短波多輸入多輸出技術和原型系統(tǒng)設計?

王玉玨 帥永旻 李曉勇

（1.海軍研究院 北京 100036）（2.中國船舶重工集團公司第七二二研究所 武漢 430203）

1 引言

短波作為人類最早開發(fā)和利用的無線通信方式仍然受到全球的普遍重視，相比于衛(wèi)星通信技術，無線電短波通信設備具有成本低、便攜性強、操作簡單、靈活的優(yōu)勢。在軍事領域，衛(wèi)星一旦被摧毀，整個衛(wèi)星通信系統(tǒng)就會癱瘓，這已經(jīng)成為信息戰(zhàn)中一個嚴重的問題，而短波具有天然的不易被摧毀的中繼系統(tǒng)——電離層［1］，決定其是唯一不受網(wǎng)絡樞紐和中繼制約的遠程通信手段，抗打擊能力和自主通信能力超出其他通信方式，短波通信已成為衛(wèi)星通信的必要補充。但是，短波通信存在可供使用的頻段窄，通信容量小，信號傳輸穩(wěn)定性差等缺點，達不到當今高速、穩(wěn)定的通信要求，限制了短波通信的發(fā)展，因此，各研究機構都在努力研究新的技術，克服短波通信的弱點，提升它的可靠性。

20世紀90年代，美國AT&TBell實驗室的學者提出了多輸入輸出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）技術，在微波波段測試成功，MIMO技術在很大程度上改善了通信的性能。短波多輸入輸出（MIMO）通信系統(tǒng)，通過增加發(fā)射天線和接收天線來增加空間資源利用率，在不增加頻譜資源和天線資源的情況下，可以成倍地提高數(shù)據(jù)傳輸速度和用戶數(shù)量。

近幾年，研究人員將MIMO技術應用于短波波段，不僅為了提高數(shù)據(jù)傳輸速率，而且，希望借助于MIMO技術，在發(fā)射功率增量要求不高的前提下，能降低收發(fā)兩端無線連接失敗的概率，提升短波通信的質量。

MIMO技術主要包括天線技術、空時編碼、信道估計、同步、均衡等關鍵技術［2］，我們分析和歸納了短波MIMO關鍵技術和發(fā)展趨勢，基于軟件無線電平臺USRP和開源軟件工具包GNU Radios設計了短波MIMO原型系統(tǒng)，初步實驗表明，短波MIMO能達到提高短波通信可靠性、穩(wěn)定性和容量的要求。

2 短波MIMO基本原理

MIMO技術是在發(fā)射端和接收端分別使用多根發(fā)射天線和接收天線，與傳統(tǒng)信號處理方式的不同之處在于其同時從時間和空間兩個方面研究信號的處理問題，從而能夠在不增加帶寬與發(fā)射功率的前提下，提高系統(tǒng)的信道容量、減少誤比特率、改善無線信號的傳送質量。將MIMO技術用于短波通信中，能夠在不增加頻譜資源的情況下，提高短波通信的速率，并降低收發(fā)兩端無線連接失敗的概率，提升無線通信的質量，促進短波技術的發(fā)展。

2.1 MIMO技術的基本原理

MIMO技術有兩個核心的思想，即空間分集技術和空分復用技術，前者可以解決可靠性問題，后者用來解決容量問題。空間分集技術的主要思想是在發(fā)射端對數(shù)據(jù)進行聯(lián)合編碼以減小信道衰落和噪聲導致的符號錯誤率，通過在發(fā)射端的空時編碼增加信號的冗余度，從而使信號在接收端獲得最大的編碼增益和分集增益。空間復用技術是在不同的天線上，以相同的頻段同時傳輸不同的數(shù)據(jù)流。由于在不同的天線上發(fā)送的信息不同，因此頻譜的利用率非常高，從而真正體現(xiàn)了MIMO系統(tǒng)容量提高的本質。1998年，由美國Bell實驗室提出的V-BLAST（Vertical-Bell Labs Layered Architecture of Space Time）空時分層結構［3］，成為這一技術的主要代表。

假設一個MIMO系統(tǒng)有Nt根發(fā)射天線和Nr根接收天線，其信道矩陣可以表示為

其中，H代表了信道矩陣，其元素hi，j代表了第i根發(fā)射天線和第j根接收天線之間的路徑衰落系數(shù)。通過矩陣SVD分解［4］，我們可以將MIMO信道等效為k個平行SISO子信道，整個MIMO信道的信道容量等于各子信道的信道容量之和，而每個子信道的信道容量可以由香農(nóng)公式給出。假設發(fā)射端功率為P平均分配給每根發(fā)射天線，則每根發(fā)射天線的功率為，接收到的功率為，令噪聲功率為σ2，可以得到MIMO信道容量為

如果發(fā)射端能夠獲取信道狀態(tài)信息（CSI），就可以通過一定的預處理方式（如注水法）對各個數(shù)據(jù)流加載的功率、速率乃至發(fā)射方向等進行優(yōu)化，從而獲得更好的性能。

由MIMO信道容量的公式可知，要使MIMO系統(tǒng)獲得足夠大的信道容量，關鍵是增大信道矩陣H的秩，從而使MIMO信道可以等效為更多的平行子信道，而實現(xiàn)的前提是各天線間低相關性和充分散射的信道環(huán)境［5］。

2.2 短波MIMO

相比于微波波段，將MIMO技術應用于短波頻段，面臨著一些特殊挑戰(zhàn)，除了空時編碼、空間分集、信道估計、同步、信道均衡等MIMO傳統(tǒng)的關鍵技術外，短波MIMO天線構造是實現(xiàn)短波MIMO的首要關鍵技術之一。MIMO依賴發(fā)射天線組和接收天線組組成的收發(fā)天線對之間不同傳播路徑彼此間的有限相關性，來提高信道容量，如果MIMO天線采用線陣模式，發(fā)射天線組和接收天線組各自內部的天線間隔需要保持足夠的距離，才能保證衰落對每條收發(fā)天線對之間的通路是相對獨立的，因此，線陣中，MIMO天線陣中兩個天線直線距離是波長的一半。MIMO線陣天線模式對高頻段的通信是合適的，但對于短波波段，則存在很大問題，因為短波波長值的范圍是：10m～100m，部署短波MIMO線陣，需要更大的空間，對大范圍發(fā)射和接收天線線陣的同步，提出可更高要求。在微波等波段有著良好表現(xiàn)的MIMO線陣天線，不適合短波波段，必須采用新的天線陣模式，這種新模式下的短波MIMO通信關鍵技術的研究也隨即展開［6］。

3 共址異構短波MIMO天線技術

針對線陣模式下構建短波MIMO面臨的問題，研究利用不同的極化方式，在同一位置，產(chǎn)生具有電波空間傳播差異性的天線陣，即采用共址異構天線的模式構建短波MIMO天線。英國Warrington教授領導的團隊在相距255km的Durham、Bruntinghorpe兩地進行大量的通信實驗，并比較L型單極陣列天線，交叉倒V天線、環(huán)形共址異構天線、Giselle共址異構天線（如圖1所示）等不同天線陣列的相關系數(shù)和信道容量。實驗結果證實了HF MIMO在采用線性天線陣列時的可行性，但使用該天線陣列時需要有足夠大的間隔來獲得天線之間可接受的低相關性，而采用共址異構天線陣列時，不僅能夠減小天線間隔，還能獲得相較于線性天線陣列更好的信道容量［7］。

圖1 文獻［7］中接收端使用的Giselle共址異構天線

在線性極化的基礎上，法國學者YvonErhel教授提出了圓型極化MIMO天線陣的設計方案［8］，通過調整水平和垂直極化的幅度和相位，產(chǎn)生差異性圓型極化方式，實現(xiàn)短波MIMO發(fā)射和接收天線陣，如圖2所示。由于做到圓型極化方式對于水平和垂直極化的幅度和相位的同步要求較高，更多的是通過產(chǎn)生差異性橢圓極化方式，產(chǎn)生短波MIMO共址異構天線陣。通過測試相距280km的短波MIMO信號傳輸特性，收集大量數(shù)據(jù)估計MIMO信道，通過對具有低相關性的4個通道的傳輸函數(shù)的估計，圓型極化MIMO天線陣被證明是有效的。實驗數(shù)據(jù)顯示，2x2MIMO提供的各態(tài)歷經(jīng)的信道增益相比于SISO系統(tǒng)達到1.82，實際數(shù)據(jù)傳輸速率28.5kb/s（3KHz帶寬），明顯超過當前常規(guī)短波通信能力。

4 基于USRP的短波MIMO通信系統(tǒng)

軟件無線電［9～10］（Software Defined Radio，SDR）以軟件定義的無線通信協(xié)議為基礎，可通過下載軟件來實現(xiàn)各種通信算法功能，而不用更換硬件，是一種利用硬件電路和軟件相結合來實現(xiàn)新型通信的無線通信技術。目前主流的SDR硬件平臺有三種［11］，分別是HackRF，bladeRF，USRP。但HackRF的 支 持 頻 段 為 30MHz～6GHz，bladeRF 頻 段 為300MHz～3.8GHz，均未覆蓋到短波頻段，且均不支持MIMO，而USRP可通過更換不同的子板實現(xiàn)DC-6GHz的頻段覆蓋，并最多可支持8天線MIMO。故本文選用USRP［12］做SDR硬件平臺。USRP相對應的SDR軟件平臺則選擇與USRP適配良好的開源軟件無線電GNURadio。

圖2 文獻［8］中2x2短波MIMO結構圖

本文使用USRP N210作為母板來搭建短波MIMO實驗系統(tǒng)，其主要特性：①50 MHz的瞬時射頻帶寬；②千兆級以太網(wǎng)連接；③MIMO電纜連接-基于每臺USRPN210上只有單路收發(fā)鏈路，MIMO的構建必須由兩臺或兩臺以上USRPN210來構建；④板上的FPGA處理；⑤FPGA：Xilinx Spartan XC3SD3400A；⑥ADCs：14-位 100 MS/s；⑦DACs：16-位400 MS/s；⑧能夠鎖定一個外部5或10 MHz的參考時鐘；⑨TCXO時鐘參考；⑩可選的內部GPS伺服時鐘-USRPN200 GPSDO。本文使用的子板型號為LFTX和LFRX，能用于直流至32MHz頻段信號的發(fā)射和接收。

4.1 修改USRP設備IP地址

要搭建MIMO系統(tǒng)需要同時使用多臺USRP設備，由于USRP設備的IP地址默認都是192.168.10.2，要區(qū)分開多臺USRP設備，就必須先要修改USRP的IP地址讓各個設備的IP地址不同。

1）打開終端，使用“uhd_find_devices”指令，查看USRP設備的IP地址，默認設備IP地址為192.168.10.2。

2）在終端輸入如下指令，將USRPN210的IP地址改為192.168.10.3：

cd/home/yxs/uhd-source 003.0010.003-release/utils

sudo ./usrp2_ recovery.py--ifc =eth0--new-ip=192.168.10.3

3）在終端中再次輸入“uhd_find_devices”指令，查看USRPN210的IP地址，驗證是否修改成功。

4.2 配置USRPN210設備同步

對于搭建MIMO通信系統(tǒng)，多臺USRP設備間的同步問題也需要解決。目前的USRP設備同步有如下解決方案［13］：

1）外接10MHz和1 PPS信號：多臺USRP設備可以通過外接時鐘源OctoClock解決多通道的同步問題。OctoClock集成了8路時鐘源（8路10MHz本振和8路1 PPS）可為多個USRP設備提供同頻同相的信號。

2）GPS-disciplined振蕩器：對于較大地理區(qū)域內的USRP同步問題，可以通過這個振蕩器將所有的USRP與標準的GPS信號進行同步。

3）MIMO Cable：對于USRPN210，可通過使用一根MIMOCable連接兩臺USRP設備來實現(xiàn)同步。

本文選擇了第三種方法，使用MIMOCable線將兩臺USRPN210相連。

本文搭建的短波MIMO實驗系統(tǒng)結構圖如圖3所示。

圖3 短波MIMO實驗系統(tǒng)結構圖

4.3 短波MIMO發(fā)射端

短波MIMO系統(tǒng)的發(fā)送端實驗流圖如圖4所示。首先Vector Source矢量源模塊將向量“1，0，0，1”作為信源端碼元信息重復輸出，之后用GMSK Mod模塊調制。GMSK Mod為一個組合模塊由bytes_to_syms模塊（用于將0，1數(shù)據(jù)轉換為+1，-1的形式）、gaussian模塊（高斯濾波）、frequency_modulator_fc模塊（進行FM調制）組成。GMSK數(shù)字調制后可經(jīng)Multiply Const模塊對信號進行放大，由于系統(tǒng)應用在短波頻段，USRP N210母板DAC帶寬為400M，所以UHD：USRPSink模塊不需要模擬上變頻而是直接將兩路中心頻率為30MHz和20MHz的射頻信號，由不同IP地址的2臺USRPN210的2塊LFTX子板通過天線發(fā)射出去。具體模塊和其參數(shù)設置見表1。

圖4 短波MIMO系統(tǒng)發(fā)射端實驗流圖

4.4 短波MIMO接收端

短波MIMO系統(tǒng)的接收端實驗流圖如圖5所示。接收端首先用UHD：USRPSource模塊通過2臺USRPN210的2塊LFRX子板接收中心頻率分別為30MHz和20MHz的兩路射頻信號，USRPN210的ADC帶寬為100M，所以不需要模擬下變頻直接ADC采樣，采樣信號可經(jīng)Multiply Const模塊調節(jié)到原來的幅度大小。之后再用GMSK Demod模塊對信號進行解調，還原出發(fā)送的碼元信息。其中GMSK Demod模塊由quadrature_demod_cf模塊（進行FM解調）、clock_recovery_mm_ff模塊（進行定時恢復）、binary_slicer_fb模塊（進行符號判決）組成。最后用Char To Float模塊轉換數(shù)據(jù)類型讓WX GUI Scope Sink模塊讀取顯示。具體模塊參數(shù)設置見表2。

圖5 短波MIMO系統(tǒng)接收端實驗流圖

表1 短波MIMO系統(tǒng)接收端模塊功能說明

表2 短波MIMO系統(tǒng)接收端模塊功能說明

4.5 接收端結果

圖6 短波MIMO系統(tǒng)接收端結果

圖6 中上方是頻點30MHz的解調得到的信號，下方則是頻點20MHz的解調得到的信號，從圖中可以讀出兩路接收信號均為“1，0，0，1”的循環(huán)。接收信號與圖4發(fā)射端流圖中發(fā)射端矢量源序列一致。證明搭建的基本短波MIMO系統(tǒng)是成功的。

5 結語

短波MIMO技術能夠很好地解決短波SISO傳統(tǒng)模式所遇到的問題，推動了短波通信在各領域的應用，將受到研究人員的重視。目前，短波MIMO技術研究仍然處于初級階段，已有的實驗研究證明，電離層能夠提供豐富的散射環(huán)境，使得短波通信具備了應用MIMO技術的前提，同時，共址異構天線陣列的提出解決了短波波段天線間隔過大不利于部署的問題，短波MIMO信道容量相對于SISO模式已有提升，而誤碼率也得到降低。本文利用GNU Radio和USRP相結合的方式，搭建了短波MIMO實驗系統(tǒng)，設計了短波MIMO功能模塊流圖，對構建的短波MIMO實驗系統(tǒng)進行了通信測試，測試結果表明，本文開發(fā)的實驗系統(tǒng)實現(xiàn)了基本的短波MIMO通信，為進一步研究短波MIMO通信系統(tǒng)技術，提供了基礎實驗系統(tǒng)。