苑隆寅，黎　志

(1.重慶郵電大學(xué) 移通學(xué)院,重慶 401520； 2.重慶建筑工程職業(yè)學(xué)院,重慶 400072)

多天線MIMO技術(shù)在海面通信容量應(yīng)用中的解決方案

苑隆寅1，黎志2

(1.重慶郵電大學(xué) 移通學(xué)院,重慶 401520； 2.重慶建筑工程職業(yè)學(xué)院,重慶 400072)

摘要：目前，隨著多天線陣列技術(shù)的發(fā)展，MIMO多輸入輸出系統(tǒng)已在移動通信領(lǐng)域得到深入研究及應(yīng)用，其核心是在通信系統(tǒng)的接收和發(fā)射端都利用多天線技術(shù)。但由于海面通信系統(tǒng)的風(fēng)速、海面折射反射及多徑干擾，造成海面通信系統(tǒng)在MIMO多天線陣列信道解析的誤碼率較高，降低了海面通信容量。本文在研究MIMO多天線陣列的基礎(chǔ)上，重點研究現(xiàn)有的天線分集技術(shù)，提出MIMO天線的方向?qū)Ｃ嫱ㄐ判诺廊萘康亩ㄐ杂绊懩Ｐ?，最后給出仿真結(jié)果。

關(guān)鍵詞：多徑干擾；通信系統(tǒng)容量；MIMO

0引言

隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展，通信系統(tǒng)的容量也在增大。3G無線網(wǎng)絡(luò)的最高系統(tǒng)容量為2 Mbps，到了4G已經(jīng)達(dá)到了100 Mbps，能支持實時視頻通訊及多媒體業(yè)務(wù)。而MIMO多天線陣列是在有限的頻帶中實現(xiàn)最大的傳輸容量及速率的關(guān)鍵技術(shù)之一，其對多徑信道抗干擾能力較強(qiáng)。

MIMO技術(shù)核心是在通信系統(tǒng)的接收和發(fā)射端都利用多天線陣列進(jìn)行信號的接收和發(fā)送，在同一頻帶中有多路進(jìn)行傳輸。由于其利用了多徑信道的疊加效應(yīng)，所以增加了通信系統(tǒng)容量及傳輸速率，同時接收的信噪比較低，通信質(zhì)量能夠保證。但是，由于海面通信系統(tǒng)的風(fēng)速、海面折射反射以及海面多徑干擾較為嚴(yán)重，MIMO技術(shù)在海面無線通信方面還有很大的研究空間。

本文研究了現(xiàn)有的MIMO技術(shù)模型，針對海面通信的特殊性，重點研究了MIMO系統(tǒng)的分集技術(shù)，最后提出MIMO天線的方向?qū)Ｃ嫱ㄐ湃萘康亩ㄐ杂绊懩Ｐ汀?/p>

1MIMO技術(shù)原理及模型

1.1　MIMO無線通信系統(tǒng)模型

在無線通信史上，按照信道模型及接收發(fā)射天線個數(shù)可以分為SISO，SIMO，MISO，MIMO。與前面3個系統(tǒng)相比，MIMO無論在通信系統(tǒng)容量、傳輸速率及信噪比都有了較大的提升。MIMO通信系統(tǒng)模型如圖1所示。

圖1中，假設(shè)發(fā)射天線為T1,T2，…，Tn，只要各天線之間有足夠的間距，各自天線發(fā)射信號經(jīng)過時空編碼后在無線信道傳輸是具有統(tǒng)計獨立性。在接收端，不同的接收天線接收到這些合并而成的信息流時，能夠利用多徑信道解碼恢復(fù)出各自的初始信號。同時，合并的信息流在無線信道中利用相同的頻帶進(jìn)行傳輸，所以又稱頻率復(fù)用，在沒有增加任何帶寬的同時，能夠同時傳輸多路信號，有效的增加通信系統(tǒng)的系統(tǒng)容量。

圖1　通信系統(tǒng)MIMO結(jié)構(gòu)Fig.1　The structure of MIMO communication system

1.2　MIMO通信系統(tǒng)容量

參考圖1，發(fā)射端天線為T1,T2，…，Tn，接收端天線為G1,G2，…，GM，同時假設(shè)無線信道為標(biāo)準(zhǔn)理想的Rayleigh多徑信道模型，信道的衰減系數(shù)已知。通信系統(tǒng)各天線發(fā)射端功率相等，總功率為P，則MIMO無線通信系統(tǒng)容量為：

C=log2(det[1+N>HHH])，

(1)

(2)

式中：Rr為Nr×Nr的關(guān)聯(lián)矩陣；Rt為Nt×Nt的關(guān)聯(lián)矩陣；U代表方差為1，且統(tǒng)計平均值為0的隨機(jī)獨立變量。

在無線通信系統(tǒng)中，分集接收模型是規(guī)劃入基站端，同時分集接收模型和MIMO天線陣列的極化性質(zhì)(如圓形極化﹑線性極化﹑矩形極化)以及天線方向息息相關(guān)。由于海面通信系統(tǒng)中的移動終端的環(huán)境比較復(fù)雜，且不穩(wěn)定，包括信號傳播的增益損失﹑信道衰減﹑發(fā)射和接收天線受到海面風(fēng)速干擾強(qiáng)等因素，均要求建立通信系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。MIMO無線通信系統(tǒng)的分集方式有如下3種：

1)空間分集。MIMO各天線之間有足夠的距離，達(dá)到各自發(fā)射的信息。

2)角度分集。MIMO各天線發(fā)射角度不同，達(dá)到各自發(fā)射的信息。

3)極化分集。利用發(fā)射和接收系統(tǒng)之間反射及折射介質(zhì)，達(dá)到各自發(fā)射的信息。

2MIMO系統(tǒng)極化分集天線系統(tǒng)

2.1　極化分集原理

在MIMO系統(tǒng)天線設(shè)計思想中，極化分集是其重要的一種思想。其原理是利用天線輻射信號在磁場空間的幅度及方向在時域空間的特征。若天線發(fā)射的無線電波與地平面成直角，則無線電波的極化稱為垂直極化，該MIMO系統(tǒng)天線稱為極化垂直天線；若天線發(fā)射的無線電波與地平面平行，則無線電波的極化稱為水平極化，該MIMO系統(tǒng)天線稱為極化平行天線。若無線電波的電磁場方向矢量的變化軌跡在時間軸上呈現(xiàn)橢圓，則該無線電波為橢圓極化波，其參數(shù)如圖2所示。

圖2　橢圓極化波參數(shù)圖Fig.2　The parameter of elliptically polarized wave

圖2為極化波坐標(biāo)系矢量圖。這里假設(shè)天線發(fā)射電磁波的方式矢量沿著z傳播，則此無線電波的電磁場軌跡圖映射在x-y坐標(biāo)系內(nèi)，且電磁場的幅度及方向在連續(xù)的時間軸上連接成一個連續(xù)的橢圓區(qū)域，所以稱為橢圓極化。

橢圓極化天線設(shè)計的主要指標(biāo)如下：

1)傾斜角度

如圖2所示，τ為橢圓極化的傾斜角度，定義為x軸與橢圓沿著其方向中最長的1條軸的夾角，其公式如下：

(3)

式中：E1和E2為電磁場在x-y坐標(biāo)平面的投射矢量；φ1和φ2為各自的矢量夾角。

2)軸比

軸比定義為其運行橢圓軌跡中長短軸之比，其表達(dá)式為:

(4)

3)旋轉(zhuǎn)方向

定義為無線電波E的旋轉(zhuǎn)方向，按照其波形與z軸的傳播方向分為順時針及逆時針。

2.2　雙極MIMO天線結(jié)構(gòu)

以最流行的矩形天線為模型，給出MIMO系統(tǒng)天線設(shè)計步驟如下：

1)天線尺寸及體積參數(shù)

(5)

2)天線方向選擇

設(shè)計矩形天線，其電磁波E的旋轉(zhuǎn)方向與其貼片長L有關(guān)，并且和MIMO通信系統(tǒng)諧波頻率正相關(guān)，有如下表達(dá)式：

(6)

式中：E為每個貼片單元的發(fā)射電波的幅值；s0為單元的間隔角度。

3)天線貼片基板厚度

MIMO系統(tǒng)天線主要缺點是頻帶窄，且頻帶矩陣微天線基板厚度h的增大而增加，若h<λ/16時，MIMO通信系統(tǒng)的頻帶寬度為：

BW(MHz)=5.04 f2h。

(7)

圖3為雙極化MIMO天線結(jié)構(gòu)圖。

圖3　雙極化MIMO天線結(jié)構(gòu)圖Fig.3　Structure diagram of MIMO dual polarized antenna

3海面通信系統(tǒng)MIMO天線設(shè)計

3.1　海面通信系統(tǒng)天線與多徑衰落

在海上通信系統(tǒng)中，由于風(fēng)速、無線電波的折射反射以及海面多徑衰落等特性，MIMO接收系統(tǒng)最終的信噪比較高，通信系統(tǒng)容量變小。本文給出在海面通信系統(tǒng)中，天線極化波形及方向選擇對系統(tǒng)容量的影響。

圖4為極化波為圓形、矩形的天線陣列與無線電波的結(jié)構(gòu)圖。假設(shè)發(fā)射天線之間的距離很小，并且發(fā)射的信號幅值相等，各信號之間不相關(guān)聯(lián)，假設(shè)發(fā)射天線個數(shù)為N，天線之間距離為d，θ和φ分別為無線電波的水平夾角及垂直夾角。

圖4　圓形及矩形極化模型Fig.4　The model of circular and rectangular polarization

圖4中，圓形陣列天線的接收信號矢量為：

a(θ,φ)CUA=[ejσcos(φ-φ0),ejσcos(φ-φ1)…

(8)

式中：φi=2πi/N,i=0,1,2,…N-1， 為第i個天線的傾斜角度；ζ=kwrsin(θ)，kw為無線電波波束。

矩形陣列天線的接收信號矢量為如下公式：

[1,ejv,,ej(P-1)v,eju,ej(u + v),…,

ej[u + (P-1)v],…,ej(N-1)u,…,ej[(N-1)u + (P-1)v]。

(9)

假設(shè)dx=dy=d，則

aN(u)CRA=[1,eju,…,ej[N-1]u]T,u=kwdxcosφsinθ，

(10)

aP(v)=[1,ejv,…,ej[N-1]v]T,u=kwdysinφsinθ，

(11)

根據(jù)式(7)~式(9)及式(10)，圓型及矩陣型陣列天線相鄰之間的SFC為：

(12)

式中，E為天線陣列無線電波磁場的累積和；p(φ,θ)為信號噪聲的隨機(jī)功率譜，并且式(12)假設(shè)無線電波的水平及垂直入射角相等，用Δφ,Δθ表示。

3.2　仿真實驗

假設(shè)海上通信系統(tǒng)MIMO天線發(fā)生信號信噪比為20 db，各方向系數(shù)與系統(tǒng)通信容量存在相關(guān)性，天線方向如下：

(13)

式中前2個參數(shù)分別為直角天線、偶極天線的方向，第3個參數(shù)為理論方向假設(shè)，分別代表3種不同的方向坐標(biāo)，在海面通信系統(tǒng)中，方向性逐漸增強(qiáng)。圖5給出初始角度θ0=45°,φ0=45°通信系統(tǒng)容量曲線圖。

圖5為海面通信系統(tǒng)的圓形天線陣列及矩形天線陣列在3種不同方向的通信容量曲線圖，可對MIMO天線在海面通信系統(tǒng)中的設(shè)計啟動很好的指導(dǎo)作用。

圖5　MIMO天線不同方向的容量曲線Fig.5　Capacity curves of different orientations of antenna

4結(jié)語

本文研究了現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)中熱門的MIMO多天線陣列技術(shù)，重點分析了橢圓極化天線陣列和矩形極化天線陣列中的參數(shù)設(shè)計。針對海面通信系統(tǒng)的風(fēng)速、海面折射反射以及海面多徑干擾，分析了MIMO多天線陣列與海面多徑干擾的影響。最后，給出了海面通信系統(tǒng)的圓形天線陣列及矩形天線陣列在直角﹑偶極子以及sin3(θ)3個方向下，天線間距與波長的不同比例與通信容量的曲線，對MIMO多天線在海面通信中的設(shè)計有很好的指導(dǎo)作用。

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The solution of MIMO technology in the application of sea communications capacity

YUAN Long-yin,LI Zhi

(1.College of Mobile Telecommunications,Chongqing University of Posts and Telecom,

Chongqing 401520,China; 2.Chongqing Jianzhu College,Chongqing 400072,China)

Abstract：With the development of multiple-antenna array technology, MIMO communication system has been applied in the field of mobile communications. As the sea surface multiple-path interference, cause the higher bit error rate on communication system. This paper research the polarization mode of MIMO antenna, presents communication channel capacity model difference with the antenna in different directions.

Key words：multipath interference; the capacity of communication system; MIMO

作者簡介：苑隆寅( 1973 - ) ，男，講師，研究方向為信息資源管理及管理信息系統(tǒng)。

收稿日期：2014-07-16； 修回日期： 2014-08-19

文章編號：1672-7649(2015)02-0220-04

doi：10.3404/j.issn.1672-7649.2015.02.050

中圖分類號：TN820;TN919.3

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A