The ever-growing demand for higher wireless data rates has driven the exploration of novel methods to harness spatial degrees of freedom in multiple input multiple output (MIMO) systems. This thesis investigates the potential of both fixed and movable antenna arrays in line-of-sight (LoS) and multipath rich environments to optimize spatial multiplexing performance in narrowband and wideband settings.

First, fixed dual-polarized planar antenna arrays are considered, and their spatial configuration is optimized to maximize the MIMO channel rank and condition number. Through careful optimization of antenna spacing, it is shown that the MIMO rank can grow quadratically with the carrier frequency, enabling data rates well beyond 1 Tbps. Analytical and numerical results confirm that strategically designed sparse arrays can deliver superior spectral efficiency, even within physically compact apertures.

Building on this, arrays of movable antenna (MA) are examined for their ability to dynamically adapt antenna positions to changing channel conditions. While theoretically powerful, real time optimization of MA systems is computationally intensive and practically challenging. To address this, a pre-optimized irregular array (PIA) design is introduced, where antenna positions are fixed based on statistical knowledge of the coverage area. Using particle swarm optimization, PIAs are shown to achieve performance close to that of fully dynamic MA systems, without the need for real-time repositioning.

Finally, MA systems are analyzed in wideband MIMO scenarios, where hardware impairments and multipath richness present additional challenges. A novel wideband system model is developed that incorporates hardware non-idealities, and antenna positions are optimized to maximize the average sum rate across subcarriers. Results reveal that the performance benefits of MA systems over fixed arrays are highly dependent on factors such as transceiver quality, channel richness, and the number of subcarriers.

Overall, this work presents a unified exploration of spatial array design, spanning from optimized fixed geometries to adaptive movable configurations in both narrowband and wideband systems. The insights gained offer practical guidelines for deploying next generation high capacity MIMO communication networks.

Den ständigt växande efterfrågan på högre datahastigheter i trådlösa system har drivit på utforskandet av nya metoder för att utnyttja rumsliga frihetsgrader i MIMO-system (multiple-input multiple-output). Denna avhandling undersöker potentialen hos både fasta och rörliga gruppantenner, i såväl fri siktlinje (LOS) som flervägsrika miljöer, för att optimera prestandan för rumslig multiplexing i smalbandiga och bredbandiga system.

Först beaktas fasta, dubbelpolariserade, plana gruppantenner, och deras rumsliga konfiguration optimeras för att maximera MIMO-kanalmatrisens rang och konditionstal. Genom noggrann optimering av antennavstånden visas det att MIMO-rangen kan växa kvadratiskt med bärfrekvensen, vilket möjliggör datahastigheter långt över 1 Tbps. Analytiska och numeriska resultat bekräftar att strategiskt utformade glesa gruppantenner kan leverera överlägsen spektraleffektivitet, även när den fysiska ytan är begränsad.

Baserat på detta undersöks därefter gruppantenner bestående av rörliga antenner (MA, movable antennas) som har förmågan att dynamiskt anpassa antennpositionerna till förändrade kanalförhållanden. Även om de är teoretiskt kraftfulla, är realtidsoptimering av MA-system beräkningsintensivt och praktiskt utmanande. För att hantera detta introduceras en föroptimerad PIA-design (pre-optimized irregular array, föroptimerad oregelbunden gruppantenn), där antennpositionerna är fasta och förutbestämda baserat på statistisk kunskap om täckningsområdet för mobilmasten. Med hjälp av partikelsvärmoptimering visas att PIA-designen uppnår prestanda nära den för helt dynamiska MA-system, utan behov av realtidsoptimering av antennpositionerna.

Slutligen analyseras MA-system i bredbandiga MIMO-scenarier, där hårdvarubegränsningar och flervägsutbredning skapar ytterligare utmaningar. En ny bredbandig systemmodell härleds som inkluderar hårvarudistorsion, och antennpositionerna optimeras för att maximera den genomsnittliga datahastigheten över alla underbärvågor. Resultaten visar att de relativa prestandafördelarna med MA-system jämfört med fasta gruppantenner är starkt beroende av faktorer som sändarhårdvarans kvalitet, kanalens fädningsrikedom och antalet mängden bandbredd.

Sammantaget presenterar denna avhandling en bred utforskning av antenngruppdesign som sträcker sig från optimerade fasta geometrier till adaptiva rörliga antennkonfigurationer i både smalbandiga och bredbandiga system. De insikter som erhållits ger praktiska riktlinjer för att utformningen av nästa generations MIMO-kommunikationsnätverk med hög kapacitet.