短波MIMO通信的研究进展✴

关建新，高俊，叶晓慧

（海军工程大学通信工程系，武汉430033）

短波MIMO通信的研究进展✴

关建新，高俊，叶晓慧

（海军工程大学通信工程系，武汉430033）

短波通信中的天波传播信道因为多径和多模式传播而具有充分散射的特征，因而非常适合多输入多输出技术的应用。总结了短波多输入多输出技术通信的研究现状，归纳并分析了短波多输入多输出技术本身以及间隔式同构天线阵和同位置异构天线阵在短波多输入多输出通信中应用的可行性，并指出了需要进一步解决的问题。

短波通信；多输入多输出；可行性分析；间隔式同构天线阵；同位置异构天线阵

1 引言

短波通信是指频率范围为1.5～30MHz的无线电通信，也称高频通信（High Frequency，HF）。短波通信具有地波传播和天波传播（即电离层反射传播）两种方式。在实际中因主要用于远距离通信，因此以天波传播为主。由于短波通信无需基础设施，架设灵活，性价比高，尤其是其传输介质——电离层的强抗毁性，使得其在远距离军事通信中一直占据着重要地位，是一种优先而经济的远程通信手段。除了军事应用之外，短波通信目前还被广泛应用于广播、气象、商业、外交以及政府等各部门，用以传递语音、文字、图像和数据等信息。

长期以来，短波通信的性能一直受限于窄带、时变的信道特性，导致通信可靠性差，数据传输速率不高。虽经现代技术（如自适应选频技术、高速调制解调技术等）改进，短波通信的可靠性和数据传输速率都有所提高，但是数据传输速率仍然极为有限，限制了许多业务的应用，迫切需要采用通信领域的最新技术来提高短波通信的性能。

多输入多输出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）技术能够在不增加系统信道带宽和总发射功率的前提下极大地提高系统的容量和改善系统的误码率性能［1-3］，有望用于短波通信中以提高数据传输速率和改善系统性能。然而目前关于MIMO技术的研究主要集中于提供短距无线通信的VHF、UHF和SHF频段，虽已取得了许多理论成果，但MIMO技术在HF频段的应用研究还十分有限，并且所有频段内都还没有实用性的系统问世。基于此，本文对MIMO技术在HF频段内为数不多的应用研究情况进行了全面梳理，总结了目前已取得的研究成果，分析了有待进一步研究的问题，以期引起广大研究者的关注，共同推进短波MIMO技术的实用化，提高短波通信的数据传输速率和性能。

2 M IMO技术基础

MIMO技术最早由Marconi于1908年提出，但对该技术产生巨大推动作用的奠基工作是由AT＆T Bell实验室的学者在20世纪90年代完成的。MIMO通信技术利用多根发射天线和多根接收天线进行无线传输并抑制信道衰落，从而可以改善每个用户的通信质量（如差错率）或提高通信效率（如数据速率）。MIMO技术实质上为系统提供了空间复用增益和空间分集增益，其中空间复用可以大大提高信道容量，而空间分集则可以提高信道的可靠性。通常，多径要引起衰落，因而在一般通信系统中被视为有害因素，然而对于MIMO系统来说，多径却被作为一个有利因素加以利用，MIMO技术的关键是能够将传统通信系统中存在的多径衰落影响因素变成对用户通信性能有利的增强因素，并有效地利用随机衰落和可能存在的多径传播来成倍地提高业务传输速率，因此它能够在不增加所占用的信号带宽的前提下使无线通信的性能改善几个数量级。

对于发射天线数目为M、接收天线数目为N的MIMO系统而言，其瞬时系统容量（单位：bit／s·Hz-1）可表示为［2，3］

式中，Es为总的发射功率，N0为每个接收天线上的噪声功率，H为从接收天线到发射天线的信道传输函数矩阵，Rss为发射矢量相关矩阵，（）H为矩阵的共轭转置。

当发射端没有信道状态信息的相关知识时，则发射矢量是统计独立的，即Rss=IM，意味着功率在所有天线上平均分配，此时容量（单位：bit／s·Hz-1）变为

式中，λi为矩阵HHH的特征值，λi=s2i。通过式（3）我们可以看出，MIMO系统的容量可以看作r个单输入单输出子信道的容量之和。

当发射端通过反馈信道或者其它方式知道了信道状态信息后，则可以通过比如注水法（Water-filling）［4］的一些方法来进行预编码。注水法可以使得不同天线分配到不同的功率，从而使得系统容量得到提高。其核心思想是：信道条件好的子信道则分配到更多的功率；反之，信道条件不好的则分到相对少的功率。通过这样一些预编码技术，就可以提高MIMO系统的信道容量或者增进系统的传输质量。如果发射端知道了所有的信道状态信息，就可以将系统的信道容量最大化，或者将系统的传输质量最好化。

显然，对于在收发两端采用多个天线构成MIMO结构以期获得容量增益的系统来说，最重要的是使信道矩阵H的秩r尽可能地大，从而可以获得足够多的并行子信道，最终获得高的容量增益。为了满足这一前提条件，要求MIMO技术应用在具有充分散射信道的环境中，例如移动通信、无线局域网等场合。这些应用所对应的频段也主要集中于频率较高的VHF、UHF及SHF频段，电波的传播方式主要有直射、反射、衍射和散射等，收发双方处于一个充分多径和充分散射的环境。另外，由于这些频段所使用的天线较小，MIMO方式比较容易实现，也比较容易产生充分散射。

短波频段的情况与上述较高频段的应用场合有很大不同。短波波长较长（10～200m），天线尺寸很大，要想发射端和接收端各个天线之间的相关程度足够低，阵元之间必须留有足够的间隔。由于短波信号通过电离层反射传播到视距之外，其所经过的路径可能经过一次或者多次反射，反射层也可能是电离层中的E层或（和）F层。另外，由于地球磁场的存在，每个入射的电磁波被分裂成寻常波和非寻常波两种成分的电磁分量，这两种分量经过不同的路径穿过电离层，达到接收端时将形成椭圆极化波。一般而言，短波通信中发射机和接收机之间的实际多径信道数目取决于短波链路的几何学、工作频率、每天中的时间、季节、地磁活动以及太阳黑子数等诸多因素。但总的看来，经过电离层反射的路径因为时变的多径和多模式传播而具有广泛衰落的特点，这使得在HF频段应用MIMO技术具有了潜在的可行性。所幸已有研究人员做了开创性的工作，为我们打开了了解短波MIMO通信的一扇窗。下面详细介绍短波MIMO通信方面的最新研究进展以及尚需解决的问题。

3 短波M IMO通信的可行性研究进展

3.1 国内研究现状

基于短波电离层信道因多径和多模式传播而具有广泛衰落的特性，清华大学的Xu［5］等于2004年最早提出了采用MIMO技术来提高短波通信可靠性的思想，其2发2收的STBC方案结合OFDM可在CCIR差信道条件下获得约20 dB的信噪比增益。这是MIMO技术应用于HF频段的最初文献，存在的主要问题是信道条件太过理想，未考虑实际的天线、信道相关及时变等问题，因而对实际应用参考意义不大。

国内最早对短波MIMO通信进行研究的是电子科技大学通信抗干扰技术国家重点实验室的李少谦、唐万斌研究团队，他们所指导的研究生学位论文［6，7］基于短波MIMO通信的可行性，对短波MIMO信道的相关性测量进行了研究，但尚未公开相关测试数据和结论。

3.2 国外研究现状

国外最先对短波MIMO通信的可行性进行实验验证的是英国莱斯特（Leicester）大学、达拉谟（Durham）大学和法国雷恩（Rennes）大学的研究小组，他们通过两条实验通信链路验证了在短波电离层反射信道具有多种传播模式时短波MIMO通信的可行性，并用实验比较了在收发两端采用不同天线（主要是间隔式同构天线阵列和同位置异构天线阵列）时的影响，取得了极有价值的成果。

各种实验所依据的思想主要是通过测量各接收天线阵元上接收信号的幅度，并用此幅度数据来计算各天线阵元之间的相关性，进而来估计HFMIMO系统的性能。关于HFMIMO链路容量的计算，则是通过测量各天线阵元上接收信号的幅度来获得MIMO信道矩阵中的复传输函数，进而计算HF MIMO信道的容量。在具体实现上，不同的实验采用了不同的方法。

文献［8］中的接收天线采用了如图1所示的V形布置的七元垂直单极天线构成的两种阵列：一种是最小间隔为177m、最大间隔为1 526m的大七元阵列；另一种是最小间隔为25m、最大间隔为294m的小七元阵列。测量的内容是各接收天线上所收到的来自西班牙马德里和英国Oadby的HF广播信号的幅度和相位。通过对不同天线上接收到的幅度衰落进行比较，研究者发现，小天线阵列的七根天线上衰落几乎出现在相同的时间，这意味着这些天线上存在着高度的相关性。另外研究者还发现，对于相同的天线间隔而言，当电离层具有多种传播模式时（因而能够提供多个并行路径），各天线阵元之间的相关程度更低（相比于单模式传播而言）。

图1 文献［8］中所采用的V形天线阵列Fig.1 The V-shaped spaced homogeneous antenna arrays in Reference［8］

文献［9］中研究人员在相隔255 km的英国Durham和Bruntingthorpe（邻近Leicester）两地之间建立了一条实验通信链路，专门设计了多通道发射系统和接收系统（最多可支持4个发射天线和8个接收天线），测量的内容是接收天线上所收到的信号幅度，并据此来对HF MIMO的可行性进行研究。另外，为了调查发射端天线异构性的影响，位于Durham的发射端采用了多种类型的天线（如垂直天线、环天线、双极天线和十字线天线），而位于Brunt

ingthorpe的接收端采用了5根单极天线构成的间隔式L形天线阵列，接收端所采用的间隔式天线阵列有助于确定天线间隔的影响。为了在接收端便于区分不同的信号，在4根发射天线上采用了频率偏移为10 Hz的连续波信号。实验结果证实了HFMIMO

在采用间隔式同构天线时的可行性，同时表明，同构间隔式天线阵列的使用需要足够大的间隔来获得天线阵元间可接受的去相关，并且当些微不同的频率同时在不同的单个天线上发送时所展现出的衰落相同。也就是说，在不同天线上使用不同频率，并不会对任何类型的去相关有任何贡献。必须说明的是，本实验中的频率偏移设置仅仅是为了区分特定发射天线上的信号源，实际中无此要求，但这同时也意味着更加复杂的多通道收发信机设计。

图2 文献［9］中所采用的间隔式L形天线阵列的相对位置Fig.2 The relative position of the antennas in spaced L-shaped array in Reference［9］

另外，文献［10］还研究了利用极化分集所构成的2×2的MIMO结构在HF通信中的应用问题，结果同样表明，当电离层的模式与不同的电离层参数匹配时，这种结构能够提供一定的容量增益，从另一个侧面验证了HFMIMO的可行性。

4 同位异构天线阵在短波M IMO通信中的应用研究进展

由于短波通信天线的尺寸一般都很大，为了使发射端和接收端的天线之间具有充分的不相关，当采用相同形状的天线时，必须使这些天线保持足够的间隔，这就需要足够大的场地，限制了短波MIMO通信在某些场地受限场合的实用性。那么能否通过采用同位置的异构天线阵来实现短波MIMO呢？答案是肯定的，并且已经有实验进行了验证。

文献［11］在文献［9］的基础上，进一步验证了在接收端采用紧凑的异构天线阵时短波MIMO通信的可行性，并且证明了在接收端采用同位置天线时所获得的信道容量与在接收端采用间隔式天线阵列所获得的容量非常接近，还能获得很多好处，例如在合适的电离层条件下，同位置的异构天线阵能大幅度减小收发两端天线间隔所需的距离。他们所采用的同位置异构天线阵列如图3所示。

图3 文献［11］中用在接收端同位异构天线阵Fig.3 The collocated heterogeneous antenna arrays used at the receiving site in Reference［11］

文献［12］与文献［9］中的内容相似，所采用的实验通信链路除了Durham和Bruntingthorpe之间的链路外，还建立了一条位于英国Durham和法国Monterfil两地之间的相隔743 km的链路。Durham和Bruntingthorpe以及Monterfil之间的两条链路实验都表明，间隔式单极天线阵元之间展现出高度的相关性，但同位置的异构天线之间所展现的相关性却要小得多。

文献［13］研究了采用异构天线阵列对HFMIMO链路的影响，每次测量的幅度数都会被进行处理以获得复信道传输函数矩阵，这可被用于计算不同SNR时的信道容量。实验结果表明，当发射天线数目为4时，随着接收天线数目的增加，信道容量会增加。当电离层条件有利于多模式传播时，紧凑的同位置异构天线阵列不仅有重要的容量增益，而且在空间需求上可以有大的减少。这些结论与文献［11］所获得的结论非常一致。另外，文献［14］中还介绍了一些可以在HFMIMO系统中应用的紧凑型同位置异构天线的情况，值得借鉴。

文献［15］再次呈现了短波MIMO通信实验的研究成果，重点分析了不同天线阵列配置的相关性。文中利用了一种基于物理模型并考虑时变的电子密度不规则性的数字短波信道来计算天线间的相关系数，认为接收天线阵列中阵元之间的空间相关性强烈依赖于电子密度不规则性的方差。由于时变的不规则性，每个模式都展现出衰落，且F层反射路径通常比E层反射路径所展现的相关性要小，这很可能是因为F层中电子密度的绝对变化比E层要大。虽然间隔式接收天线之间的相关可以被附加的传播模式大幅减小，但是降低频率以产生附加的E层模式却会极大地减小接收端的信噪比，从而会导致容量增益的损失。这也是限制HFMIMO应用的主要问题，后文还有详细叙述，需要重点加以解决。

文献［16］对文献［11-13］进行了总结和归纳，其主要结论已经部分出现在前述的文献中。

文献［17］研究了采用方向性天线时MIMO传播信道的特性，结果表明：发射天线的方向性减小了全局链路容量，原因可能是由于天线的方向性减少了信道中的散射；接收天线的方向性却对容量有重大改进，原因可能是因为方向性减少了天线的空间相关性。不足之处是文中只讨论了较高频段的方向性天线的情况，对HF频段的情况没有讨论，但实际使用的HF天线大多是方向性天线，因此所得的结论也很有借鉴意义。

文献［18，19］研究了间隔式接收天线阵列上的信号相关性，结果表明窄间隔接收天线阵上多径电离层反射信号的相关性非常复杂，并且在离散脉冲间隔内（也即对应于不同的模式）还会变化，且间隔式接收天线阵列的空间相关性依赖于电子密度不规则性的变化。由于这种时变的不规则性，每种模式都展现出不同的“衰落”，并且通常F层所反射的路径在间隔式接收天线上比E层所反射的路径展现出更弱的相关性。另外文献中也指出，当散射成分很大时，HF MIMO系统将会工作得很好，这时对应于更远的传播距离或者诸如两极、赤道等电离层闪烁活动很活跃以致是F层而不是E层反射信号的情形。

总而言之，现有的文献资料中所记载的HFMIMO通信实验初步验证了MIMO技术在短波通信中的可行性，并且证明了HFMIMO通信所需的天线形式有非常大的选择范围，这进一步说明了HFMIMO具有实用的可能。

5 需要进一步解决的问题

虽然文献［8-19］证明了短波MIMO通信的可行性，但是我们可以看到实验仍旧是极其初步的，其中还有一些问题没有解决，归纳如下。

（1）MIMO通信能够获得容量增益的基本要求是信道充分散射，这是采用MIMO技术以获取相应优势的根本前提。上述文献中所建立的Durham和Bruntingthorpe之间的通信链路间的电离图如图4所示［11］，显示出电离层中具有一个较强的E层，因此传播模式除了1F和2F之外，还有1E和2E模式，这些传输模式正好满足了MIMO充分散射的要求，因而取得了预期的实验效果。但是如果实际应用时两处通信地点之间不具备多种传输模式，那么将不满足充分散射的条件，此时HFMIMO的可行性是否依然存在？性能如何？尚需通过实验进行进一步验证。

图4 实验中Chilton观测到得Durham-Bruntingthorpe之间的垂直电离图Fig.4 Vertical ionogram observed at the Chilton ionosonde station superimposed by transmission curves（5.255 MHz）for the Durham-Bruntingthorpe path at1600 UT on 2 November，2007

（2）在短波通信目前的实际应用中，都会采用频管系统来选择合适的工作频率，其中的原则之一便是选择接近于最大可用频率的频率，以使得传播模式尽可能少。但是若要在两地之间采用MIMO技术，必须创造充分散射的前提条件，例如通过降低工作频率以增加传播模式，但这势必会增加传播过程中的衰减，降低了收端的信噪比，因而降低了系统所能获得的容量增益。降低工作频率以创造适合MIMO技术的充分散射环境以及采用频率管理系统来选择合适频率两种方式所取得的效果如何权衡和折衷，也需要仔细考虑予以解决。

（3）文献中所采用的短波MIMO多通道收发信系统采用了有一定频率偏差的信号，而实际的HF MIMO按照MIMO理论会采用相同的频率，这会涉及到MIMO信号的检测问题，因而需要设计新型的多通道收发信系统，关键技术将包括同步、信道估计、训练序列设计、发射信号编码、接收信号检测等诸多内容，也都需要进行综合解决。

（4）为了实现间隔式天线阵元之间可接受的不相关性，必然要对这些天线分散布置，造成各天线阵元之间距离较远，但由于多通道收发信系统联合编码和联合检测的工作方式，这会造成射频信号衰减过大，因此需采用新型的射频信号传输技术，如射频数字信号的光纤传输技术，这些技术仍需要进行开发。

6 结论

综上所述，短波MIMO技术的实际应用还处于实验阶段，虽然现有的实验证明了短波MIMO的可行性，但要想真正走向实用，仍有许多问题需要深入研究并加以解决。目前看来，最主要的问题当属如何更好地满足收发天线之间充分散射这一MIMO技术的前提条件，也即如何同时使用频管系统与MIMO技术的问题。由于短波电离层反射信道的极端复杂性，目前尚无解析的办法来进行分析计算，只能通过实验来进行更进一步的研究。相信随着各种机构对短波MIMO技术的高度重视和深入研究，必将克服短波MIMO实用化过程中的诸多技术问题，从而进一步改善短波通信的质量。

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［19］Strangeways，Hal J.Investigation of Signal Correlation for Spaced and Co-located Antennas on Multipath HF Links and Implications for the design of SIMO and MIMO Systems［C］／／Proceedings of 2006 First European Conference on Antennas and Propagation.Nice，France：IEEE，2006：1-6.年获海军工程大学学士学位和硕士学位，现为讲师、博士研究生，主要研究方向为多输入多输出、软件无线电、数字通信；

GUAN Jian-xin was born in Suizhou，Hubei Province，in 1978.He received the B.S.degree and the M.S.degree from Naval University of Engineering in 2001 and 2004，respectively.He is now a lecturer and currently working toward the Ph.D.degree. His research interests include multiple inputmultiple output techniques，software defined radio and digital communications.

Email：jx-guan＠sina.com

高俊（1957—），男，江苏泰州人，1982年于海军电子工程学院获工学学士学位，1989年于北京理工大学获工学博士学位，现为教授、博士生导师，主要研究方向为软件无线电、数字通信理论与技术；

GAO Jun was born in Taizhou，Jiangsu Province，in 1957.He received the B.S.degree from Naval Electronic College of Engineering and the Ph.D.degree from Beijing Institute of Technology in 1982 and 1989，respectively.He is now a professor and also the Ph.D.supervisor.His research interests include digital communications and software radio systems.

叶晓慧（1962—），男，湖北武汉人，1984年于海军电子工程学院获学士学位，2004年获海军工程大学兵器科学与技术专业博士学位，现为教授、博士生导师，主要研究方向为故障诊断与虚拟仪器。

YEXiao-huiwas born in Wuhan，Hubei Province，in 1962. He received the B.S.degree from Naval Electronic College of Engineering and the Ph.D.degree from Naval University of Engineering in 1984 and 2004，respectively.He is now a professor and also the Ph.D.supervisor.His research interests include fault diagnoses and virtual instrument.

第九届全国核心期刊与期刊国际化、网络化研讨会在太原闭幕

由中国科学技术期刊编辑学会、中国科学技术信息研究所、北京万方数据股份有限公司、万方数据电子出版社联合主办的第九届全国核心期刊与期刊国际化、网络化研讨会于2011年9月16日至21日在山西省太原市召开。本次会议的主题是：科学评价促发展品质服务谋共赢。国家有关期刊主管部门领导、各期刊编辑部负责人和代表等参加了会议。

会上，期刊主管部门领导作了专题报告，向优秀论文作者颁发了获奖证书，国内知名期刊评价机构专家就各自评价思想和指标体系作了学术报告，获奖论文作者代表就数字出版新时期的挑战与机遇、期刊国际化的新特点、国内期刊如何走向国际化、加强我国期刊的学术诚信建设等议题进行了重点发言。

此外，会议还发布了2011年《中国期刊引证报告（扩刊版）》和《中国期刊高被引指数分析》。

此次会议规模大，参会编辑部代表多，加强了同行的沟通和交流，必将促进各期刊的良性发展。

本刊编辑部

Survey on the M IMO Techniques w ithin HF Band

GUAN Jian-xin，GAO Jun，YE Xiao-hui
（Department of Communication Engineering，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China）

The skywave propagation channel of the high frequency（HF）communication is suitable for the techniques of Multiple InputMultiple Output（MIMO）because of its rich scattering characteristics induced by the multi-path and multi-mode propagation phenomena.A survey on the MIMO techniques within the HF band is given.The feasibility of HFMIMO and the applications in HFMIMO of spaced homogeneous antenna arrays and collocated heterogeneous antenna arrays are highlighted.The directions of the futurework are also investigated.

HF communication；multiple inputmultiple output（MIMO）；feasibility analysis；spaced homogeneous antenna arrays；collocated heterogeneous antenna arrays

The National High-tech Research and Development Program of China（863 Program）（2009AAJ208，2009AAJ11）；The Research and Development Fund of Naval University of Engineering（HGDQNJJ022）

TN913

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2011.09.028

关建新（1978—），男，湖北随州人，分别于2001年和2004

1001-893X（2011）09-0136-07

2011-04-02；

2011-05-31

国家高技术研究发展计划（863计划）项目（2009AAJ208，2009AAJ11）；海军工程大学科研基金项目（HGDQNJJ022）