多天線MIMO技術在海面通信容量應用中的解決方案

苑隆寅，黎　志

(1.重慶郵電大學 移通學院,重慶 401520； 2.重慶建筑工程職業學院,重慶 400072)

多天線MIMO技術在海面通信容量應用中的解決方案

苑隆寅1，黎志2

(1.重慶郵電大學 移通學院,重慶 401520； 2.重慶建筑工程職業學院,重慶 400072)

摘要：目前，隨著多天線陣列技術的發展，MIMO多輸入輸出系統已在移動通信領域得到深入研究及應用，其核心是在通信系統的接收和發射端都利用多天線技術。但由于海面通信系統的風速、海面折射反射及多徑干擾，造成海面通信系統在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多天線陣列的基礎上，重點研究現有的天線分集技術，提出MIMO天線的方向對海面通信信道容量的定性影響模型，最后給出仿真結果。

關鍵詞：多徑干擾；通信系統容量；MIMO

0引言

隨著通信技術的不斷發展，通信系統的容量也在增大。3G無線網絡的最高系統容量為2 Mbps，到了4G已經達到了100 Mbps，能支持實時視頻通訊及多媒體業務。而MIMO多天線陣列是在有限的頻帶中實現最大的傳輸容量及速率的關鍵技術之一，其對多徑信道抗干擾能力較強。

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

本文研究了現有的MIMO技術模型，針對海面通信的特殊性，重點研究了MIMO系統的分集技術，最后提出MIMO天線的方向對海面通信容量的定性影響模型。

1MIMO技術原理及模型

1.1　MIMO無線通信系統模型

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

圖1中，假設發射天線為T1,T2，…，Tn，只要各天線之間有足夠的間距，各自天線發射信號經過時空編碼后在無線信道傳輸是具有統計獨立性。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行傳輸，所以又稱頻率復用，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的系統容量。

圖1　通信系統MIMO結構Fig.1　The structure of MIMO communication system

1.2　MIMO通信系統容量

參考圖1，發射端天線為T1,T2，…，Tn，接收端天線為G1,G2，…，GM，同時假設無線信道為標準理想的Rayleigh多徑信道模型，信道的衰減系數已知。通信系統各天線發射端功率相等，總功率為P，則MIMO無線通信系統容量為：

C=log2(det[1+N>HHH])，

(1)

(2)

式中：Rr為Nr×Nr的關聯矩陣；Rt為Nt×Nt的關聯矩陣；U代表方差為1，且統計平均值為0的隨機獨立變量。

在無線通信系統中，分集接收模型是規劃入基站端，同時分集接收模型和MIMO天線陣列的極化性質(如圓形極化﹑線性極化﹑矩形極化)以及天線方向息息相關。由于海面通信系統中的移動終端的環境比較復雜，且不穩定，包括信號傳播的增益損失﹑信道衰減﹑發射和接收天線受到海面風速干擾強等因素，均要求建立通信系統的數學模型。MIMO無線通信系統的分集方式有如下3種：

1)空間分集。MIMO各天線之間有足夠的距離，達到各自發射的信息。

2)角度分集。MIMO各天線發射角度不同，達到各自發射的信息。

3)極化分集。利用發射和接收系統之間反射及折射介質，達到各自發射的信息。

2MIMO系統極化分集天線系統

2.1　極化分集原理

在MIMO系統天線設計思想中，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系統天線稱為極化垂直天線；若天線發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橢圓，則該無線電波為橢圓極化波，其參數如圖2所示。

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

圖2為極化波坐標系矢量圖。這里假設天線發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坐標系內，且電磁場的幅度及方向在連續的時間軸上連接成一個連續的橢圓區域，所以稱為橢圓極化。

橢圓極化天線設計的主要指標如下：

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，其表達式為:

(4)

3)旋轉方向

定義為無線電波E的旋轉方向，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天線結構

以最流行的矩形天線為模型，給出MIMO系統天線設計步驟如下：

1)天線尺寸及體積參數

(5)

2)天線方向選擇

設計矩形天線，其電磁波E的旋轉方向與其貼片長L有關，并且和MIMO通信系統諧波頻率正相關，有如下表達式：

(6)

式中：E為每個貼片單元的發射電波的幅值；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通信系統的頻帶寬度為：

BW(MHz)=5.04 f2h。

(7)

圖3為雙極化MIMO天線結構圖。

圖3　雙極化MIMO天線結構圖Fig.3　Structure diagram of MIMO dual polarized antenna

3海面通信系統MIMO天線設計

3.1　海面通信系統天線與多徑衰落

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

圖4為極化波為圓形、矩形的天線陣列與無線電波的結構圖。假設發射天線之間的距離很小，并且發射的信號幅值相等，各信號之間不相關聯，假設發射天線個數為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)為信號噪聲的隨機功率譜，并且式(12)假設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

假設海上通信系統MIMO天線發生信號信噪比為20 db，各方向系數與系統通信容量存在相關性，天線方向如下：

(13)

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

圖5為海面通信系統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中的設計啟動很好的指導作用。

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

4結語

本文研究了現代無線通信系統中熱門的MIMO多天線陣列技術，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設計。針對海面通信系統的風速、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計有很好的指導作用。

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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。

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

文獻標識碼：A