     </math> (16)</p>
    <p>
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          C 
        </mi> 
        <mi>
          i 
        </mi> 
       </msub> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mo>
         − 
       </mo> 
       <mstyle displaystyle="true"> 
        <mrow> 
         <msubsup> 
          <mo>
            ∫ 
          </mo> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
          <mi>
            ∞ 
          </mi> 
         </msubsup> 
         <mrow> 
          <mfrac> 
           <mrow> 
            <mi>
              cos 
            </mi> 
            <mrow> 
             <mo>
               ( 
             </mo> 
             <mi>
               y 
             </mi> 
             <mo>
               ) 
             </mo> 
            </mrow> 
           </mrow> 
           <mi>
             y 
           </mi> 
          </mfrac> 
          <mtext>
            d 
          </mtext> 
          <mi>
            y 
          </mi> 
         </mrow> 
        </mrow> 
       </mstyle> 
      </mrow> 
     </math> (17)</p>
    <p>
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          C 
        </mi> 
        <mrow> 
         <mi>
           i 
         </mi> 
         <mi>
           n 
         </mi> 
        </mrow> 
       </msub> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         0.5772 
       </mn> 
       <mo>
         + 
       </mo> 
       <mi>
         ln 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         − 
       </mo> 
       <msub> 
        <mi>
          C 
        </mi> 
        <mi>
          i 
        </mi> 
       </msub> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math> (18)</p>
    <p>
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          C 
        </mi> 
        <mrow> 
         <mi>
           i 
         </mi> 
         <mi>
           n 
         </mi> 
        </mrow> 
       </msub> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mstyle displaystyle="true"> 
        <mrow> 
         <msubsup> 
          <mo>
            ∫ 
          </mo> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
         </msubsup> 
         <mrow> 
          <mfrac> 
           <mrow> 
            <mn>
              1 
            </mn> 
            <mo>
              − 
            </mo> 
            <mi>
              cos 
            </mi> 
            <mrow> 
             <mo>
               ( 
             </mo> 
             <mi>
               y 
             </mi> 
             <mo>
               ) 
             </mo> 
            </mrow> 
           </mrow> 
           <mi>
             y 
           </mi> 
          </mfrac> 
          <mtext>
            d 
          </mtext> 
          <mi>
            y 
          </mi> 
         </mrow> 
        </mrow> 
       </mstyle> 
      </mrow> 
     </math> (19)</p>
    <p>
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mstyle displaystyle="true"> 
        <mrow> 
         <msubsup> 
          <mo>
            ∫ 
          </mo> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
         </msubsup> 
         <mrow> 
          <mfrac> 
           <mrow> 
            <mi>
              sin 
            </mi> 
            <mrow> 
             <mo>
               ( 
             </mo> 
             <mi>
               y 
             </mi> 
             <mo>
               ) 
             </mo> 
            </mrow> 
           </mrow> 
           <mi>
             y 
           </mi> 
          </mfrac> 
          <mtext>
            d 
          </mtext> 
          <mi>
            y 
          </mi> 
         </mrow> 
        </mrow> 
       </mstyle> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mi>
         x 
       </mi> 
       <mo>
         − 
       </mo> 
       <mfrac> 
        <mrow> 
         <msup> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
          <mn>
            3 
          </mn> 
         </msup> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <mn>
           3 
         </mn> 
         <mo>
           × 
         </mo> 
         <mn>
           3 
         </mn> 
         <mo>
           ! 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mfrac> 
       <mo>
         + 
       </mo> 
       <mfrac> 
        <mrow> 
         <msup> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
          <mn>
            5 
          </mn> 
         </msup> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <mn>
           5 
         </mn> 
         <mo>
           × 
         </mo> 
         <mn>
           5 
         </mn> 
         <mo>
           ! 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mfrac> 
       <mo>
         − 
       </mo> 
       <mfrac> 
        <mrow> 
         <msup> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
          <mn>
            7 
          </mn> 
         </msup> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <mn>
           7 
         </mn> 
         <mo>
           × 
         </mo> 
         <mn>
           7 
         </mn> 
         <mo>
           ! 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mfrac> 
       <mo>
         + 
       </mo> 
       <mo>
         ⋯ 
       </mo> 
      </mrow> 
     </math> (20)</p>
    <p>
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          C 
        </mi> 
        <mrow> 
         <mi>
           i 
         </mi> 
         <mi>
           n 
         </mi> 
        </mrow> 
       </msub> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mfrac> 
        <mrow> 
         <msup> 
          <mi>
            X 
          </mi> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </msup> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
         <mo>
           × 
         </mo> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
         <mi>
           i 
         </mi> 
        </mrow> 
       </mfrac> 
       <mo>
         − 
       </mo> 
       <mfrac> 
        <mrow> 
         <msup> 
          <mi>
            X 
          </mi> 
          <mn>
            4 
          </mn> 
         </msup> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <mn>
           4 
         </mn> 
         <mo>
           × 
         </mo> 
         <mn>
           4 
         </mn> 
         <mi>
           i 
         </mi> 
        </mrow> 
       </mfrac> 
       <mo>
         + 
       </mo> 
       <mfrac> 
        <mrow> 
         <msup> 
          <mi>
            X 
          </mi> 
          <mn>
            6 
          </mn> 
         </msup> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <mn>
           6 
         </mn> 
         <mo>
           × 
         </mo> 
         <mn>
           6 
         </mn> 
         <mi>
           i 
         </mi> 
        </mrow> 
       </mfrac> 
       <mo>
         − 
       </mo> 
       <mfrac> 
        <mrow> 
         <msup> 
          <mi>
            X 
          </mi> 
          <mn>
            8 
          </mn> 
         </msup> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <mn>
           8 
         </mn> 
         <mo>
           × 
         </mo> 
         <mn>
           8 
         </mn> 
         <mi>
           i 
         </mi> 
        </mrow> 
       </mfrac> 
       <mo>
         + 
       </mo> 
       <mo>
         ⋯ 
       </mo> 
      </mrow> 
     </math> (21)</p>
    <p>Other parameters of mutual coupling impedance are noted below.</p>
    <p>
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          u 
        </mi> 
        <mn>
          0 
        </mn> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mi>
         k 
       </mi> 
       <mi>
         d 
       </mi> 
      </mrow> 
     </math> (22)</p>
    <p>
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          u 
        </mi> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mi>
         k 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <msqrt> 
          <mrow> 
           <msup> 
            <mi>
              d 
            </mi> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msup> 
           <mo>
             + 
           </mo> 
           <msup> 
            <mi>
              h 
            </mi> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msup> 
          </mrow> 
         </msqrt> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mi>
           h 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math> (23)</p>
    <p>
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          u 
        </mi> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mi>
         k 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <msqrt> 
          <mrow> 
           <msup> 
            <mi>
              d 
            </mi> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msup> 
           <mo>
             + 
           </mo> 
           <msup> 
            <mrow> 
             <mrow> 
              <mo>
                ( 
              </mo> 
              <mrow> 
               <mn>
                 2 
               </mn> 
               <mi>
                 h 
               </mi> 
              </mrow> 
              <mo>
                ) 
              </mo> 
             </mrow> 
            </mrow> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msup> 
          </mrow> 
         </msqrt> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
         <mi>
           h 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math> (24)</p>
    <p>
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          v 
        </mi> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mi>
         k 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <msqrt> 
          <mrow> 
           <msup> 
            <mi>
              d 
            </mi> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msup> 
           <mo>
             + 
           </mo> 
           <msup> 
            <mi>
              h 
            </mi> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msup> 
          </mrow> 
         </msqrt> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <mi>
           h 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math> (25)</p>
    <p>
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          v 
        </mi> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mi>
         k 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <msqrt> 
          <mrow> 
           <msup> 
            <mi>
              d 
            </mi> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msup> 
           <mo>
             + 
           </mo> 
           <msup> 
            <mrow> 
             <mrow> 
              <mo>
                ( 
              </mo> 
              <mrow> 
               <mn>
                 2 
               </mn> 
               <mi>
                 h 
               </mi> 
              </mrow> 
              <mo>
                ) 
              </mo> 
             </mrow> 
            </mrow> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msup> 
          </mrow> 
         </msqrt> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
         <mi>
           h 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math> (26)</p>
    <p>
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         k 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mi>
         ω 
       </mi> 
       <msqrt> 
        <mrow> 
         <mi>
           μ 
         </mi> 
         <mi>
           ε 
         </mi> 
        </mrow> 
       </msqrt> 
      </mrow> 
     </math> (27)</p>
    <p>
     <xref ref-type="bibr" rid="scirp.136573-"></xref>where η is the intrinsic impedance, which is equal to 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         η 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         120 
       </mn> 
       <mi>
         π 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         377 
       </mn> 
       <mtext>
           
       </mtext> 
       <mi>
         Ω 
       </mi> 
      </mrow> 
     </math>, h is the equivalent dipole dimension or dipole length, which is equal to 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         h 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         0.5 
       </mn> 
       <mi>
         λ 
       </mi> 
      </mrow> 
     </math>, d is the antenna spacing distance, ω is the radian frequency equal to 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         ω 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
       <mi>
         π 
       </mi> 
       <mi>
         f 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
         <mi>
           π 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mn>
             3 
           </mn> 
           <mo>
             × 
           </mo> 
           <msup> 
            <mrow> 
             <mn>
               10 
             </mn> 
            </mrow> 
            <mn>
              8 
            </mn> 
           </msup> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mo>
          / 
        </mo> 
        <mi>
          λ 
        </mi> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math>, μ is the permeability of the medium which is equal to 4π × 10<sup>−</sup><sup>7</sup> H/m of vacuum medium, ε is the permittivity of the medium, which is equal to 8.854 × 10<sup>−12</sup> F∙m<sup>−1</sup> of vacuum medium, f and λ Are frequency and wavelength of the carrier signal respectively. In the case of vacuum medium or air medium, the parameter of k in Equation (27) is equal to 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         k 
       </mi> 
       <mo>
         ≈ 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
         <mi>
           π 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mo>
          / 
        </mo> 
        <mi>
          λ 
        </mi> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math> <xref ref-type="bibr" rid="scirp.136573-11">
      [11]
     </xref>-<xref ref-type="bibr" rid="scirp.136573-14">
      [14]
     </xref>.</p>
    <p>The mutual impedance matrix 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           Z 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mi>
          M 
        </mi> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math> can be constructed by n × n sub-matrices that is 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           Z 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mi>
          M 
        </mi> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <msub> 
        <mrow> 
         <mrow> 
          <mo>
            [ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
             <mi>
               Z 
             </mi> 
            </mstyle> 
            <mrow> 
             <mi>
               s 
             </mi> 
             <mi>
               t 
             </mi> 
            </mrow> 
           </msub> 
          </mrow> 
          <mo>
            ] 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <mi>
           n 
         </mi> 
         <mo>
           × 
         </mo> 
         <mi>
           n 
         </mi> 
        </mrow> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math>, where 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           Z 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mrow> 
         <mi>
           s 
         </mi> 
         <mi>
           t 
         </mi> 
        </mrow> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math>, as an m × m mutual impedance sub-matrix, denotes the mutual impedance between m antennas located at sth ( 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         s 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
       <mo>
         , 
       </mo> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
       <mo>
         , 
       </mo> 
       <mo>
         ⋯ 
       </mo> 
       <mo>
         , 
       </mo> 
       <mi>
         n 
       </mi> 
      </mrow> 
     </math>) row and the m antennas located at tth ( 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         t 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
       <mo>
         , 
       </mo> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
       <mo>
         , 
       </mo> 
       <mo>
         ⋯ 
       </mo> 
       <mo>
         , 
       </mo> 
       <mi>
         n 
       </mi> 
      </mrow> 
     </math>) column in the rectangular antenna array <xref ref-type="bibr" rid="scirp.136573-6">
      [6]
     </xref>. For ease of exposition, the definition of 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         A 
       </mi> 
       <mi>
         n 
       </mi> 
       <msub> 
        <mi>
          t 
        </mi> 
        <mrow> 
         <mi>
           s 
         </mi> 
         <mi>
           u 
         </mi> 
        </mrow> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math> as the antenna located at the sth row, and uth column ( 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         s 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
       <mo>
         , 
       </mo> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
       <mo>
         , 
       </mo> 
       <mo>
         ⋯ 
       </mo> 
       <mo>
         , 
       </mo> 
       <mi>
         m 
       </mi> 
      </mrow> 
     </math>; 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         u 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
       <mo>
         , 
       </mo> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
       <mo>
         , 
       </mo> 
       <mo>
         ⋯ 
       </mo> 
       <mo>
         , 
       </mo> 
       <mi>
         m 
       </mi> 
      </mrow> 
     </math>) of the rectangular antenna array. And the definition of 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         A 
       </mi> 
       <mi>
         n 
       </mi> 
       <msub> 
        <mi>
          t 
        </mi> 
        <mrow> 
         <mi>
           t 
         </mi> 
         <mi>
           v 
         </mi> 
        </mrow> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math> as the antenna located at tth row, and vth column ( 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         t 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
       <mo>
         , 
       </mo> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
       <mo>
         , 
       </mo> 
       <mo>
         ⋯ 
       </mo> 
       <mo>
         , 
       </mo> 
       <mi>
         m 
       </mi> 
      </mrow> 
     </math>; 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         v 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
       <mo>
         , 
       </mo> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
       <mo>
         , 
       </mo> 
       <mo>
         ⋯ 
       </mo> 
       <mo>
         , 
       </mo> 
       <mi>
         m 
       </mi> 
      </mrow> 
     </math>) of the rectangular antenna array, the corresponding distance between which is given by Equation (28) as follows <xref ref-type="bibr" rid="scirp.136573-6">
      [6]
     </xref>.</p>
    <p>
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msubsup> 
        <mi>
          d 
        </mi> 
        <mrow> 
         <mi>
           u 
         </mi> 
         <mi>
           v 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <mi>
           s 
         </mi> 
         <mi>
           t 
         </mi> 
        </mrow> 
       </msubsup> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mi>
         d 
       </mi> 
       <mo> 
       </mo> 
       <msqrt> 
        <mrow> 
         <msup> 
          <mrow> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mi>
               t 
             </mi> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <mi>
               s 
             </mi> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mrow> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </msup> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <msup> 
          <mrow> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mi>
               v 
             </mi> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <mi>
               u 
             </mi> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mrow> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </msup> 
        </mrow> 
       </msqrt> 
      </mrow> 
     </math> (28)</p>
    <p>Thus, sub-matrices 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           Z 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mrow> 
         <mi>
           s 
         </mi> 
         <mi>
           t 
         </mi> 
        </mrow> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math>, can be written as follows.</p>
    <p>
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           Z 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mrow> 
         <mi>
           s 
         </mi> 
         <mi>
           t 
         </mi> 
        </mrow> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mo>
          [ 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mtable> 
          <mtr> 
           <mtd> 
            <mrow> 
             <msubsup> 
              <mi>
                z 
              </mi> 
              <mrow> 
               <mn>
                 11 
               </mn> 
              </mrow> 
              <mrow> 
               <mi>
                 s 
               </mi> 
               <mi>
                 t 
               </mi> 
              </mrow> 
             </msubsup> 
            </mrow> 
           </mtd> 
           <mtd> 
            <mrow> 
             <msubsup> 
              <mi>
                z 
              </mi> 
              <mrow> 
               <mn>
                 12 
               </mn> 
              </mrow> 
              <mrow> 
               <mi>
                 s 
               </mi> 
               <mi>
                 t 
               </mi> 
              </mrow> 
             </msubsup> 
            </mrow> 
           </mtd> 
           <mtd> 
            <mrow> 
             <msubsup> 
              <mi>
                z 
              </mi> 
              <mrow> 
               <mn>
                 13 
               </mn> 
              </mrow> 
              <mrow> 
               <mi>
                 s 
               </mi> 
               <mi>
                 t 
               </mi> 
              </mrow> 
             </msubsup> 
            </mrow> 
           </mtd> 
           <mtd> 
            <mo>
              ⋯ 
            </mo> 
           </mtd> 
           <mtd> 
            <mrow> 
             <msubsup> 
              <mi>
                z 
              </mi> 
              <mrow> 
               <mn>
                 1 
               </mn> 
               <mi>
                 m 
               </mi> 
              </mrow> 
              <mrow> 
               <mi>
                 s 
               </mi> 
               <mi>
                 t 
               </mi> 
              </mrow> 
             </msubsup> 
            </mrow> 
           </mtd> 
          </mtr> 
          <mtr> 
           <mtd> 
            <mrow> 
             <msubsup> 
              <mi>
                z 
              </mi> 
              <mrow> 
               <mn>
                 21 
               </mn> 
              </mrow> 
              <mrow> 
               <mi>
                 s 
               </mi> 
               <mi>
                 t 
               </mi> 
              </mrow> 
             </msubsup> 
            </mrow> 
           </mtd> 
           <mtd> 
            <mrow> 
             <msubsup> 
              <mi>
                z 
              </mi> 
              <mrow> 
               <mn>
                 22 
               </mn> 
              </mrow> 
              <mrow> 
               <mi>
                 s 
               </mi> 
               <mi>
                 t 
               </mi> 
              </mrow> 
             </msubsup> 
            </mrow> 
           </mtd> 
           <mtd> 
            <mrow> 
             <msubsup> 
              <mi>
                z 
              </mi> 
              <mrow> 
               <mn>
                 23 
               </mn> 
              </mrow> 
              <mrow> 
               <mi>
                 s 
               </mi> 
               <mi>
                 t 
               </mi> 
              </mrow> 
             </msubsup> 
            </mrow> 
           </mtd> 
           <mtd> 
            <mo>
              ⋯ 
            </mo> 
           </mtd> 
           <mtd> 
            <mrow> 
             <msubsup> 
              <mi>
                z 
              </mi> 
              <mrow> 
               <mn>
                 2 
               </mn> 
               <mi>
                 m 
               </mi> 
              </mrow> 
              <mrow> 
               <mi>
                 s 
               </mi> 
               <mi>
                 t 
               </mi> 
              </mrow> 
             </msubsup> 
            </mrow> 
           </mtd> 
          </mtr> 
          <mtr> 
           <mtd> 
            <mo>
              ⋮ 
            </mo> 
           </mtd> 
           <mtd> 
            <mo>
              ⋮ 
            </mo> 
           </mtd> 
           <mtd> 
            <mo>
              ⋮ 
            </mo> 
           </mtd> 
           <mtd> 
            <mo>
              ⋱ 
            </mo> 
           </mtd> 
           <mtd> 
            <mo>
              ⋮ 
            </mo> 
           </mtd> 
          </mtr> 
          <mtr> 
           <mtd> 
            <mrow> 
             <msubsup> 
              <mi>
                z 
              </mi> 
              <mrow> 
               <mi>
                 m 
               </mi> 
               <mn>
                 1 
               </mn> 
              </mrow> 
              <mrow> 
               <mi>
                 s 
               </mi> 
               <mi>
                 t 
               </mi> 
              </mrow> 
             </msubsup> 
            </mrow> 
           </mtd> 
           <mtd> 
            <mrow> 
             <msubsup> 
              <mi>
                z 
              </mi> 
              <mrow> 
               <mi>
                 m 
               </mi> 
               <mn>
                 2 
               </mn> 
              </mrow> 
              <mrow> 
               <mi>
                 s 
               </mi> 
               <mi>
                 t 
               </mi> 
              </mrow> 
             </msubsup> 
            </mrow> 
           </mtd> 
           <mtd> 
            <mrow> 
             <msubsup> 
              <mi>
                z 
              </mi> 
              <mrow> 
               <mi>
                 m 
               </mi> 
               <mn>
                 3 
               </mn> 
              </mrow> 
              <mrow> 
               <mi>
                 s 
               </mi> 
               <mi>
                 t 
               </mi> 
              </mrow> 
             </msubsup> 
            </mrow> 
           </mtd> 
           <mtd> 
            <mo>
              ⋯ 
            </mo> 
           </mtd> 
           <mtd> 
            <mrow> 
             <msubsup> 
              <mi>
                z 
              </mi> 
              <mrow> 
               <mi>
                 m 
               </mi> 
               <mi>
                 m 
               </mi> 
              </mrow> 
              <mrow> 
               <mi>
                 s 
               </mi> 
               <mi>
                 t 
               </mi> 
              </mrow> 
             </msubsup> 
            </mrow> 
           </mtd> 
          </mtr> 
         </mtable> 
        </mrow> 
        <mo>
          ] 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math> (29)</p>
    <p>Then the mutual coupling impedance 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msubsup> 
        <mi>
          z 
        </mi> 
        <mrow> 
         <mi>
           u 
         </mi> 
         <mi>
           v 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <mi>
           s 
         </mi> 
         <mi>
           t 
         </mi> 
        </mrow> 
       </msubsup> 
      </mrow> 
     </math> between two elements, which are separated by distance of 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msubsup> 
        <mi>
          d 
        </mi> 
        <mrow> 
         <mi>
           u 
         </mi> 
         <mi>
           v 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <mi>
           s 
         </mi> 
         <mi>
           t 
         </mi> 
        </mrow> 
       </msubsup> 
      </mrow> 
     </math> can be obtained by using Equation (14) through up to Equation (29). The mutual coupling matrix 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mtext>
          Z 
        </mtext> 
        <mtext>
          M 
        </mtext> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math> can be derived by sub-matrix of 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           Z 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mrow> 
         <mi>
           s 
         </mi> 
         <mi>
           t 
         </mi> 
        </mrow> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math> construction as follows.</p>
    <p>
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          Z 
        </mi> 
        <mi>
          M 
        </mi> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mo>
          [ 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mtable> 
          <mtr> 
           <mtd> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
               <mi>
                 Z 
               </mi> 
              </mstyle> 
              <mrow> 
               <mn>
                 11 
               </mn> 
              </mrow> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </mtd> 
           <mtd> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
               <mi>
                 Z 
               </mi> 
              </mstyle> 
              <mrow> 
               <mn>
                 12 
               </mn> 
              </mrow> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </mtd> 
           <mtd> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
               <mi>
                 Z 
               </mi> 
              </mstyle> 
              <mrow> 
               <mn>
                 13 
               </mn> 
              </mrow> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </mtd> 
           <mtd> 
            <mo>
              ⋯ 
            </mo> 
           </mtd> 
           <mtd> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
               <mi>
                 Z 
               </mi> 
              </mstyle> 
              <mrow> 
               <mn>
                 1 
               </mn> 
               <mi>
                 n 
               </mi> 
              </mrow> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </mtd> 
          </mtr> 
          <mtr> 
           <mtd> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
               <mi>
                 Z 
               </mi> 
              </mstyle> 
              <mrow> 
               <mn>
                 21 
               </mn> 
              </mrow> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </mtd> 
           <mtd> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
               <mi>
                 Z 
               </mi> 
              </mstyle> 
              <mrow> 
               <mn>
                 22 
               </mn> 
              </mrow> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </mtd> 
           <mtd> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
               <mi>
                 Z 
               </mi> 
              </mstyle> 
              <mrow> 
               <mn>
                 23 
               </mn> 
              </mrow> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </mtd> 
           <mtd> 
            <mo>
              ⋯ 
            </mo> 
           </mtd> 
           <mtd> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
               <mi>
                 Z 
               </mi> 
              </mstyle> 
              <mrow> 
               <mn>
                 2 
               </mn> 
               <mi>
                 n 
               </mi> 
              </mrow> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </mtd> 
          </mtr> 
          <mtr> 
           <mtd> 
            <mo>
              ⋮ 
            </mo> 
           </mtd> 
           <mtd> 
            <mo>
              ⋮ 
            </mo> 
           </mtd> 
           <mtd> 
            <mo>
              ⋮ 
            </mo> 
           </mtd> 
           <mtd> 
            <mo>
              ⋱ 
            </mo> 
           </mtd> 
           <mtd> 
            <mo>
              ⋮ 
            </mo> 
           </mtd> 
          </mtr> 
          <mtr> 
           <mtd> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
               <mi>
                 Z 
               </mi> 
              </mstyle> 
              <mrow> 
               <mi>
                 n 
               </mi> 
               <mn>
                 1 
               </mn> 
              </mrow> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </mtd> 
           <mtd> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
               <mi>
                 Z 
               </mi> 
              </mstyle> 
              <mrow> 
               <mi>
                 n 
               </mi> 
               <mn>
                 2 
               </mn> 
              </mrow> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </mtd> 
           <mtd> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
               <mi>
                 Z 
               </mi> 
              </mstyle> 
              <mrow> 
               <mi>
                 n 
               </mi> 
               <mn>
                 3 
               </mn> 
              </mrow> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </mtd> 
           <mtd> 
            <mo>
              ⋯ 
            </mo> 
           </mtd> 
           <mtd> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
               <mi>
                 Z 
               </mi> 
              </mstyle> 
              <mrow> 
               <mi>
                 n 
               </mi> 
               <mi>
                 n 
               </mi> 
              </mrow> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </mtd> 
          </mtr> 
         </mtable> 
        </mrow> 
        <mo>
          ] 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math> (30)</p>
    <p>There are some properties, which are mentioned in <xref ref-type="bibr" rid="scirp.136573-6">
      [6]
     </xref>. The advantage of properties is that the computational complexity can be significantly reduced compared with direct calculation of the M×M entries of 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          Z 
        </mi> 
        <mi>
          M 
        </mi> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math>, especially with a large M. mutual coupling matrix as mentioned in Equation (13) can be constructed, when mutual coupling impedance is known, and built as mentioned in Equation (14) to Equation (30).</p>
   </sec>
  </sec><sec id="s3">
   <title>3. The Equivalent Precoding Matrix.</title>
   <p>The equivalent precoding matrix 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          F 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mrow> 
        <mi>
          e 
        </mi> 
        <mi>
          q 
        </mi> 
       </mrow> 
      </msub> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <msub> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          F 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mrow> 
        <mi>
          B 
        </mi> 
        <mi>
          B 
        </mi> 
       </mrow> 
      </msub> 
      <mo>
        × 
      </mo> 
      <msub> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          F 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mrow> 
        <mi>
          R 
        </mi> 
        <mi>
          F 
        </mi> 
       </mrow> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math> consists of the baseband precoding matrix 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          F 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mrow> 
        <mi>
          B 
        </mi> 
        <mi>
          B 
        </mi> 
       </mrow> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math>, and the RF precoding matrix 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          F 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mrow> 
        <mi>
          R 
        </mi> 
        <mi>
          F 
        </mi> 
       </mrow> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math>. The optimal precoding matrix is derived by SVD method <xref ref-type="bibr" rid="scirp.136573-5">
     [5]
    </xref> <xref ref-type="bibr" rid="scirp.136573-6">
     [6]
    </xref>.</p>
   <p>
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          F 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mrow> 
        <mi>
          e 
        </mi> 
        <mi>
          q 
        </mi> 
       </mrow> 
      </msub> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <msub> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          U 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mi>
         F 
       </mi> 
      </msub> 
      <msub> 
       <mi>
         Σ 
       </mi> 
       <mi>
         F 
       </mi> 
      </msub> 
      <msubsup> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          V 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mi>
         F 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mi>
          T 
        </mi> 
        <mi>
          C 
        </mi> 
       </mrow> 
      </msubsup> 
     </mrow> 
    </math> (31)</p>
   <p>In which 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          U 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mi>
         F 
       </mi> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math>, and 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msubsup> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          V 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mi>
         F 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mi>
          T 
        </mi> 
        <mi>
          C 
        </mi> 
       </mrow> 
      </msubsup> 
     </mrow> 
    </math> are unitary matrices. When the SVD (singular value decomposition) method is performed by using MATLAB over the equivalent channel 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          H 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mrow> 
        <mi>
          e 
        </mi> 
        <mi>
          q 
        </mi> 
       </mrow> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math>, which is equal to multiplying small-scale fading matrix by steering matrix and by mutual coupling matrix. The 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msubsup> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          V 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mi>
         F 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mi>
          T 
        </mi> 
        <mi>
          C 
        </mi> 
       </mrow> 
      </msubsup> 
     </mrow> 
    </math> is noted as a conjugate transpose of 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          V 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mi>
         F 
       </mi> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math>.</p>
   <p>
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          H 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mrow> 
        <mi>
          e 
        </mi> 
        <mi>
          q 
        </mi> 
       </mrow> 
      </msub> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
       <mi>
         H 
       </mi> 
       <mi>
         A 
       </mi> 
       <mi>
         K 
       </mi> 
      </mstyle> 
     </mrow> 
    </math> (32)</p>
   <p>The equivalent channel matrix is derived by <xref ref-type="bibr" rid="scirp.136573-5">
     [5]
    </xref> <xref ref-type="bibr" rid="scirp.136573-6">
     [6]
    </xref>.</p>
   <p>
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          H 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mrow> 
        <mi>
          e 
        </mi> 
        <mi>
          q 
        </mi> 
       </mrow> 
      </msub> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <msub> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          U 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mi>
         H 
       </mi> 
      </msub> 
      <msub> 
       <mi>
         Σ 
       </mi> 
       <mi>
         H 
       </mi> 
      </msub> 
      <msubsup> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          V 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mi>
         H 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mi>
          T 
        </mi> 
        <mi>
          C 
        </mi> 
       </mrow> 
      </msubsup> 
     </mrow> 
    </math> (33)</p>
   <p>With</p>
   <p>
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         Σ 
       </mi> 
       <mi>
         H 
       </mi> 
      </msub> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mtable> 
         <mtr> 
          <mtd> 
           <mrow> 
            <msub> 
             <mi>
               Δ 
             </mi> 
             <mi>
               H 
             </mi> 
            </msub> 
           </mrow> 
          </mtd> 
          <mtd> 
           <mn>
             0 
           </mn> 
          </mtd> 
         </mtr> 
         <mtr> 
          <mtd> 
           <mn>
             0 
           </mn> 
          </mtd> 
          <mtd> 
           <mn>
             0 
           </mn> 
          </mtd> 
         </mtr> 
        </mtable> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math> (34)</p>
   <p>
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         Δ 
       </mi> 
       <mi>
         H 
       </mi> 
      </msub> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mrow> 
       <mo>
         [ 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mtable> 
         <mtr> 
          <mtd> 
           <mrow> 
            <msub> 
             <mi>
               γ 
             </mi> 
             <mn>
               1 
             </mn> 
            </msub> 
           </mrow> 
          </mtd> 
          <mtd> 
           <mn>
             0 
           </mn> 
          </mtd> 
          <mtd> 
           <mn>
             0 
           </mn> 
          </mtd> 
          <mtd> 
           <mo>
             ⋯ 
           </mo> 
          </mtd> 
          <mtd> 
           <mn>
             0 
           </mn> 
          </mtd> 
         </mtr> 
         <mtr> 
          <mtd> 
           <mn>
             0 
           </mn> 
          </mtd> 
          <mtd> 
           <mrow> 
            <msub> 
             <mi>
               γ 
             </mi> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
            </msub> 
           </mrow> 
          </mtd> 
          <mtd> 
           <mn>
             0 
           </mn> 
          </mtd> 
          <mtd> 
           <mo>
             ⋯ 
           </mo> 
          </mtd> 
          <mtd> 
           <mn>
             0 
           </mn> 
          </mtd> 
         </mtr> 
         <mtr> 
          <mtd> 
           <mn>
             0 
           </mn> 
          </mtd> 
          <mtd> 
           <mn>
             0 
           </mn> 
          </mtd> 
          <mtd> 
           <mrow> 
            <msub> 
             <mi>
               γ 
             </mi> 
             <mn>
               3 
             </mn> 
            </msub> 
           </mrow> 
          </mtd> 
          <mtd> 
           <mo>
             ⋯ 
           </mo> 
          </mtd> 
          <mtd> 
           <mn>
             0 
           </mn> 
          </mtd> 
         </mtr> 
         <mtr> 
          <mtd> 
           <mo>
             ⋮ 
           </mo> 
          </mtd> 
          <mtd> 
           <mo>
             ⋮ 
           </mo> 
          </mtd> 
          <mtd> 
           <mo>
             ⋮ 
           </mo> 
          </mtd> 
          <mtd> 
           <mo>
             ⋱ 
           </mo> 
          </mtd> 
          <mtd> 
           <mo>
             ⋮ 
           </mo> 
          </mtd> 
         </mtr> 
         <mtr> 
          <mtd> 
           <mn>
             0 
           </mn> 
          </mtd> 
          <mtd> 
           <mn>
             0 
           </mn> 
          </mtd> 
          <mtd> 
           <mn>
             0 
           </mn> 
          </mtd> 
          <mtd> 
           <mo>
             ⋯ 
           </mo> 
          </mtd> 
          <mtd> 
           <mrow> 
            <msub> 
             <mi>
               γ 
             </mi> 
             <mi>
               r 
             </mi> 
            </msub> 
           </mrow> 
          </mtd> 
         </mtr> 
        </mtable> 
       </mrow> 
       <mo>
         ] 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math> (35)</p>
   <p>In which 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          U 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mi>
         H 
       </mi> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math> and 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msubsup> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          V 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mi>
         H 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mi>
          T 
        </mi> 
        <mi>
          C 
        </mi> 
       </mrow> 
      </msubsup> 
     </mrow> 
    </math> are unitary matrices, that implies 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          U 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mi>
         H 
       </mi> 
      </msub> 
      <msubsup> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          U 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mi>
         H 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mi>
          T 
        </mi> 
        <mi>
          C 
        </mi> 
       </mrow> 
      </msubsup> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
       <mi>
         I 
       </mi> 
      </mstyle> 
     </mrow> 
    </math> and 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          V 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mi>
         H 
       </mi> 
      </msub> 
      <msubsup> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          V 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mi>
         H 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mi>
          T 
        </mi> 
        <mi>
          C 
        </mi> 
       </mrow> 
      </msubsup> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
       <mi>
         I 
       </mi> 
      </mstyle> 
     </mrow> 
    </math> where 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
      <mi>
        I 
      </mi> 
     </mstyle> 
    </math> is the unity matrix.</p>
   <p>In which 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          Σ 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mtext>
         F 
       </mtext> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math> is noted bellow.</p>
   <p>
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         Σ 
       </mi> 
       <mi>
         F 
       </mi> 
      </msub> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mtable> 
         <mtr> 
          <mtd> 
           <mrow> 
            <msub> 
             <mi>
               Δ 
             </mi> 
             <mi>
               F 
             </mi> 
            </msub> 
           </mrow> 
          </mtd> 
          <mtd> 
           <mn>
             0 
           </mn> 
          </mtd> 
         </mtr> 
         <mtr> 
          <mtd> 
           <mn>
             0 
           </mn> 
          </mtd> 
          <mtd> 
           <mn>
             0 
           </mn> 
          </mtd> 
         </mtr> 
        </mtable> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math> (36)</p>
   <p>
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         Δ 
       </mi> 
       <mi>
         F 
       </mi> 
      </msub> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mrow> 
       <mo>
         [ 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mtable> 
         <mtr> 
          <mtd> 
           <mrow> 
            <msub> 
             <mi>
               f 
             </mi> 
             <mn>
               1 
             </mn> 
            </msub> 
           </mrow> 
          </mtd> 
          <mtd> 
           <mn>
             0 
           </mn> 
          </mtd> 
          <mtd> 
           <mn>
             0 
           </mn> 
          </mtd> 
          <mtd> 
           <mo>
             ⋯ 
           </mo> 
          </mtd> 
          <mtd> 
           <mn>
             0 
           </mn> 
          </mtd> 
         </mtr> 
         <mtr> 
          <mtd> 
           <mn>
             0 
           </mn> 
          </mtd> 
          <mtd> 
           <mrow> 
            <msub> 
             <mi>
               f 
             </mi> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
            </msub> 
           </mrow> 
          </mtd> 
          <mtd> 
           <mn>
             0 
           </mn> 
          </mtd> 
          <mtd> 
           <mo>
             ⋯ 
           </mo> 
          </mtd> 
          <mtd> 
           <mn>
             0 
           </mn> 
          </mtd> 
         </mtr> 
         <mtr> 
          <mtd> 
           <mn>
             0 
           </mn> 
          </mtd> 
          <mtd> 
           <mn>
             0 
           </mn> 
          </mtd> 
          <mtd> 
           <mrow> 
            <msub> 
             <mi>
               f 
             </mi> 
             <mn>
               3 
             </mn> 
            </msub> 
           </mrow> 
          </mtd> 
          <mtd> 
           <mo>
             ⋯ 
           </mo> 
          </mtd> 
          <mtd> 
           <mn>
             0 
           </mn> 
          </mtd> 
         </mtr> 
         <mtr> 
          <mtd> 
           <mo>
             ⋮ 
           </mo> 
          </mtd> 
          <mtd> 
           <mo>
             ⋮ 
           </mo> 
          </mtd> 
          <mtd> 
           <mo>
             ⋮ 
           </mo> 
          </mtd> 
          <mtd> 
           <mo>
             ⋱ 
           </mo> 
          </mtd> 
          <mtd> 
           <mo>
             ⋮ 
           </mo> 
          </mtd> 
         </mtr> 
         <mtr> 
          <mtd> 
           <mn>
             0 
           </mn> 
          </mtd> 
          <mtd> 
           <mn>
             0 
           </mn> 
          </mtd> 
          <mtd> 
           <mn>
             0 
           </mn> 
          </mtd> 
          <mtd> 
           <mo>
             ⋯ 
           </mo> 
          </mtd> 
          <mtd> 
           <mrow> 
            <msub> 
             <mi>
               f 
             </mi> 
             <mi>
               r 
             </mi> 
            </msub> 
           </mrow> 
          </mtd> 
         </mtr> 
        </mtable> 
       </mrow> 
       <mo>
         ] 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math> (37)</p>
   <p>where r is the rank of scattering fading channel matrix 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
      <mi>
        H 
      </mi> 
     </mstyle> 
    </math>, 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        r 
      </mi> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mi>
        r 
      </mi> 
      <mi>
        a 
      </mi> 
      <mi>
        n 
      </mi> 
      <mi>
        k 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          H 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math>. Assume the transmission power at the base station (BS) is independent of the equivalent precoding matrix. This assumption implies that 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mrow> 
       <mo>
         ‖ 
       </mo> 
       <mrow> 
        <msub> 
         <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
          <mi>
            F 
          </mi> 
         </mstyle> 
         <mrow> 
          <mi>
            e 
          </mi> 
          <mi>
            q 
          </mi> 
         </mrow> 
        </msub> 
       </mrow> 
       <mo>
         ‖ 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <msub> 
       <mi>
         N 
       </mi> 
       <mi>
         s 
       </mi> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math>, where the operator 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mrow> 
       <mo>
         ‖ 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mtext>
            
        </mtext> 
        <mtext>
            
        </mtext> 
       </mrow> 
       <mo>
         ‖ 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math> is the norm operation of the equivalent precoding matrix <xref ref-type="bibr" rid="scirp.136573-9">
     [9]
    </xref>, that is.</p>
   <p>
    <xref ref-type="bibr" rid="scirp.136573-"></xref> 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mstyle displaystyle="true"> 
       <msubsup> 
        <mo>
          ∑ 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mi>
           i 
         </mi> 
         <mo>
           = 
         </mo> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
        </mrow> 
        <mi>
          r 
        </mi> 
       </msubsup> 
       <mrow> 
        <msubsup> 
         <mi>
           f 
         </mi> 
         <mi>
           i 
         </mi> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
        </msubsup> 
       </mrow> 
      </mstyle> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <msubsup> 
       <mi>
         N 
       </mi> 
       <mi>
         s 
       </mi> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
      </msubsup> 
     </mrow> 
    </math> (38)</p>
   <p>Which is mentioned in <xref ref-type="bibr" rid="scirp.136573-6">
     [6]
    </xref>. Based on Equation (38), the square of eigenvalues at the equivalent precoding matrix 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          F 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mrow> 
        <mi>
          e 
        </mi> 
        <mi>
          q 
        </mi> 
       </mrow> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math> is derived by the following:</p>
   <p>
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msubsup> 
       <mi>
         f 
       </mi> 
       <mi>
         i 
       </mi> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
      </msubsup> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mfrac> 
       <mrow> 
        <msub> 
         <mi>
           N 
         </mi> 
         <mi>
           s 
         </mi> 
        </msub> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mfrac> 
           <mn>
             1 
           </mn> 
           <mrow> 
            <msubsup> 
             <mi>
               γ 
             </mi> 
             <mn>
               1 
             </mn> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
            </msubsup> 
           </mrow> 
          </mfrac> 
          <mo>
            + 
          </mo> 
          <mfrac> 
           <mn>
             1 
           </mn> 
           <mrow> 
            <msubsup> 
             <mi>
               γ 
             </mi> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
            </msubsup> 
           </mrow> 
          </mfrac> 
          <mo>
            + 
          </mo> 
          <mo>
            ⋯ 
          </mo> 
          <mo>
            + 
          </mo> 
          <mfrac> 
           <mn>
             1 
           </mn> 
           <mrow> 
            <msubsup> 
             <mi>
               γ 
             </mi> 
             <mi>
               r 
             </mi> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
            </msubsup> 
           </mrow> 
          </mfrac> 
         </mrow> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mrow> 
        <mi>
          r 
        </mi> 
        <mi>
          S 
        </mi> 
        <mi>
          N 
        </mi> 
        <msub> 
         <mi>
           R 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mi>
            B 
          </mi> 
          <mi>
            S 
          </mi> 
         </mrow> 
        </msub> 
       </mrow> 
      </mfrac> 
      <mo>
        + 
      </mo> 
      <mfrac> 
       <mrow> 
        <msubsup> 
         <mi>
           N 
         </mi> 
         <mi>
           s 
         </mi> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
        </msubsup> 
       </mrow> 
       <mi>
         r 
       </mi> 
      </mfrac> 
      <mo>
        − 
      </mo> 
      <mfrac> 
       <mrow> 
        <msub> 
         <mi>
           N 
         </mi> 
         <mi>
           s 
         </mi> 
        </msub> 
       </mrow> 
       <mrow> 
        <mi>
          S 
        </mi> 
        <mi>
          N 
        </mi> 
        <msub> 
         <mi>
           R 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mi>
            B 
          </mi> 
          <mi>
            S 
          </mi> 
         </mrow> 
        </msub> 
        <msubsup> 
         <mi>
           γ 
         </mi> 
         <mi>
           i 
         </mi> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
        </msubsup> 
       </mrow> 
      </mfrac> 
     </mrow> 
    </math> (39)</p>
   <p>In this case the equivalent precoding matrix is simplified as follows.</p>
   <p>
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          F 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mrow> 
        <mi>
          e 
        </mi> 
        <mi>
          q 
        </mi> 
       </mrow> 
      </msub> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <msub> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          V 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mi>
         H 
       </mi> 
      </msub> 
      <msub> 
       <mi>
         Σ 
       </mi> 
       <mi>
         F 
       </mi> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math> (40)</p>
   <p>Based on the method in <xref ref-type="bibr" rid="scirp.136573-15">
     [15]
    </xref>, the optimal precoding matrix 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          F 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mrow> 
        <mi>
          e 
        </mi> 
        <mi>
          q 
        </mi> 
       </mrow> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math> is composed of 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          F 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mrow> 
        <mi>
          R 
        </mi> 
        <mi>
          F 
        </mi> 
       </mrow> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math> and 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          F 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mrow> 
        <mi>
          B 
        </mi> 
        <mi>
          B 
        </mi> 
       </mrow> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math>, which are designed in <xref ref-type="bibr" rid="scirp.136573-6">
     [6]
    </xref> <xref ref-type="bibr" rid="scirp.136573-15">
     [15]
    </xref>.</p>
  </sec><sec id="s4">
   <title>4. Receive Diversity Gain Models</title>
   <p>Deployed in a constrained space at the BS, the number of antenna elements is inversely proportional to the antenna spacing, that is, a larger number of antennas leads to a smaller antenna spacing <xref ref-type="bibr" rid="scirp.136573-6">
     [6]
    </xref>. More antennas lead to a higher receive diversity gain of the massive MIMO system, whereas the diversity gain can be compromised by the mutual coupling effect that is caused by decreasing the antenna spacing. Thus, when a number of antennas are deployed in a fixed constrained area, there exists a trade-off between M and d, and it is important to analyze the effect of mutual coupling on the achievable receive diversity gain of the massive MIMO systems <xref ref-type="bibr" rid="scirp.136573-6">
     [6]
    </xref>.</p>
   <p>Firstly, with fixed antenna spacing, the antenna number receives diversity gain GM is defined as follows <xref ref-type="bibr" rid="scirp.136573-6">
     [6]
    </xref>.</p>
   <p>
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi mathvariant="double-struck">
         G 
       </mi> 
       <mi>
         M 
       </mi> 
      </msub> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <msubsup> 
       <mi>
         ℰ 
       </mi> 
       <mi>
         M 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mi>
          d 
        </mi> 
        <mi>
          m 
        </mi> 
        <mi>
          i 
        </mi> 
        <mi>
          n 
        </mi> 
       </mrow> 
      </msubsup> 
      <mo>
        − 
      </mo> 
      <msubsup> 
       <mi>
         ℰ 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mi>
          M 
        </mi> 
        <mi>
          m 
        </mi> 
        <mi>
          i 
        </mi> 
        <mi>
          n 
        </mi> 
       </mrow> 
       <mrow> 
        <mi>
          d 
        </mi> 
        <mi>
          m 
        </mi> 
        <mi>
          i 
        </mi> 
        <mi>
          n 
        </mi> 
       </mrow> 
      </msubsup> 
     </mrow> 
    </math> (41)</p>
   <p>where 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi mathvariant="double-struck">
         G 
       </mi> 
       <mi>
         M 
       </mi> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math> is the antenna number receive diversity gain, 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msubsup> 
       <mi>
         ℰ 
       </mi> 
       <mi>
         M 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mi>
          d 
        </mi> 
        <mi>
          m 
        </mi> 
        <mi>
          i 
        </mi> 
        <mi>
          n 
        </mi> 
       </mrow> 
      </msubsup> 
     </mrow> 
    </math> is the expectation of the received SNR at the user end (UE) with M antenna, and minimum antenna spacing distance 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        d 
      </mi> 
      <mi>
        m 
      </mi> 
      <mi>
        i 
      </mi> 
      <mi>
        n 
      </mi> 
     </mrow> 
    </math> at the antenna array of the BS, and 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msubsup> 
       <mi>
         ℰ 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mi>
          M 
        </mi> 
        <mi>
          m 
        </mi> 
        <mi>
          i 
        </mi> 
        <mi>
          n 
        </mi> 
       </mrow> 
       <mrow> 
        <mi>
          d 
        </mi> 
        <mi>
          m 
        </mi> 
        <mi>
          i 
        </mi> 
        <mi>
          n 
        </mi> 
       </mrow> 
      </msubsup> 
     </mrow> 
    </math> is the expectation of the received SNR at UE with minimum number of antenna elements 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        M 
      </mi> 
      <mi>
        m 
      </mi> 
      <mi>
        i 
      </mi> 
      <mi>
        n 
      </mi> 
     </mrow> 
    </math> and minimum distance spacing at the antenna array of the BS <xref ref-type="bibr" rid="scirp.136573-6">
     [6]
    </xref>.</p>
   <p>In another case with a fixed number of antenna elements at the BS, the antenna spacing receive diversity gain 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi mathvariant="double-struck">
         G 
       </mi> 
       <mi>
         d 
       </mi> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math> is defined as follows <xref ref-type="bibr" rid="scirp.136573-6">
     [6]
    </xref>.</p>
   <p>
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi mathvariant="double-struck">
         G 
       </mi> 
       <mi>
         d 
       </mi> 
      </msub> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <msubsup> 
       <mi>
         ℰ 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mi>
          M 
        </mi> 
        <mi>
          m 
        </mi> 
        <mi>
          i 
        </mi> 
        <mi>
          n 
        </mi> 
       </mrow> 
       <mi>
         d 
       </mi> 
      </msubsup> 
      <mo>
        − 
      </mo> 
      <msubsup> 
       <mi>
         ℰ 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mi>
          M 
        </mi> 
        <mi>
          m 
        </mi> 
        <mi>
          i 
        </mi> 
        <mi>
          n 
        </mi> 
       </mrow> 
       <mrow> 
        <mi>
          d 
        </mi> 
        <mi>
          m 
        </mi> 
        <mi>
          i 
        </mi> 
        <mi>
          n 
        </mi> 
       </mrow> 
      </msubsup> 
     </mrow> 
    </math> (42)</p>
   <p>where 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi mathvariant="double-struck">
         G 
       </mi> 
       <mi>
         d 
       </mi> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math> is the antenna spacing receive gain, 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msubsup> 
       <mi>
         ℰ 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mi>
          M 
        </mi> 
        <mi>
          m 
        </mi> 
        <mi>
          i 
        </mi> 
        <mi>
          n 
        </mi> 
       </mrow> 
       <mi>
         d 
       </mi> 
      </msubsup> 
     </mrow> 
    </math> is the expectation of the receive SNR at the UE with an antenna spacing d and 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        M 
      </mi> 
      <mi>
        m 
      </mi> 
      <mi>
        i 
      </mi> 
      <mi>
        n 
      </mi> 
     </mrow> 
    </math> at the antenna array of the BS <xref ref-type="bibr" rid="scirp.136573-6">
     [6]
    </xref>.</p>
   <p>The average SNR (signal to noise ratio) seen at the UE terminal side can be written as follows.</p>
   <p>
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        S 
      </mi> 
      <mi>
        N 
      </mi> 
      <msub> 
       <mi>
         R 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mi>
          U 
        </mi> 
        <mi>
          E 
        </mi> 
       </mrow> 
      </msub> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mi>
        S 
      </mi> 
      <mi>
        N 
      </mi> 
      <msub> 
       <mi>
         R 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mi>
          B 
        </mi> 
        <mi>
          S 
        </mi> 
       </mrow> 
      </msub> 
      <mrow> 
       <mo>
         ‖ 
       </mo> 
       <mrow> 
        <msup> 
         <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
          <mi>
            G 
          </mi> 
         </mstyle> 
         <mrow> 
          <mi>
            T 
          </mi> 
          <mi>
            C 
          </mi> 
         </mrow> 
        </msup> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           G 
         </mi> 
        </mstyle> 
       </mrow> 
       <mo>
         ‖ 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math> (43)</p>
   <p>where 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msup> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          G 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mrow> 
        <mi>
          T 
        </mi> 
        <mi>
          C 
        </mi> 
       </mrow> 
      </msup> 
     </mrow> 
    </math> is the conjugate transpose of 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
      <mi>
        G 
      </mi> 
     </mstyle> 
    </math> the channel fading gain, which is noted as below.</p>
   <p>
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
       <mi>
         G 
       </mi> 
      </mstyle> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
       <mi>
         H 
       </mi> 
       <mi>
         A 
       </mi> 
       <mi>
         K 
       </mi> 
      </mstyle> 
      <msub> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          F 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mrow> 
        <mi>
          e 
        </mi> 
        <mi>
          q 
        </mi> 
       </mrow> 
      </msub> 
      <msup> 
       <mi>
         β 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
         <mo>
           / 
         </mo> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
        </mrow> 
       </mrow> 
      </msup> 
     </mrow> 
    </math> (44)</p>
   <p>Then with M antenna elements with antenna spacing distance d, the expectation of the SNR at UE terminal can be obtained as follows.</p>
   <p>
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msubsup> 
       <mi>
         ℰ 
       </mi> 
       <mi>
         M 
       </mi> 
       <mi>
         d 
       </mi> 
      </msubsup> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mi>
        E 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         { 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mrow> 
          <mi>
            S 
          </mi> 
          <mi>
            N 
          </mi> 
          <msub> 
           <mi>
             R 
           </mi> 
           <mrow> 
            <mi>
              U 
            </mi> 
            <mi>
              E 
            </mi> 
           </mrow> 
          </msub> 
         </mrow> 
         <mo>
           } 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math> (45)</p>
   <p>
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msubsup> 
       <mi>
         ℰ 
       </mi> 
       <mi>
         M 
       </mi> 
       <mi>
         d 
       </mi> 
      </msubsup> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mi>
        E 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         { 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           ‖ 
         </mo> 
         <mrow> 
          <msup> 
           <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
            <mi>
              G 
            </mi> 
           </mstyle> 
           <mrow> 
            <mi>
              T 
            </mi> 
            <mi>
              C 
            </mi> 
           </mrow> 
          </msup> 
          <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
           <mi>
             G 
           </mi> 
          </mstyle> 
         </mrow> 
         <mo>
           ‖ 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mo>
         } 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math> (46)</p>
   <p>
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msubsup> 
       <mi>
         ℰ 
       </mi> 
       <mi>
         M 
       </mi> 
       <mi>
         d 
       </mi> 
      </msubsup> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mi>
        S 
      </mi> 
      <mi>
        N 
      </mi> 
      <msub> 
       <mi>
         R 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mi>
          B 
        </mi> 
        <mi>
          S 
        </mi> 
       </mrow> 
      </msub> 
      <mi>
        N 
      </mi> 
      <mi>
        β 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         ‖ 
       </mo> 
       <mrow> 
        <msubsup> 
         <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
          <mi>
            F 
          </mi> 
         </mstyle> 
         <mrow> 
          <mi>
            e 
          </mi> 
          <mi>
            q 
          </mi> 
         </mrow> 
         <mrow> 
          <mi>
            T 
          </mi> 
          <mi>
            C 
          </mi> 
         </mrow> 
        </msubsup> 
        <msup> 
         <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
          <mi>
            K 
          </mi> 
         </mstyle> 
         <mrow> 
          <mi>
            T 
          </mi> 
          <mi>
            C 
          </mi> 
         </mrow> 
        </msup> 
        <msup> 
         <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
          <mi>
            A 
          </mi> 
         </mstyle> 
         <mrow> 
          <mi>
            T 
          </mi> 
          <mi>
            C 
          </mi> 
         </mrow> 
        </msup> 
        <msup> 
         <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
          <mi>
            H 
          </mi> 
         </mstyle> 
         <mrow> 
          <mi>
            T 
          </mi> 
          <mi>
            C 
          </mi> 
         </mrow> 
        </msup> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           H 
         </mi> 
         <mi>
           A 
         </mi> 
         <mi>
           K 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <msub> 
         <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
          <mi>
            F 
          </mi> 
         </mstyle> 
         <mrow> 
          <mi>
            e 
          </mi> 
          <mi>
            q 
          </mi> 
         </mrow> 
        </msub> 
       </mrow> 
       <mo>
         ‖ 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math> (47)</p>
   <p>In which denotes 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        E 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         { 
       </mo> 
       <mtext>
         . 
       </mtext> 
       <mo>
         } 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math> the expectation operation. The reason for using expectation operation there is a random variable or process, which is the channel matrix caused by channel fading environment <xref ref-type="bibr" rid="scirp.136573-9">
     [9]
    </xref>. Furthermore obtaining 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi mathvariant="double-struck">
         G 
       </mi> 
       <mi>
         M 
       </mi> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math>, and 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi mathvariant="double-struck">
         G 
       </mi> 
       <mi>
         d 
       </mi> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math> through substituting Equation (47) into Equation (41), and Equation (42) and replacing d, and M with 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        d 
      </mi> 
      <mi>
        m 
      </mi> 
      <mi>
        i 
      </mi> 
      <mi>
        n 
      </mi> 
     </mrow> 
    </math>, and 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        M 
      </mi> 
      <mi>
        m 
      </mi> 
      <mi>
        i 
      </mi> 
      <mi>
        n 
      </mi> 
     </mrow> 
    </math> <xref ref-type="bibr" rid="scirp.136573-6">
     [6]
    </xref>. Assuming 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        d 
      </mi> 
      <mi>
        m 
      </mi> 
      <mi>
        i 
      </mi> 
      <mi>
        n 
      </mi> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mn>
        0.1 
      </mn> 
      <mi>
        λ 
      </mi> 
     </mrow> 
    </math>, 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        M 
      </mi> 
      <mi>
        m 
      </mi> 
      <mi>
        i 
      </mi> 
      <mi>
        n 
      </mi> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mn>
        1 
      </mn> 
     </mrow> 
    </math>, and 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        β 
      </mi> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mn>
        1 
      </mn> 
     </mrow> 
    </math> as mentioned in <xref ref-type="bibr" rid="scirp.136573-6">
     [6]
    </xref>.</p>
  </sec><sec id="s5">
   <title>5. Effective Capacity, and Spectral Efficiency Model</title>
   <p>The maximum rate or spectral efficiency is as follows <xref ref-type="bibr" rid="scirp.136573-5">
     [5]
    </xref> <xref ref-type="bibr" rid="scirp.136573-6">
     [6]
    </xref>.</p>
   <p>
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         R 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mi>
          m 
        </mi> 
        <mi>
          a 
        </mi> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
       </mrow> 
      </msub> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <msub> 
       <mrow> 
        <mi>
          log 
        </mi> 
       </mrow> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
      </msub> 
      <mrow> 
       <mo>
         | 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           I 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mo>
          + 
        </mo> 
        <mfrac> 
         <mrow> 
          <mi>
            S 
          </mi> 
          <mi>
            N 
          </mi> 
          <msub> 
           <mi>
             R 
           </mi> 
           <mrow> 
            <mi>
              B 
            </mi> 
            <mi>
              S 
            </mi> 
           </mrow> 
          </msub> 
         </mrow> 
         <mrow> 
          <msub> 
           <mi>
             N 
           </mi> 
           <mi>
             s 
           </mi> 
          </msub> 
         </mrow> 
        </mfrac> 
        <msub> 
         <mi>
           Σ 
         </mi> 
         <mrow> 
          <msup> 
           <mi>
             F 
           </mi> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
          </msup> 
         </mrow> 
        </msub> 
        <msub> 
         <mi>
           Σ 
         </mi> 
         <mrow> 
          <msup> 
           <mi>
             H 
           </mi> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
          </msup> 
         </mrow> 
        </msub> 
       </mrow> 
       <mo>
         | 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math> (48)</p>
   <p>where 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mrow> 
       <mo>
         | 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mtext>
            
        </mtext> 
        <mo>
          . 
        </mo> 
        <mtext>
            
        </mtext> 
       </mrow> 
       <mo>
         | 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math> is the determent operation of the matrix, with</p>
   <p>
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         Σ 
       </mi> 
       <mrow> 
        <msup> 
         <mi>
           F 
         </mi> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
        </msup> 
       </mrow> 
      </msub> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <msub> 
       <mi>
         Σ 
       </mi> 
       <mi>
         F 
       </mi> 
      </msub> 
      <msubsup> 
       <mi>
         Σ 
       </mi> 
       <mi>
         F 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mi>
          T 
        </mi> 
        <mi>
          C 
        </mi> 
       </mrow> 
      </msubsup> 
     </mrow> 
    </math> (49)</p>
   <p>and</p>
   <p>
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         Σ 
       </mi> 
       <mrow> 
        <msup> 
         <mi>
           H 
         </mi> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
        </msup> 
       </mrow> 
      </msub> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <msubsup> 
       <mi>
         Σ 
       </mi> 
       <mi>
         H 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mi>
          T 
        </mi> 
        <mi>
          C 
        </mi> 
       </mrow> 
      </msubsup> 
      <msub> 
       <mi>
         Σ 
       </mi> 
       <mi>
         H 
       </mi> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math>. (50)</p>
   <p>Spectral efficiency is equal to the effective capacity per bandwidth wide <xref ref-type="bibr" rid="scirp.136573-5">
     [5]
    </xref>. From Equation (48), the maximum available rate can be simplified as follows.</p>
   <p>
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         R 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mi>
          m 
        </mi> 
        <mi>
          a 
        </mi> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
       </mrow> 
      </msub> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <msub> 
       <mrow> 
        <mtext>
          log 
        </mtext> 
       </mrow> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
      </msub> 
      <mrow> 
       <mo>
         | 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mfrac> 
         <mrow> 
          <mi>
            S 
          </mi> 
          <mi>
            N 
          </mi> 
          <msub> 
           <mi>
             R 
           </mi> 
           <mrow> 
            <mi>
              B 
            </mi> 
            <mi>
              S 
            </mi> 
           </mrow> 
          </msub> 
         </mrow> 
         <mrow> 
          <msub> 
           <mi>
             N 
           </mi> 
           <mi>
             s 
           </mi> 
          </msub> 
         </mrow> 
        </mfrac> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mfrac> 
           <mrow> 
            <msub> 
             <mi>
               N 
             </mi> 
             <mi>
               s 
             </mi> 
            </msub> 
           </mrow> 
           <mrow> 
            <mi>
              S 
            </mi> 
            <mi>
              N 
            </mi> 
            <msub> 
             <mi>
               R 
             </mi> 
             <mrow> 
              <mi>
                B 
              </mi> 
              <mi>
                S 
              </mi> 
             </mrow> 
            </msub> 
           </mrow> 
          </mfrac> 
          <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
           <mi>
             I 
           </mi> 
          </mstyle> 
          <mo>
            + 
          </mo> 
          <msub> 
           <mi>
             Σ 
           </mi> 
           <mrow> 
            <msup> 
             <mi>
               F 
             </mi> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
            </msup> 
           </mrow> 
          </msub> 
          <msub> 
           <mi>
             Σ 
           </mi> 
           <mrow> 
            <msup> 
             <mi>
               H 
             </mi> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
            </msup> 
           </mrow> 
          </msub> 
         </mrow> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mo>
         | 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math> (51)</p>
   <p>
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         R 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mi>
          m 
        </mi> 
        <mi>
          a 
        </mi> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
       </mrow> 
      </msub> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mi>
        r 
      </mi> 
      <msub> 
       <mrow> 
        <mi>
          log 
        </mi> 
       </mrow> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
      </msub> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mfrac> 
         <mrow> 
          <mi>
            S 
          </mi> 
          <mi>
            N 
          </mi> 
          <msub> 
           <mi>
             R 
           </mi> 
           <mrow> 
            <mi>
              B 
            </mi> 
            <mi>
              S 
            </mi> 
           </mrow> 
          </msub> 
         </mrow> 
         <mrow> 
          <msub> 
           <mi>
             N 
           </mi> 
           <mi>
             s 
           </mi> 
          </msub> 
         </mrow> 
        </mfrac> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        + 
      </mo> 
      <msub> 
       <mrow> 
        <mi>
          log 
        </mi> 
       </mrow> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
      </msub> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mstyle displaystyle="true"> 
         <msubsup> 
          <mo>
            ∏ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mi>
             i 
           </mi> 
           <mo>
             = 
           </mo> 
           <mn>
             1 
           </mn> 
          </mrow> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
         </msubsup> 
         <mrow> 
          <mrow> 
           <mo>
             ( 
           </mo> 
           <mrow> 
            <mfrac> 
             <mrow> 
              <msub> 
               <mi>
                 N 
               </mi> 
               <mi>
                 s 
               </mi> 
              </msub> 
             </mrow> 
             <mrow> 
              <mi>
                S 
              </mi> 
              <mi>
                N 
              </mi> 
              <msub> 
               <mi>
                 R 
               </mi> 
               <mrow> 
                <mi>
                  B 
                </mi> 
                <mi>
                  S 
                </mi> 
               </mrow> 
              </msub> 
             </mrow> 
            </mfrac> 
            <mo>
              + 
            </mo> 
            <msubsup> 
             <mi>
               f 
             </mi> 
             <mi>
               i 
             </mi> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
            </msubsup> 
            <msubsup> 
             <mi>
               γ 
             </mi> 
             <mi>
               i 
             </mi> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
            </msubsup> 
           </mrow> 
           <mo>
             ) 
           </mo> 
          </mrow> 
         </mrow> 
        </mstyle> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math> (52)</p>
   <p>The effective capacity under multimedia constraints can be defined as follows.</p>
   <p>
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         C 
       </mi> 
       <mi>
         E 
       </mi> 
      </msub> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mi>
         θ 
       </mi> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mfrac> 
       <mrow> 
        <mo>
          − 
        </mo> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
       </mrow> 
       <mrow> 
        <mi>
          θ 
        </mi> 
        <mi>
          T 
        </mi> 
       </mrow> 
      </mfrac> 
      <mi>
        ln 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mi>
          E 
        </mi> 
        <mrow> 
         <mo>
           { 
         </mo> 
         <mrow> 
          <msup> 
           <mtext>
             e 
           </mtext> 
           <mrow> 
            <mo>
              − 
            </mo> 
            <mi>
              θ 
            </mi> 
            <mi>
              B 
            </mi> 
            <mi>
              T 
            </mi> 
            <mi>
              R 
            </mi> 
           </mrow> 
          </msup> 
         </mrow> 
         <mo>
           } 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math> (53)</p>
   <p>where 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
       θ 
     </mi> 
    </math> is the QoS quality of service statistical exponent, B is the transmission bandwidth, and T is the time frame, 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         C 
       </mi> 
       <mi>
         E 
       </mi> 
      </msub> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mi>
         θ 
       </mi> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math> is the effective capacity where both QoS statistical exponent, and mutual coupling are evaluated. During the time frame 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
       T 
     </mi> 
    </math>, the channel fading kept static. Considering the maximum available rate in Equation (52), and Equation (53) can be extended as follows.</p>
   <p>
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         C 
       </mi> 
       <mi>
         E 
       </mi> 
      </msub> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mi>
         θ 
       </mi> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mo>
        − 
      </mo> 
      <mfrac> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
       <mrow> 
        <mi>
          θ 
        </mi> 
        <mi>
          T 
        </mi> 
       </mrow> 
      </mfrac> 
      <mi>
        ln 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mi>
          E 
        </mi> 
        <mrow> 
         <mo>
           { 
         </mo> 
         <mrow> 
          <msup> 
           <mtext>
             e 
           </mtext> 
           <mrow> 
            <mo>
              − 
            </mo> 
            <mi>
              θ 
            </mi> 
            <mi>
              T 
            </mi> 
            <mi>
              B 
            </mi> 
            <mrow> 
             <mo>
               ( 
             </mo> 
             <mrow> 
              <msub> 
               <mrow> 
                <mi>
                  log 
                </mi> 
               </mrow> 
               <mn>
                 2 
               </mn> 
              </msub> 
              <mrow> 
               <mo>
                 ( 
               </mo> 
               <mrow> 
                <mfrac> 
                 <mrow> 
                  <mi>
                    S 
                  </mi> 
                  <mi>
                    N 
                  </mi> 
                  <msub> 
                   <mi>
                     R 
                   </mi> 
                   <mrow> 
                    <mi>
                      B 
                    </mi> 
                    <mi>
                      S 
                    </mi> 
                   </mrow> 
                  </msub> 
                 </mrow> 
                 <mrow> 
                  <msub> 
                   <mi>
                     N 
                   </mi> 
                   <mi>
                     S 
                   </mi> 
                  </msub> 
                 </mrow> 
                </mfrac> 
               </mrow> 
               <mo>
                 ) 
               </mo> 
              </mrow> 
              <mo>
                + 
              </mo> 
              <msub> 
               <mrow> 
                <mi>
                  log 
                </mi> 
               </mrow> 
               <mn>
                 2 
               </mn> 
              </msub> 
              <mrow> 
               <mo>
                 ( 
               </mo> 
               <mrow> 
                <mstyle displaystyle="true"> 
                 <msubsup> 
                  <mo>
                    ∏ 
                  </mo> 
                  <mrow> 
                   <mi>
                     i 
                   </mi> 
                   <mo>
                     = 
                   </mo> 
                   <mn>
                     1 
                   </mn> 
                  </mrow> 
                  <mi>
                    r 
                  </mi> 
                 </msubsup> 
                 <mrow> 
                  <mrow> 
                   <mo>
                     ( 
                   </mo> 
                   <mrow> 
                    <mfrac> 
                     <mrow> 
                      <msub> 
                       <mi>
                         N 
                       </mi> 
                       <mi>
                         s 
                       </mi> 
                      </msub> 
                     </mrow> 
                     <mrow> 
                      <mi>
                        S 
                      </mi> 
                      <mi>
                        N 
                      </mi> 
                      <msub> 
                       <mi>
                         R 
                       </mi> 
                       <mrow> 
                        <mi>
                          B 
                        </mi> 
                        <mi>
                          S 
                        </mi> 
                       </mrow> 
                      </msub> 
                     </mrow> 
                    </mfrac> 
                    <mo>
                      + 
                    </mo> 
                    <msubsup> 
                     <mi>
                       f 
                     </mi> 
                     <mi>
                       i 
                     </mi> 
                     <mn>
                       2 
                     </mn> 
                    </msubsup> 
                    <msubsup> 
                     <mi>
                       γ 
                     </mi> 
                     <mi>
                       i 
                     </mi> 
                     <mn>
                       2 
                     </mn> 
                    </msubsup> 
                   </mrow> 
                   <mo>
                     ) 
                   </mo> 
                  </mrow> 
                 </mrow> 
                </mstyle> 
               </mrow> 
               <mo>
                 ) 
               </mo> 
              </mrow> 
             </mrow> 
             <mo>
               ) 
             </mo> 
            </mrow> 
           </mrow> 
          </msup> 
         </mrow> 
         <mo>
           } 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math> (54)</p>
   <p>
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         C 
       </mi> 
       <mi>
         E 
       </mi> 
      </msub> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mi>
         θ 
       </mi> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mo>
        − 
      </mo> 
      <mfrac> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
       <mrow> 
        <mi>
          θ 
        </mi> 
        <mi>
          T 
        </mi> 
       </mrow> 
      </mfrac> 
      <mi>
        ln 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <msup> 
         <mtext>
           e 
         </mtext> 
         <mrow> 
          <mo>
            − 
          </mo> 
          <mi>
            θ 
          </mi> 
          <mi>
            T 
          </mi> 
          <mi>
            B 
          </mi> 
          <msub> 
           <mrow> 
            <mi>
              log 
            </mi> 
           </mrow> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
          </msub> 
          <mrow> 
           <mo>
             ( 
           </mo> 
           <mrow> 
            <mfrac> 
             <mrow> 
              <mi>
                S 
              </mi> 
              <mi>
                N 
              </mi> 
              <msub> 
               <mi>
                 R 
               </mi> 
               <mrow> 
                <mi>
                  B 
                </mi> 
                <mi>
                  S 
                </mi> 
               </mrow> 
              </msub> 
             </mrow> 
             <mrow> 
              <msub> 
               <mi>
                 N 
               </mi> 
               <mi>
                 S 
               </mi> 
              </msub> 
             </mrow> 
            </mfrac> 
           </mrow> 
           <mo>
             ) 
           </mo> 
          </mrow> 
         </mrow> 
        </msup> 
        <mi>
          E 
        </mi> 
        <mrow> 
         <mo>
           { 
         </mo> 
         <mrow> 
          <msup> 
           <mrow> 
            <mrow> 
             <mo>
               ( 
             </mo> 
             <mrow> 
              <msup> 
               <mtext>
                 e 
               </mtext> 
               <mrow> 
                <msub> 
                 <mrow> 
                  <mi>
                    log 
                  </mi> 
                 </mrow> 
                 <mn>
                   2 
                 </mn> 
                </msub> 
                <mrow> 
                 <mo>
                   ( 
                 </mo> 
                 <mrow> 
                  <mstyle displaystyle="true"> 
                   <msubsup> 
                    <mo>
                      ∏ 
                    </mo> 
                    <mrow> 
                     <mi>
                       i 
                     </mi> 
                     <mo>
                       = 
                     </mo> 
                     <mn>
                       1 
                     </mn> 
                    </mrow> 
                    <mi>
                      r 
                    </mi> 
                   </msubsup> 
                   <mrow> 
                    <mrow> 
                     <mo>
                       ( 
                     </mo> 
                     <mrow> 
                      <mfrac> 
                       <mrow> 
                        <msub> 
                         <mi>
                           N 
                         </mi> 
                         <mi>
                           s 
                         </mi> 
                        </msub> 
                       </mrow> 
                       <mrow> 
                        <mi>
                          S 
                        </mi> 
                        <mi>
                          N 
                        </mi> 
                        <msub> 
                         <mi>
                           R 
                         </mi> 
                         <mrow> 
                          <mi>
                            B 
                          </mi> 
                          <mi>
                            S 
                          </mi> 
                         </mrow> 
                        </msub> 
                       </mrow> 
                      </mfrac> 
                      <mo>
                        + 
                      </mo> 
                      <msubsup> 
                       <mi>
                         f 
                       </mi> 
                       <mi>
                         i 
                       </mi> 
                       <mn>
                         2 
                       </mn> 
                      </msubsup> 
                      <msubsup> 
                       <mi>
                         γ 
                       </mi> 
                       <mi>
                         i 
                       </mi> 
                       <mn>
                         2 
                       </mn> 
                      </msubsup> 
                     </mrow> 
                     <mo>
                       ) 
                     </mo> 
                    </mrow> 
                   </mrow> 
                  </mstyle> 
                 </mrow> 
                 <mo>
                   ) 
                 </mo> 
                </mrow> 
               </mrow> 
              </msup> 
             </mrow> 
             <mo>
               ) 
             </mo> 
            </mrow> 
           </mrow> 
           <mrow> 
            <mo>
              − 
            </mo> 
            <mi>
              θ 
            </mi> 
            <mi>
              T 
            </mi> 
            <mi>
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            </mi> 
           </mrow> 
          </msup> 
         </mrow> 
         <mo>
           } 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math> (55)</p>
   <p>
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         C 
       </mi> 
       <mi>
         E 
       </mi> 
      </msub> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mi>
         θ 
       </mi> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mo>
        − 
      </mo> 
      <mfrac> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
       <mrow> 
        <mi>
          θ 
        </mi> 
        <mi>
          T 
        </mi> 
       </mrow> 
      </mfrac> 
      <mi>
        ln 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <msup> 
         <mtext>
           e 
         </mtext> 
         <mrow> 
          <mo>
            − 
          </mo> 
          <mi>
            θ 
          </mi> 
          <mi>
            T 
          </mi> 
          <mi>
            B 
          </mi> 
          <msub> 
           <mrow> 
            <mi>
              log 
            </mi> 
           </mrow> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
          </msub> 
          <mrow> 
           <mo>
             ( 
           </mo> 
           <mrow> 
            <mfrac> 
             <mrow> 
              <mi>
                S 
              </mi> 
              <mi>
                N 
              </mi> 
              <msub> 
               <mi>
                 R 
               </mi> 
               <mrow> 
                <mi>
                  B 
                </mi> 
                <mi>
                  S 
                </mi> 
               </mrow> 
              </msub> 
             </mrow> 
             <mrow> 
              <msub> 
               <mi>
                 N 
               </mi> 
               <mi>
                 S 
               </mi> 
              </msub> 
             </mrow> 
            </mfrac> 
           </mrow> 
           <mo>
             ) 
           </mo> 
          </mrow> 
         </mrow> 
        </msup> 
        <mi>
          E 
        </mi> 
        <mrow> 
         <mo>
           { 
         </mo> 
         <mrow> 
          <msup> 
           <mrow> 
            <mrow> 
             <mo>
               ( 
             </mo> 
             <mrow> 
              <mstyle displaystyle="true"> 
               <msubsup> 
                <mo>
                  ∏ 
                </mo> 
                <mrow> 
                 <mi>
                   i 
                 </mi> 
                 <mo>
                   = 
                 </mo> 
                 <mn>
                   1 
                 </mn> 
                </mrow> 
                <mi>
                  r 
                </mi> 
               </msubsup> 
               <mrow> 
                <mrow> 
                 <mo>
                   ( 
                 </mo> 
                 <mrow> 
                  <mfrac> 
                   <mrow> 
                    <msub> 
                     <mi>
                       N 
                     </mi> 
                     <mi>
                       s 
                     </mi> 
                    </msub> 
                   </mrow> 
                   <mrow> 
                    <mi>
                      S 
                    </mi> 
                    <mi>
                      N 
                    </mi> 
                    <msub> 
                     <mi>
                       R 
                     </mi> 
                     <mrow> 
                      <mi>
                        B 
                      </mi> 
                      <mi>
                        S 
                      </mi> 
                     </mrow> 
                    </msub> 
                   </mrow> 
                  </mfrac> 
                  <mo>
                    + 
                  </mo> 
                  <msubsup> 
                   <mi>
                     f 
                   </mi> 
                   <mi>
                     i 
                   </mi> 
                   <mn>
                     2 
                   </mn> 
                  </msubsup> 
                  <msubsup> 
                   <mi>
                     γ 
                   </mi> 
                   <mi>
                     i 
                   </mi> 
                   <mn>
                     2 
                   </mn> 
                  </msubsup> 
                 </mrow> 
                 <mo>
                   ) 
                 </mo> 
                </mrow> 
               </mrow> 
              </mstyle> 
             </mrow> 
             <mo>
               ) 
             </mo> 
            </mrow> 
           </mrow> 
           <mrow> 
            <mfrac> 
             <mrow> 
              <mo>
                − 
              </mo> 
              <mi>
                θ 
              </mi> 
              <mi>
                T 
              </mi> 
              <mi>
                B 
              </mi> 
             </mrow> 
             <mrow> 
              <mi>
                ln 
              </mi> 
              <mrow> 
               <mo>
                 ( 
               </mo> 
               <mn>
                 2 
               </mn> 
               <mo>
                 ) 
               </mo> 
              </mrow> 
             </mrow> 
            </mfrac> 
           </mrow> 
          </msup> 
         </mrow> 
         <mo>
           } 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math> (56)</p>
   <p>From the above equations, that is clearly a convex function. Then the upper bound of the effective capacity can be obtained using Jensen’s inequality <xref ref-type="bibr" rid="scirp.136573-6">
     [6]
    </xref>.</p>
   <p>
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         C 
       </mi> 
       <mi>
         E 
       </mi> 
      </msub> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mi>
         θ 
       </mi> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mfrac> 
       <mrow> 
        <mo>
          − 
        </mo> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
       </mrow> 
       <mrow> 
        <mi>
          θ 
        </mi> 
        <mi>
          T 
        </mi> 
       </mrow> 
      </mfrac> 
      <mi>
        ln 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mi>
          E 
        </mi> 
        <mrow> 
         <mo>
           { 
         </mo> 
         <mrow> 
          <msup> 
           <mtext>
             e 
           </mtext> 
           <mrow> 
            <mo>
              − 
            </mo> 
            <mi>
              θ 
            </mi> 
            <mi>
              B 
            </mi> 
            <mi>
              T 
            </mi> 
            <mi>
              R 
            </mi> 
           </mrow> 
          </msup> 
         </mrow> 
         <mo>
           } 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math> (57)</p>
   <p>
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         C 
       </mi> 
       <mi>
         E 
       </mi> 
      </msub> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mi>
         θ 
       </mi> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        ≤ 
      </mo> 
      <mfrac> 
       <mrow> 
        <mo>
          − 
        </mo> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
       </mrow> 
       <mrow> 
        <mi>
          θ 
        </mi> 
        <mi>
          T 
        </mi> 
       </mrow> 
      </mfrac> 
      <mtext>
        ln 
      </mtext> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mi>
          E 
        </mi> 
        <msup> 
         <mtext>
           e 
         </mtext> 
         <mrow> 
          <mo>
            − 
          </mo> 
          <mi>
            θ 
          </mi> 
          <mi>
            B 
          </mi> 
          <mi>
            T 
          </mi> 
          <mi>
            E 
          </mi> 
          <mrow> 
           <mo>
             { 
           </mo> 
           <mi>
             R 
           </mi> 
           <mo>
             } 
           </mo> 
          </mrow> 
         </mrow> 
        </msup> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math> (58)</p>
   <p>
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         C 
       </mi> 
       <mi>
         E 
       </mi> 
      </msub> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mi>
         θ 
       </mi> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        ≤ 
      </mo> 
      <mi>
        B 
      </mi> 
      <mi>
        E 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         { 
       </mo> 
       <mi>
         R 
       </mi> 
       <mo>
         } 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math> (59)</p>
   <p>From Equation (52) 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        E 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         { 
       </mo> 
       <mrow> 
        <msub> 
         <mi>
           R 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mi>
            m 
          </mi> 
          <mi>
            a 
          </mi> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
         </mrow> 
        </msub> 
       </mrow> 
       <mo>
         } 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math> can be expressed as follows.</p>
   <p>
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        E 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         { 
       </mo> 
       <mrow> 
        <msub> 
         <mi>
           R 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mi>
            m 
          </mi> 
          <mi>
            a 
          </mi> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
         </mrow> 
        </msub> 
       </mrow> 
       <mo>
         } 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mi>
        E 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         { 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mi>
          r 
        </mi> 
        <msub> 
         <mrow> 
          <mi>
            log 
          </mi> 
         </mrow> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
        </msub> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mfrac> 
           <mrow> 
            <mi>
              S 
            </mi> 
            <mi>
              N 
            </mi> 
            <msub> 
             <mi>
               R 
             </mi> 
             <mrow> 
              <mi>
                B 
              </mi> 
              <mi>
                S 
              </mi> 
             </mrow> 
            </msub> 
           </mrow> 
           <mrow> 
            <msub> 
             <mi>
               N 
             </mi> 
             <mi>
               s 
             </mi> 
            </msub> 
           </mrow> 
          </mfrac> 
         </mrow> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
        <mo>
          + 
        </mo> 
        <msub> 
         <mrow> 
          <mi>
            log 
          </mi> 
         </mrow> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
        </msub> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mstyle displaystyle="true"> 
           <msubsup> 
            <mo>
              ∏ 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mi>
               i 
             </mi> 
             <mo>
               = 
             </mo> 
             <mn>
               1 
             </mn> 
            </mrow> 
            <mi>
              r 
            </mi> 
           </msubsup> 
           <mrow> 
            <mrow> 
             <mo>
               ( 
             </mo> 
             <mrow> 
              <mfrac> 
               <mrow> 
                <msub> 
                 <mi>
                   N 
                 </mi> 
                 <mi>
                   s 
                 </mi> 
                </msub> 
               </mrow> 
               <mrow> 
                <mi>
                  S 
                </mi> 
                <mi>
                  N 
                </mi> 
                <msub> 
                 <mi>
                   R 
                 </mi> 
                 <mrow> 
                  <mi>
                    B 
                  </mi> 
                  <mi>
                    S 
                  </mi> 
                 </mrow> 
                </msub> 
               </mrow> 
              </mfrac> 
              <mo>
                + 
              </mo> 
              <msubsup> 
               <mi>
                 f 
               </mi> 
               <mi>
                 i 
               </mi> 
               <mn>
                 2 
               </mn> 
              </msubsup> 
              <msubsup> 
               <mi>
                 γ 
               </mi> 
               <mi>
                 i 
               </mi> 
               <mn>
                 2 
               </mn> 
              </msubsup> 
             </mrow> 
             <mo>
               ) 
             </mo> 
            </mrow> 
           </mrow> 
          </mstyle> 
         </mrow> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mo>
         } 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math> (60)</p>
   <p>
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        E 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         { 
       </mo> 
       <mrow> 
        <msub> 
         <mi>
           R 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mi>
            m 
          </mi> 
          <mi>
            a 
          </mi> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
         </mrow> 
        </msub> 
       </mrow> 
       <mo>
         } 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        ≤ 
      </mo> 
      <mi>
        r 
      </mi> 
      <msub> 
       <mrow> 
        <mi>
          log 
        </mi> 
       </mrow> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
      </msub> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mfrac> 
         <mrow> 
          <mi>
            S 
          </mi> 
          <mi>
            N 
          </mi> 
          <msub> 
           <mi>
             R 
           </mi> 
           <mrow> 
            <mi>
              B 
            </mi> 
            <mi>
              S 
            </mi> 
           </mrow> 
          </msub> 
         </mrow> 
         <mrow> 
          <msub> 
           <mi>
             N 
           </mi> 
           <mi>
             s 
           </mi> 
          </msub> 
         </mrow> 
        </mfrac> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        + 
      </mo> 
      <mstyle displaystyle="true"> 
       <msubsup> 
        <mo>
          ∑ 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mi>
           i 
         </mi> 
         <mo>
           = 
         </mo> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
        </mrow> 
        <mi>
          r 
        </mi> 
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            E 
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             N 
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        </mfrac> 
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           </mo> 
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              + 
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            <mfrac> 
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               r 
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             <mrow> 
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                S 
              </mi> 
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              </mi> 
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               </mrow> 
              </msub> 
             </mrow> 
            </mfrac> 
           </mrow> 
           <mo>
             ) 
           </mo> 
          </mrow> 
          <mi>
            E 
          </mi> 
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           ) 
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           { 
         </mo> 
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             R 
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         </mo> 
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          ≤ 
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          </mfrac> 
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           ) 
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            </msub> 
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             ( 
           </mo> 
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             ) 
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            </mi> 
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               ( 
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                  T 
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                </mi> 
               </mrow> 
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                  T 
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                  T 
                </mi> 
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                  C 
                </mi> 
               </mrow> 
              </msup> 
             </mrow> 
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               ) 
             </mo> 
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           </mo> 
          </mrow> 
         </mrow> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
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    </math> (63)</p>
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         </mo> 
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          ≤ 
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          r 
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               R 
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        <mstyle displaystyle="true"> 
         <msubsup> 
          <mo>
            ∑ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mi>
             i 
           </mi> 
           <mo>
             = 
           </mo> 
           <mn>
             1 
           </mn> 
          </mrow> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
         </msubsup> 
         <mrow> 
          <msub> 
           <mrow> 
            <mi>
              log 
            </mi> 
           </mrow> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
          </msub> 
         </mrow> 
        </mstyle> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mfrac> 
           <mrow> 
            <msub> 
             <mi>
               N 
             </mi> 
             <mi>
               s 
             </mi> 
            </msub> 
           </mrow> 
           <mrow> 
            <msup> 
             <mi>
               r 
             </mi> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
            </msup> 
           </mrow> 
          </mfrac> 
          <mrow> 
           <mo>
             ( 
           </mo> 
           <mrow> 
            <msub> 
             <mi>
               N 
             </mi> 
             <mi>
               s 
             </mi> 
            </msub> 
            <mo>
              + 
            </mo> 
            <mfrac> 
             <mi>
               r 
             </mi> 
             <mrow> 
              <mi>
                S 
              </mi> 
              <mi>
                N 
              </mi> 
              <msub> 
               <mi>
                 R 
               </mi> 
               <mrow> 
                <mi>
                  B 
                </mi> 
                <mi>
                  S 
                </mi> 
               </mrow> 
              </msub> 
             </mrow> 
            </mfrac> 
           </mrow> 
           <mo>
             ) 
           </mo> 
          </mrow> 
          <mrow> 
           <mo>
             ( 
           </mo> 
           <mrow> 
            <mi>
              t 
            </mi> 
            <mi>
              r 
            </mi> 
            <mrow> 
             <mo>
               ( 
             </mo> 
             <mrow> 
              <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
               <mi>
                 A 
               </mi> 
               <mi>
                 K 
               </mi> 
              </mstyle> 
              <msup> 
               <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
                <mi>
                  K 
                </mi> 
               </mstyle> 
               <mrow> 
                <mi>
                  T 
                </mi> 
                <mi>
                  C 
                </mi> 
               </mrow> 
              </msup> 
              <msup> 
               <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
                <mi>
                  A 
                </mi> 
               </mstyle> 
               <mrow> 
                <mi>
                  T 
                </mi> 
                <mi>
                  C 
                </mi> 
               </mrow> 
              </msup> 
             </mrow> 
             <mo>
               ) 
             </mo> 
            </mrow> 
            <mo>
              + 
            </mo> 
            <mi>
              E 
            </mi> 
            <mrow> 
             <mo>
               { 
             </mo> 
             <mrow> 
              <mi>
                t 
              </mi> 
              <mi>
                r 
              </mi> 
              <mrow> 
               <mo>
                 ( 
               </mo> 
               <mrow> 
                <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
                 <mi>
                   H 
                 </mi> 
                </mstyle> 
                <msup> 
                 <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
                  <mi>
                    H 
                  </mi> 
                 </mstyle> 
                 <mrow> 
                  <mi>
                    T 
                  </mi> 
                  <mi>
                    C 
                  </mi> 
                 </mrow> 
                </msup> 
               </mrow> 
               <mo>
                 ) 
               </mo> 
              </mrow> 
             </mrow> 
             <mo>
               } 
             </mo> 
            </mrow> 
           </mrow> 
           <mo>
             ) 
           </mo> 
          </mrow> 
         </mrow> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mtd> 
      </mtr> 
     </mtable> 
    </math>(64)</p>
   <p>Wishart Matrices is defined as follows <xref ref-type="bibr" rid="scirp.136573-16">
     [16]
    </xref>.</p>
   <p>
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
       <mi>
         W 
       </mi> 
      </mstyle> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
       <mi>
         H 
       </mi> 
      </mstyle> 
      <msup> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          H 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mrow> 
        <mi>
          T 
        </mi> 
        <mi>
          C 
        </mi> 
       </mrow> 
      </msup> 
     </mrow> 
    </math> (65)</p>
   <p>where 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
       <mi>
         H 
       </mi> 
      </mstyle> 
      <mo>
        ∈ 
      </mo> 
      <msup> 
       <mi>
         ℂ 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mi>
          N 
        </mi> 
        <mo>
          × 
        </mo> 
        <mi>
          P 
        </mi> 
       </mrow> 
      </msup> 
     </mrow> 
    </math>, a collection number of properties of central and noncentral Wishart matrices and in some cases, their inverses are mentioned in <xref ref-type="bibr" rid="scirp.136573-16">
     [16]
    </xref>. Considering the first moments of a central Wishart matrix and its inverse referred in Lemma 2.9, and Lemma 2.10 assuming 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        P 
      </mi> 
      <mo>
        &gt; 
      </mo> 
      <mi>
        r 
      </mi> 
     </mrow> 
    </math>, where 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        r 
      </mi> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mi>
        N 
      </mi> 
     </mrow> 
    </math> <xref ref-type="bibr" rid="scirp.136573-16">
     [16]
    </xref>.</p>
   <p>
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        E 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         { 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mi>
          t 
        </mi> 
        <mi>
          r 
        </mi> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
           <mi>
             H 
           </mi> 
          </mstyle> 
          <msup> 
           <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
            <mi>
              H 
            </mi> 
           </mstyle> 
           <mrow> 
            <mi>
              T 
            </mi> 
            <mi>
              C 
            </mi> 
           </mrow> 
          </msup> 
         </mrow> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mo>
         } 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mi>
        P 
      </mi> 
      <mi>
        r 
      </mi> 
     </mrow> 
    </math> (66)</p>
   <p>
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        E 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         { 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mi>
          t 
        </mi> 
        <mi>
          r 
        </mi> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mrow> 
          <msup> 
           <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
            <mi>
              W 
            </mi> 
           </mstyle> 
           <mrow> 
            <mo>
              − 
            </mo> 
            <mn>
              1 
            </mn> 
           </mrow> 
          </msup> 
         </mrow> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mo>
         } 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mfrac> 
       <mi>
         r 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mi>
          P 
        </mi> 
        <mo>
          − 
        </mo> 
        <mi>
          r 
        </mi> 
       </mrow> 
      </mfrac> 
     </mrow> 
    </math> (67)</p>
   <p>
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         C 
       </mi> 
       <mi>
         E 
       </mi> 
      </msub> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mi>
         θ 
       </mi> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        ≤ 
      </mo> 
      <mi>
        B 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mi>
          r 
        </mi> 
        <msub> 
         <mrow> 
          <mi>
            log 
          </mi> 
         </mrow> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
        </msub> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mfrac> 
           <mrow> 
            <mi>
              S 
            </mi> 
            <mi>
              N 
            </mi> 
            <msub> 
             <mi>
               R 
             </mi> 
             <mrow> 
              <mi>
                B 
              </mi> 
              <mi>
                S 
              </mi> 
             </mrow> 
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               N 
             </mi> 
             <mi>
               s 
             </mi> 
            </msub> 
           </mrow> 
          </mfrac> 
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           ) 
         </mo> 
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          + 
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            </mrow> 
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              + 
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              P 
            </mi> 
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              r 
            </mi> 
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           <mo>
             ) 
           </mo> 
          </mrow> 
         </mrow> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
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    </math>(68)</p>
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          u 
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          p 
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        <mi>
          e 
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        </mi> 
       </mrow> 
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             </mi> 
             <mi>
               s 
             </mi> 
            </msub> 
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          </mfrac> 
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            </msub> 
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              + 
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                N 
              </mi> 
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                 R 
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                  S 
                </mi> 
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             ) 
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             ( 
           </mo> 
           <mrow> 
            <mi>
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            </mi> 
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            </mi> 
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               ( 
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                 K 
               </mi> 
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                  K 
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                </mi> 
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                </mi> 
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                  T 
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                </mi> 
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               ) 
             </mo> 
            </mrow> 
            <mo>
              + 
            </mo> 
            <mi>
              P 
            </mi> 
            <mi>
              r 
            </mi> 
           </mrow> 
           <mo>
             ) 
           </mo> 
          </mrow> 
         </mrow> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math>(69)</p>
   <p>
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        S 
      </mi> 
      <mi>
        p 
      </mi> 
      <mi>
        e 
      </mi> 
      <msub> 
       <mi>
         f 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mi>
          m 
        </mi> 
        <mi>
          a 
        </mi> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
       </mrow> 
      </msub> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mi>
          r 
        </mi> 
        <msub> 
         <mrow> 
          <mi>
            log 
          </mi> 
         </mrow> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
        </msub> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mfrac> 
           <mrow> 
            <mi>
              S 
            </mi> 
            <mi>
              N 
            </mi> 
            <msub> 
             <mi>
               R 
             </mi> 
             <mrow> 
              <mi>
                B 
              </mi> 
              <mi>
                S 
              </mi> 
             </mrow> 
            </msub> 
           </mrow> 
           <mrow> 
            <msub> 
             <mi>
               N 
             </mi> 
             <mi>
               s 
             </mi> 
            </msub> 
           </mrow> 
          </mfrac> 
         </mrow> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
        <mo>
          + 
        </mo> 
        <mstyle displaystyle="true"> 
         <msubsup> 
          <mo>
            ∑ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mi>
             i 
           </mi> 
           <mo>
             = 
           </mo> 
           <mn>
             1 
           </mn> 
          </mrow> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
         </msubsup> 
         <mrow> 
          <msub> 
           <mrow> 
            <mi>
              log 
            </mi> 
           </mrow> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
          </msub> 
         </mrow> 
        </mstyle> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mfrac> 
           <mrow> 
            <msub> 
             <mi>
               N 
             </mi> 
             <mi>
               s 
             </mi> 
            </msub> 
           </mrow> 
           <mrow> 
            <msup> 
             <mi>
               r 
             </mi> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
            </msup> 
           </mrow> 
          </mfrac> 
          <mrow> 
           <mo>
             ( 
           </mo> 
           <mrow> 
            <msub> 
             <mi>
               N 
             </mi> 
             <mi>
               s 
             </mi> 
            </msub> 
            <mo>
              + 
            </mo> 
            <mfrac> 
             <mi>
               r 
             </mi> 
             <mrow> 
              <mi>
                S 
              </mi> 
              <mi>
                N 
              </mi> 
              <msub> 
               <mi>
                 R 
               </mi> 
               <mrow> 
                <mi>
                  B 
                </mi> 
                <mi>
                  S 
                </mi> 
               </mrow> 
              </msub> 
             </mrow> 
            </mfrac> 
           </mrow> 
           <mo>
             ) 
           </mo> 
          </mrow> 
          <mrow> 
           <mo>
             ( 
           </mo> 
           <mrow> 
            <mi>
              t 
            </mi> 
            <mi>
              r 
            </mi> 
            <mrow> 
             <mo>
               ( 
             </mo> 
             <mrow> 
              <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
               <mi>
                 A 
               </mi> 
               <mi>
                 K 
               </mi> 
              </mstyle> 
              <msup> 
               <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
                <mi>
                  K 
                </mi> 
               </mstyle> 
               <mrow> 
                <mi>
                  T 
                </mi> 
                <mi>
                  C 
                </mi> 
               </mrow> 
              </msup> 
              <msup> 
               <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
                <mi>
                  A 
                </mi> 
               </mstyle> 
               <mrow> 
                <mi>
                  T 
                </mi> 
                <mi>
                  C 
                </mi> 
               </mrow> 
              </msup> 
             </mrow> 
             <mo>
               ) 
             </mo> 
            </mrow> 
            <mo>
              + 
            </mo> 
            <mi>
              P 
            </mi> 
            <mi>
              r 
            </mi> 
           </mrow> 
           <mo>
             ) 
           </mo> 
          </mrow> 
         </mrow> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math>(70)</p>
   <p>where 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         R 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mi>
          m 
        </mi> 
        <mi>
          a 
        </mi> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
       </mrow> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math> is the maximum available rate, which is as same as 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        S 
      </mi> 
      <mi>
        p 
      </mi> 
      <mi>
        e 
      </mi> 
      <msub> 
       <mi>
         f 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mi>
          m 
        </mi> 
        <mi>
          a 
        </mi> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
       </mrow> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math>, 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        S 
      </mi> 
      <mi>
        p 
      </mi> 
      <mi>
        e 
      </mi> 
      <msub> 
       <mi>
         f 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mi>
          m 
        </mi> 
        <mi>
          a 
        </mi> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
       </mrow> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math> is the maximum spectral efficiency, 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         C 
       </mi> 
       <mi>
         E 
       </mi> 
      </msub> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mi>
         θ 
       </mi> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math>, and 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         C 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mi>
          u 
        </mi> 
        <mi>
          p 
        </mi> 
        <mi>
          p 
        </mi> 
        <mi>
          e 
        </mi> 
        <mi>
          r 
        </mi> 
       </mrow> 
      </msub> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mi>
         θ 
       </mi> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math> are both the upper bound of effective capacity, P is the number of incidents scattering directions, r is the rank of small-scale fading scattering matrix 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
      <mi>
        H 
      </mi> 
     </mstyle> 
    </math>, and tr() is the trace operation of matrix.</p>
   <p>Based on Equation (52) the upper bound of the maximum available rate is derived in Equation (62), considering the simplification of Lemma 2.9 in <xref ref-type="bibr" rid="scirp.136573-6">
     [6]
    </xref> <xref ref-type="bibr" rid="scirp.136573-16">
     [16]
    </xref>. The upper bound of the effective capacity is finally expressed in Equation (69). Finally, the maximum spectral efficiency or upper bound of spectral efficiency is expressed in Equation (70). The improvement of the mutual coupling effect on the performance of the 5G massive MIMO is accomplished by reducing the mutual coupling, which has now reached 87.5%, as mentioned in <xref ref-type="bibr" rid="scirp.136573-17">
     [17]
    </xref>. It is possible to improve the performance partially by calibrating the mutual coupling in the digital domain. However, the simple and effective approach is to use the techniques such as defected ground structure, parasitic or slot element, complementary split ring resonator, and decoupling networks which can overcome the mutual coupling effects by means of physical implementation <xref ref-type="bibr" rid="scirp.136573-18">
     [18]
    </xref>.</p>
  </sec><sec id="s6">
   <title>6. Numerical Simulation and Results</title>
   <p>The simulation using MATLAB program release 2021 is performed. The performance of multimedia constraints oriented massive MIMO technique is demonstrated, in terms of receive diversity gain both antenna number and antenna spacing, upper bound of spectral efficiency, maximum or upper bound of effective capacity, number of scattering directions effects, and effect of QoS (Quality of Service) statistical exponent. The program first creates a random matrix of scattering media and steering matrix, then computes the mutual coupling matrix with different antenna numbers and spacing distance. After this procedure the programs compute the equivalent channel matrix and precoding matrix. Then every program computing the desired performance, such as upper bound of effective capacity using Equation (69), maximum spectral efficiency using Equation (70), antenna spacing distance receive diversity gain using Equation (42), and antenna number receive diversity gain using Equation (41). The QoS statistical exponent effect on the effective capacity is accomplished using Equation (56) with terms of Equations (69). The reasonable minimum antenna spacing distance 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        d 
      </mi> 
      <mi>
        m 
      </mi> 
      <mi>
        i 
      </mi> 
      <mi>
        n 
      </mi> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mn>
        0.1 
      </mn> 
      <mi>
        λ 
      </mi> 
     </mrow> 
    </math>, the minimum antenna number 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        M 
      </mi> 
      <mi>
        m 
      </mi> 
      <mi>
        i 
      </mi> 
      <mi>
        n 
      </mi> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mn>
        1 
      </mn> 
     </mrow> 
    </math>, the large-scale fading coefficient 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        β 
      </mi> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mn>
        1 
      </mn> 
     </mrow> 
    </math>, the load impedance 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         Z 
       </mi> 
       <mi>
         L 
       </mi> 
      </msub> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mn>
        50 
      </mn> 
      <mtext>
          
      </mtext> 
      <mi>
        Ω 
      </mi> 
     </mrow> 
    </math> and the antenna dimension or the dipole length 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        h 
      </mi> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mn>
        0.5 
      </mn> 
      <mi>
        λ 
      </mi> 
     </mrow> 
    </math> with frame duration time 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        T 
      </mi> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mn>
        1 
      </mn> 
      <mtext>
          
      </mtext> 
      <mtext>
        msec 
      </mtext> 
     </mrow> 
    </math>.</p>
   <p>Results from these programs are summarized as follows. <xref ref-type="fig" rid="fig2">
     Figure 2
    </xref> shows the effects of the distance between two elements of the antenna array, which is measured by the ratio of the wavelength, on the real part (resistance), and imaginary part (reactance) of the mutual coupling impedance. <xref ref-type="fig" rid="fig3">
     Figure 3
    </xref> shows the effects of the distance between two elements of the antenna array, which is measured by the ratio of the wavelength, on the upper bound of the effective capacity. <xref ref-type="fig" rid="fig4">
     Figure 4
    </xref> shows the effects of the distance between two adjacent elements of the antenna array, which is measured by the ratio of the wavelength, of total elements number is equal to 900 elements with 100 independent incident directions, the number of data streams is equal to 4, and number of the antenna elements at the receiver terminal mobile is equal to two antennas, on the upper bound of spectral efficiency. From <xref ref-type="fig" rid="fig5">
     Figure 5
    </xref>. shows the affection on antenna number receives diversity gain at the receiver terminal with respect to the number of the antenna elements considering different of signal to noise ratio levels of the base station. The graph in <xref ref-type="fig" rid="fig6">
     Figure 6
    </xref> shows the effects of the Antenna spacing distance between elements on the antenna spacing distance receive gain at different signal-to-noise ratios. <xref ref-type="fig" rid="fig7">
     Figure 7
    </xref></p>
   <fig id="fig2" position="float">
    <label>Figure 2</label>
    <caption>
     <title>Figure 2. Mutual coupling impedance versus antenna spacing distance.</title>
    </caption>
    <graphic mimetype="image" position="float" xlink:type="simple" xlink:href="https://html.scirp.org/file/2650325-rId401.jpeg?20241014032209" />
   </fig>
   <fig id="fig3" position="float">
    <label>Figure 3</label>
    <caption>
     <title>Figure 3. Upper bound of effective capacity with respect to the antenna spacing distance.</title>
    </caption>
    <graphic mimetype="image" position="float" xlink:type="simple" xlink:href="https://html.scirp.org/file/2650325-rId402.jpeg?20241014032209" />
   </fig>
   <fig id="fig4" position="float">
    <label>Figure 4</label>
    <caption>
     <title>Figure 4. Upper bound of spectral efficiency with respect to the antenna spacing distance considering different signal to noise ratio level of the base station.</title>
    </caption>
    <graphic mimetype="image" position="float" xlink:type="simple" xlink:href="https://html.scirp.org/file/2650325-rId403.jpeg?20241014032209" />
   </fig>
   <fig id="fig5" position="float">
    <label>Figure 5</label>
    <caption>
     <title>Figure 5. Antenna number receive diversity gain with respect to the number of antenna elements considering different of signal to noise ratio level of the base station.</title>
    </caption>
    <graphic mimetype="image" position="float" xlink:type="simple" xlink:href="https://html.scirp.org/file/2650325-rId404.jpeg?20241014032209" />
   </fig>
   <fig id="fig6" position="float">
    <label>Figure 6</label>
    <caption>
     <title>Figure 6. Antenna spacing receives diversity gain with respect to the antenna spacing distance considering different signal to Nois ratio level of the base station.</title>
    </caption>
    <graphic mimetype="image" position="float" xlink:type="simple" xlink:href="https://html.scirp.org/file/2650325-rId405.jpeg?20241014032209" />
   </fig>
   <fig id="fig7" position="float">
    <label>Figure 7</label>
    <caption>
     <title>Figure 7. Maximum spectral efficiency versus number of independent incident direction with considering different signal to Noise ratio level of the base station.</title>
    </caption>
    <graphic mimetype="image" position="float" xlink:type="simple" xlink:href="https://html.scirp.org/file/2650325-rId406.jpeg?20241014032209" />
   </fig>
   <p>illustrates the correlation between the spectral efficiency and the number of independent incident directions. <xref ref-type="fig" rid="fig8">
     Figure 8
    </xref> illustrates the correlation between the spectral efficiency and the number of antenna elements at different signal-to-noise ratios. <xref ref-type="fig" rid="fig9">
     Figure 9
    </xref> illustrates the effects of QoS statistical exponent on the effective capacity at different signal-to-noise ratios. <xref ref-type="fig" rid="fig10">
     Figure 10
    </xref> illustrates the best performance produced when the mutual coupling reduction reaches 99% and above, which produces approximately a unity matrix of coupling. The shortcomings and degradation of spectral efficiency caused by mutual coupling in the wireless channels are compensated, and covered by refractions, reflections, and scattering from scattering media environment to appear at an acceptable value, which is known as a multiple path between transmitter and receivers. In addition to the huge number of elements of antenna array at the base station, and end-user mobile produce high traffic performance.</p>
  </sec><sec id="s7">
   <title>7. Conclusion</title>
   <p>Based on the mutual coupling effect on the mutual impedance, the effective capacity, and spectral efficiency are analyzed and plotted. Results show the mutual coupling impedance variation with respect to the spacing distance of elements,</p>
   <fig id="fig8" position="float">
    <label>Figure 8</label>
    <caption>
     <title>Figure 8. Maximum spectral efficiency versus number of antenna elements with considering various of signal to noise ratio level of the base station.</title>
    </caption>
    <graphic mimetype="image" position="float" xlink:type="simple" xlink:href="https://html.scirp.org/file/2650325-rId407.jpeg?20241014032209" />
   </fig>
   <fig id="fig9" position="float">
    <label>Figure 9</label>
    <caption>
     <title>Figure 9. Effective capacity respect to the QoS statistical exponent with considering different signal to ratio levels of the base station.</title>
    </caption>
    <graphic mimetype="image" position="float" xlink:type="simple" xlink:href="https://html.scirp.org/file/2650325-rId408.jpeg?20241014032209" />
   </fig>
   <fig id="fig10" position="float">
    <label>Figure 10</label>
    <caption>
     <title>Figure 10. The upper bound of spectral efficiency with respect to the antenna spacing distance considering different signal-to-noise ratio level of the base station and improved mutual coupling impedance.</title>
    </caption>
    <graphic mimetype="image" position="float" xlink:type="simple" xlink:href="https://html.scirp.org/file/2650325-rId409.jpeg?20241014032209" />
   </fig>
   <p>which are point to instability in the short spacing distance and kept at a small variation in effective capacity at the large spacing distance between elements. The mutual coupling effect on the maximum spectral efficiency instability on a short range of spacing distance and small dynamic variations on the large spacing distance kept at a small nonstationary on the array elements, in addition when increasing signal-to-noise ratio levels at the base station the traffic increase and variations kept at small nonstationary. The received gain is affected by the number of antenna elements of the base station, which indicates a positive correlation between the received gain and the number of antenna elements of the base station and terminal. When the number of elements at the receiver terminal increases, the received gain increases in step-up values. The received gain is not affected by mutual coupling. Results point to the positive correlation between the number of random independent incident directions with the number of elements at the base station, in addition to the number of elements at the receiver terminal, and spectral efficiency. When the QoS exponent is increased, the effective capacity will be decreased. In general, the massive MIMO mm-wave should have a high gain amplifier, which provides a higher signal-to-ratio against path loss at higher frequencies and improves traffic performance. Many techniques in the fabrication and design of antenna elements are performed to reduce the effect of mutual coupling. Improvement of the mutual coupling reached about 87%, but affection still appears. The ideal improvement is about 99%, but it is not reached today. The reduction of mutual coupling of 99% theoretically kept effective capacity, and spectral efficiency at stationary of best performance. In future work, taking into account the QoS statistical exponent constraints, a more efficient signal detection precoding algorithm enhances the results towards better performance of the multimedia massive MIMO communication systems.</p>
  </sec><sec id="s8">
   <title>Acknowledgements</title>
   <p>The work in this paper is supported by the full Professor Mohammed Elmusrati from Vassa University Finland, and the full Professor Xiaohu Ge from the School of Electronic Information and Communications at Huazhong University of Science and Technology (HUST), China.</p>
  </sec>
 </body><back>
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