多天线MIMO技术在海面通信容量应用中的解决方案

苑隆寅，黎　志

(1.重庆邮电大学 移通学院,重庆 401520； 2.重庆建筑工程职业学院,重庆 400072)

多天线MIMO技术在海面通信容量应用中的解决方案

苑隆寅1，黎志2

(1.重庆邮电大学 移通学院,重庆 401520； 2.重庆建筑工程职业学院,重庆 400072)

摘要：目前，随着多天线阵列技术的发展，MIMO多输入输出系统已在移动通信领域得到深入研究及应用，其核心是在通信系统的接收和发射端都利用多天线技术。但由于海面通信系统的风速、海面折射反射及多径干扰，造成海面通信系统在MIMO多天线阵列信道解析的误码率较高，降低了海面通信容量。本文在研究MIMO多天线阵列的基础上，重点研究现有的天线分集技术，提出MIMO天线的方向对海面通信信道容量的定性影响模型，最后给出仿真结果。

关键词：多径干扰；通信系统容量；MIMO

0引言

随着通信技术的不断发展，通信系统的容量也在增大。3G无线网络的最高系统容量为2 Mbps，到了4G已经达到了100 Mbps，能支持实时视频通讯及多媒体业务。而MIMO多天线阵列是在有限的频带中实现最大的传输容量及速率的关键技术之一，其对多径信道抗干扰能力较强。

MIMO技术核心是在通信系统的接收和发射端都利用多天线阵列进行信号的接收和发送，在同一频带中有多路进行传输。由于其利用了多径信道的叠加效应，所以增加了通信系统容量及传输速率，同时接收的信噪比较低，通信质量能够保证。但是，由于海面通信系统的风速、海面折射反射以及海面多径干扰较为严重，MIMO技术在海面无线通信方面还有很大的研究空间。

本文研究了现有的MIMO技术模型，针对海面通信的特殊性，重点研究了MIMO系统的分集技术，最后提出MIMO天线的方向对海面通信容量的定性影响模型。

1MIMO技术原理及模型

1.1　MIMO无线通信系统模型

在无线通信史上，按照信道模型及接收发射天线个数可以分为SISO，SIMO，MISO，MIMO。与前面3个系统相比，MIMO无论在通信系统容量、传输速率及信噪比都有了较大的提升。MIMO通信系统模型如图1所示。

图1中，假设发射天线为T1,T2，…，Tn，只要各天线之间有足够的间距，各自天线发射信号经过时空编码后在无线信道传输是具有统计独立性。在接收端，不同的接收天线接收到这些合并而成的信息流时，能够利用多径信道解码恢复出各自的初始信号。同时，合并的信息流在无线信道中利用相同的频带进行传输，所以又称频率复用，在没有增加任何带宽的同时，能够同时传输多路信号，有效的增加通信系统的系统容量。

图1　通信系统MIMO结构Fig.1　The structure of MIMO communication system

1.2　MIMO通信系统容量

参考图1，发射端天线为T1,T2，…，Tn，接收端天线为G1,G2，…，GM，同时假设无线信道为标准理想的Rayleigh多径信道模型，信道的衰减系数已知。通信系统各天线发射端功率相等，总功率为P，则MIMO无线通信系统容量为：

C=log2(det[1+N>HHH])，

(1)

(2)

式中：Rr为Nr×Nr的关联矩阵；Rt为Nt×Nt的关联矩阵；U代表方差为1，且统计平均值为0的随机独立变量。

在无线通信系统中，分集接收模型是规划入基站端，同时分集接收模型和MIMO天线阵列的极化性质(如圆形极化﹑线性极化﹑矩形极化)以及天线方向息息相关。由于海面通信系统中的移动终端的环境比较复杂，且不稳定，包括信号传播的增益损失﹑信道衰减﹑发射和接收天线受到海面风速干扰强等因素，均要求建立通信系统的数学模型。MIMO无线通信系统的分集方式有如下3种：

1)空间分集。MIMO各天线之间有足够的距离，达到各自发射的信息。

2)角度分集。MIMO各天线发射角度不同，达到各自发射的信息。

3)极化分集。利用发射和接收系统之间反射及折射介质，达到各自发射的信息。

2MIMO系统极化分集天线系统

2.1　极化分集原理

在MIMO系统天线设计思想中，极化分集是其重要的一种思想。其原理是利用天线辐射信号在磁场空间的幅度及方向在时域空间的特征。若天线发射的无线电波与地平面成直角，则无线电波的极化称为垂直极化，该MIMO系统天线称为极化垂直天线；若天线发射的无线电波与地平面平行，则无线电波的极化称为水平极化，该MIMO系统天线称为极化平行天线。若无线电波的电磁场方向矢量的变化轨迹在时间轴上呈现椭圆，则该无线电波为椭圆极化波，其参数如图2所示。

图2　椭圆极化波参数图Fig.2　The parameter of elliptically polarized wave

图2为极化波坐标系矢量图。这里假设天线发射电磁波的方式矢量沿着z传播，则此无线电波的电磁场轨迹图映射在x-y坐标系内，且电磁场的幅度及方向在连续的时间轴上连接成一个连续的椭圆区域，所以称为椭圆极化。

椭圆极化天线设计的主要指标如下：

1)倾斜角度

如图2所示，τ为椭圆极化的倾斜角度，定义为x轴与椭圆沿着其方向中最长的1条轴的夹角，其公式如下：

(3)

式中：E1和E2为电磁场在x-y坐标平面的投射矢量；φ1和φ2为各自的矢量夹角。

2)轴比

轴比定义为其运行椭圆轨迹中长短轴之比，其表达式为:

(4)

3)旋转方向

定义为无线电波E的旋转方向，按照其波形与z轴的传播方向分为顺时针及逆时针。

2.2　双极MIMO天线结构

以最流行的矩形天线为模型，给出MIMO系统天线设计步骤如下：

1)天线尺寸及体积参数

(5)

2)天线方向选择

设计矩形天线，其电磁波E的旋转方向与其贴片长L有关，并且和MIMO通信系统谐波频率正相关，有如下表达式：

(6)

式中：E为每个贴片单元的发射电波的幅值；s0为单元的间隔角度。

3)天线贴片基板厚度

MIMO系统天线主要缺点是频带窄，且频带矩阵微天线基板厚度h的增大而增加，若h<λ/16时，MIMO通信系统的频带宽度为：

BW(MHz)=5.04 f2h。

(7)

图3为双极化MIMO天线结构图。

图3　双极化MIMO天线结构图Fig.3　Structure diagram of MIMO dual polarized antenna

3海面通信系统MIMO天线设计

3.1　海面通信系统天线与多径衰落

在海上通信系统中，由于风速、无线电波的折射反射以及海面多径衰落等特性，MIMO接收系统最终的信噪比较高，通信系统容量变小。本文给出在海面通信系统中，天线极化波形及方向选择对系统容量的影响。

图4为极化波为圆形、矩形的天线阵列与无线电波的结构图。假设发射天线之间的距离很小，并且发射的信号幅值相等，各信号之间不相关联，假设发射天线个数为N，天线之间距离为d，θ和φ分别为无线电波的水平夹角及垂直夹角。

图4　圆形及矩形极化模型Fig.4　The model of circular and rectangular polarization

图4中，圆形阵列天线的接收信号矢量为：

a(θ,φ)CUA=[ejσcos(φ-φ0),ejσcos(φ-φ1)…

(8)

式中：φi=2πi/N,i=0,1,2,…N-1， 为第i个天线的倾斜角度；ζ=kwrsin(θ)，kw为无线电波波束。

矩形阵列天线的接收信号矢量为如下公式：

[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)

假设dx=dy=d，则

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)

根据式(7)~式(9)及式(10)，圆型及矩阵型阵列天线相邻之间的SFC为：

(12)

式中，E为天线阵列无线电波磁场的累积和；p(φ,θ)为信号噪声的随机功率谱，并且式(12)假设无线电波的水平及垂直入射角相等，用Δφ,Δθ表示。

3.2　仿真实验

假设海上通信系统MIMO天线发生信号信噪比为20 db，各方向系数与系统通信容量存在相关性，天线方向如下：

(13)

式中前2个参数分别为直角天线、偶极天线的方向，第3个参数为理论方向假设，分别代表3种不同的方向坐标，在海面通信系统中，方向性逐渐增强。图5给出初始角度θ0=45°,φ0=45°通信系统容量曲线图。

图5为海面通信系统的圆形天线阵列及矩形天线阵列在3种不同方向的通信容量曲线图，可对MIMO天线在海面通信系统中的设计启动很好的指导作用。

图5　MIMO天线不同方向的容量曲线Fig.5　Capacity curves of different orientations of antenna

4结语

本文研究了现代无线通信系统中热门的MIMO多天线阵列技术，重点分析了椭圆极化天线阵列和矩形极化天线阵列中的参数设计。针对海面通信系统的风速、海面折射反射以及海面多径干扰，分析了MIMO多天线阵列与海面多径干扰的影响。最后，给出了海面通信系统的圆形天线阵列及矩形天线阵列在直角﹑偶极子以及sin3(θ)3个方向下，天线间距与波长的不同比例与通信容量的曲线，对MIMO多天线在海面通信中的设计有很好的指导作用。

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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

作者简介：苑隆寅( 1973 - ) ，男，讲师，研究方向为信息资源管理及管理信息系统。

收稿日期：2014-07-16； 修回日期： 2014-08-19

文章编号：1672-7649(2015)02-0220-04

doi：10.3404/j.issn.1672-7649.2015.02.050

中图分类号：TN820;TN919.3

文献标识码：A