基于Wireless Insite的城镇厂区MIMO信道特性分析*

2015-07-10苏国杰徐光辉王华力张翼鹏解放军理工大学通信工程学院江苏南京0007空军954部队8分队河北唐山06400南京炮兵学院炮兵作战实验室江苏南京

通信技术 2015年2期

苏国杰,徐光辉,王华力,刘洋,张翼鹏(.解放军理工大学通信工程学院,江苏南京0007;.空军954部队8分队,河北唐山06400; .南京炮兵学院炮兵作战实验室,江苏南京)

苏国杰1,徐光辉1,王华力1,刘洋2,张翼鹏3
(1.解放军理工大学通信工程学院,江苏南京210007;2.空军93514部队83分队,河北唐山064200; 3.南京炮兵学院炮兵作战实验室,江苏南京211132)

为分析城镇厂区的MIMO信道特性,文中建立了特定厂区的3D确定性模型,并针对2.45 GHz和5.8 GHz两种载波频率,利用Wireless Insite软件对厂区MIMO信道的接收功率、路径损耗和时延扩展等信道特性参数进行了仿真分析。结果表明,4×4MIMO系统下两种载波频率路径损耗相差不大,2.45 GHz相对5.8 GHz能获得较高的接收功率,但时延扩展严重。综合考虑,5.8 GHz频段更适合城镇厂区MIMO信道的铺设,但需要考虑增加发射功率和减小覆盖范围等问题。

Wireless Insite 无线信道建模 MIMO 信道特性

0 引言

MIMO(Multiple Input Multiple Output,多输入多输出)技术作为未来一代宽带无线通信的关键技术,近年来受到越来越多的关注。它利用多天线来抑制信道衰落,在不增加带宽与功率的情况下成倍地提高无线通信系统的容量和频谱效率[1]。然而,无论是要实现MIMO系统的大容量特性,还是要提高其它方面的性能,甚至要优化MIMO系统中使用的信号处理算法的性能,都极大地依赖于MIMO信道的特性[2-3]。

此前,人们关于MIMO信道特性的研究大都基于室内环境,如文献[4]对室内MIMO信道进行建模,分别运用确定性模型中的射线追踪法和统计模型这两种方法建模,并对信道容量参数进行仿真比较分析,文献[5]采用基于网络分析仪的信道测量平台对典型办公环境下6.0～6.4 GHz MIMO无线信道特性进行测量和分析,为了明确高频段为系统设计带来的新问题,将测量得到的高频段MIMO信道特性参数与低频段对比。文献[6-7]详细分析了MIMO信道建模仿真工作的研究现状。文献[8]是目前为止,在2.45 GHz频段开展的最为全面的室内环境MIMO无线信道测量工作。

考虑到目前户外MIMO系统相关研究甚为稀少,为更加全面了解MIMO信道特性,文章针对城镇厂区这一户外地理场景,首先建立包含地形、地物和植被的确定性3D模型,然后利用Wireless Insite软件仿真分析了视距(LOS)和非视距(NLOS)情形下,载波频率分别为2.45 GHz和5.8 GHz时城镇厂区的MIMO信道特性。通过对比分析两个频段的传播损耗和时延扩展等差异,为工程上搭建户外MIMO系统提供参考依据。

1 基础理论

1.1 M IMO无线通信系统

MIMO系统定义简单,指在通信链路的发射端和接收端均使用多个天线元素(即天线阵列)的传输系统。考虑发送端有M个发射天线,接收端有N个接收天线,其系统示意图如图1所示。

图1 MIMO系统示意Fig.1 Diagram of MIMO system

设MIMO天线阵列上发射信号为[9]:x=[x1, x2,…xM],接收信号为:y=[y1,y2,…yN],对于平坦衰落信道,信道的信号模型为:

式中,n(t)是加性高斯白噪声,H(t)是N×M维的MIMO信道矩阵,其数学表达式为:

MIMO系统在发送端和接收端各设置多重天线,可以提供空间分集效应,克服电波衰落的不良影响。此外,安排恰当的多副天线可以提供多个空间信道,从而信道不会全部同时受到衰落,这是一种近于最优的空域时域联合的分集和干扰对消处理。

1.2 路径损耗(Path Loss)

无线电波在传输过程中,不可避免的会发生路径损耗,而损耗的程度直接决定着信号功率衰减情况,决定着信道性能的优劣。MIMO无线信道的路径损耗定义为[5]:

式中,H(i,j,f)为第i根接收天线与第j根发射天线之间在频率f处的信道频率响应;酌为损耗系数,d为收发天线的距离,单位为m;L0为参考距离处的路径损耗。自由空间基本传输损耗定义为:

式中,d忆为收发天线之间的距离,单位为km;f为发射频率,单位为MHz。现实传播环境中不可能存在自由空间这种理想情形,这里给出自由空间传输损耗只是作为一个衡量信道性能优劣的参照基准。

1.3 时延扩展(Delay Spread)

时延扩展是衡量信道性能的一个十分重要的参数,定义为最大传输时延和最小传输时延的差值,其特性由时延功率谱(PDP,Power Delay Profile)描述。PDP[10]定义为无线信道多径成分在时延域上的分布:

式中,h(i,j,子)为第i根接收天线与第j根发射天线之间的信道冲击响应,该参数由频率响应经过离散傅里叶反变换(IDFT,Inverse Discrete Fourier Transform)获得[11]:

式中,w(f)为布莱克曼窗函数,用以消除频域截断带来的影响。Wireless Insite中计算时延扩展的公式为:

2 典型场景确定性建模

传统统计模型在MIMO信道仿真中偏差较大,而仿真的准确程度影响着整个系统评估的可靠性与合理性。因此,建立精确地信道模型对于分析MIMO信道特性至关重要。文中利用Wireless Insite自带工具对某特定厂区进行确定性建模,该厂区面积为740 m×755 m,建筑物统一高度为10 m,树木高5 m,绿化带高1 m,具体建模流程如图2所示。

图2 Wireless Insite建模基本流程Fig.2 Basic flowchart ofWireless Insitemodeling

建模过程中,需指定所选用材料的电特性参数,查阅相关文献[12-13],选定文中所用材料的电特性参数如表1所示。

表1 电特性参数Table 1 Electrical parameters

发射机放置在整个工厂区域中间位置,高度设为13 m(一是保证厂区覆盖;二是贴近工程实际), MIMO系统时设置4个发射机,间距0.061 m。3条接收机路径间隔大致100 m,每条路径放置30个接收机,高度统一为2 m,间距0.061 m(d=0.061 m= 0.5姿2.45GHz=1.2姿5.8GHz,d逸0.5姿以保证接收天线输出信号的衰落特性是相互独立的[14])。最终得到非视距传播模型和收发机位置如图3所示。

图3 NLOS传播3D模型Fig.3 NLOS propagation model in 3D

文中重点是对比分析视距和非视距两种情况下,户外厂区MIMO系统信道特性的差异,为便于比较,视距模型的构建基于非视距模型:删除阻挡视距传播的建筑物,保持发射机和接收机位置、数量等参数不变。得到厂区视距传播模型如图4所示。

图4 LOS传播3D模型Fig.4 LOS propagation model in 3D

3 仿真参数的选择

Wireless Insite是REMCOM软件包中一款对复杂电磁环境进行建模仿真预测分析的软件,它基于UTD/GTD理论,采用射线跟踪方法建立传播模型,可以在50～40 GHz频段内提供精确的计算结果[15],适用于本文研究的频段(2.45 GHz和5.8 GHz)。设置仿真参数如表2所示。

表2 仿真参数Table 2 Simulation parameters

4 仿真和性能分析

本节主要分为3部分:不同传播情形下各接收路径的接收功率仿真,厂区4×4MIMO系统的路径损耗仿真,不同传播情形下各接收路径时延扩展的统计结果分析。

4.1 接收功率

Wireless Insite软件仿真功能强大,但数据分析能力不足,文中将仿真结果导入Matlab软件进行数据分析。得到不同传播情形下(视距和非视距),不同发射机个数时,各接收机路径的接收功率如图5～图10所示。

图6 非视距情形下Route2接收功率Fig.6 Received power of Route2 in NLOS

图7 非视距情形下Route3接收功率Fig.7 Received power of Route3 in NLOS

图8 视距情形下Route1接收功率Fig.8 Received power of Route1 in LOS

图9 视距情形下Route2接收功率Fig.9 Received power of Route2 in LOS

图10 视距情形下Route3接收功率Fig.10 Received power of Route3 in LOS

由图5～图10可以看出,同一接收路径:非视距传播时,接收功率2.45 GHz-4P>5.8 GHz-4P> 2.45 GHz-1P>5.8 GHz-1P,视距传播时,接收功率2.45 GHz-4P>2.45 GHz-1P>5.8 GHz-4P> 5.8 GHz-1P。这表明,城镇厂区环境下,MIMO系统可以提高信道传输效率且载波频率2.45 GHz相对5.8 GHz能获得较高的接收功率。

进一步分析仿真数据发现,非视距传播时,接收功率不仅和传输距离有关还和接收机附近散射环境有关。3条接收机路径中Route2周围散射体最多,故虽然Route2相对Route1距发射机远大约100 m,但接收功率却大于Route1,表明复杂的传输环境有利于提高MIMO系统的传输性能;而视距传播时,由于存在大量直射路径,接收功率高于非视距传播,但衰减速度也明显高于非视距传播。

4.2 路径损耗

MIMO系统下,各路径删除末尾两个接收机,其余相邻4个接收机编为一组,得到7组接收机,构成4×4MIMO系统。依据Wireless Insite仿真结果,计算厂区4×4MIMO系统路径损耗平均值,结果如表3所示。

表3 路径损耗平均值Table 3 Average value of path loss

由表3可以看出,MIMO系统非视距情形下, 2.45 GHz和5.8 GHz路径损耗相差不大,且路径损耗并不是随传播距离增大而线性增加;视距传输时,路径损耗基本符合线性衰减,通过对仿真结果进行最小二乘线性拟合,得到视距传播时,厂区4× 4MIMO信道的传输损耗公式为:

4.3 时延扩展

时延扩展定义为最大传输时延和最小传输时延的差值,即最后一个可分辨的时延信号与第一个时延信号到达时间的差值,实际上就是脉冲展宽的时间,是衡量多径传播信道质量的一个重要指标。此处仅给出Route2的时延扩展图示,如图11～图12所示。

图11 非视距情形下Route2时延扩展Fig.11 Delay spread of Route2 in NLOS

图12 视距情形下Route2时延扩展Fig.12 Delay spread of Route2 in LOS

各路径在不同情形下的时延扩展平均值统计如表4所示。

表4 时延扩展平均值Table 4 Average value of delay spread

由表4可以看出,各接收路径大部分时延扩展都集中在150～305 ns之间,只有在非视距情形下, Route3的时延扩展在60～80 ns之间,究其原因是因为:Route3夹在两排间隔很小的长排建筑物中间,且距离发射机最远,能到达发射机的射线都经过类似的路径,所以时延扩展较小。

此外,非视距情形下时延扩展比视距情形下小100～150 ns,因为视距传输时存在直射路径,它到达接收机的时间明显小于反射和折射路径,故时延扩展较大,且5.8 GHz相对2.45 GHz拥有更小的时延扩展。

5 结语

MIMO技术是当前无线通信领域的研究热点,文中基于Wireless Insite软件,在建立确定性模型的基础上,选取当前通信领域最常用的两种载波频率(2.45 GHz和5.8 GHz),对特定厂区MIMO信道的接收功率、路径损耗和时延扩展等信道特性参数进行了仿真分析。仿真结果表明,4×4MIMO系统下两种载波频率路径损耗相差不大,2.45 GHz相对5.8 GHz能获得较高的接收功率,但时延扩展严重。考虑到5.8 GHz的信道容量高于2.45 GHz且当下2.45 GHz频段拥挤,故5.8 GHz频段更适合城镇厂区MIMO信道的铺设,但需要考虑增加发射功率和减小覆盖范围等问题。

[1] LIU Long-chu,POAO Da-zhi,MAO Yi.The Channel Characteristics Analysis of Multipolar MIMO System in Free Space[J].Journal of Communication University of China(Science and Technology),2013,20(30):38-41.

[2] M.A.Jensen and J.W.Wallace.A review of antennas and propagation for MIMO wireless communications[J].IEEE Trans-Antennas Propagation,2004,52(11):2810-2824.

[3] 王圆晨,袁雪莲,段红光.MIMO信道模型分析[J].通信技术,2013,46(04):71-74. WANG Yuan-chen,YUAN Xue-lian,DUAN Hongguang.MIMO Channel Model Analysis[J].Communications Technology,2013,46(4):71-74.

[4] Susana Loredo,Alberto Rodr侏guez-Alonso,Rafael P. Torres.Indoor MIMO Channel Modeling by Rigorous GO/UTD-Based Ray Tracing[J].IEEE TRANSACTIONS ON VEHICULAR TECHNOLOGY,2008,57 (2):680-692.

[5] ZHANG Ji-liang,WANG Yang,DING Li-qin,et al. Indoor Measurement and Characterization ofWireless MIMO Channel at6.0-6.4GHz[J].ACTA ELECTRONICA SINICA,2012,40(6):1213-1217.

[6] 王营.3D MIMO信道建模研究[D].成都:电子科技大学,2013. WANG Ying.3D modeling research of MIMOchannel [D].Chengdu,Sichuan Province:University of electronic science and technology,2013.

[7] 姬玲玲.MIMO信道建模仿真与容量研究[D].南京:南京邮电大学,2011. JI Ling-ling.Simulation and Capacity of MIMO Channel Modeling Research[D].Nanjing,Jiangsu Province:Nanjing University of Posts and Telecommunications,2011.

[8] MOLINA-GARCIA-PARDO JM,RODRIGUEZ JV,et al.Polarized Indoor MIMO Channel Measurements at 2. 45GHz[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2008,56(12):3818-3828.

[9] 刘伟.MIMO无线信道建模及其特性研究[D].天津:天津大学,2011. LIU Wei.MIMO Wireless Channel Model and Its Features[D].Tian Jin:Tianjin University,2011.

[10] ZHANG Ji-liang,WANG Yang,HUANG Xiao-min,et al.Characterization and Comparison of Indoor MIMO Channel at6.05GHz and 2.45GHz[J].Chinese Journal of Radio Science,2013,28(2):205-211.

[11] MOLINA-GARCIA-PARDO JM,RODRIGUEZ JV, JUAN-LLACER L.Wide-band Measurements and Characterization at 2.1GHz While Entering in a Small Tunnel[J].IEEE Transactions on Vehicular Technology,2004,53(6):1794-1799.

[12] 申振.基于射线追踪法的MIMO信道特性研究[D].南京:解放军理工大学,2008. SHEN Zhen.MIMO Channel Characteristic Research based on the Ray Tracing Method[D].Nanjing:PLA University of Science and Technology,2008.

[13] YIN Fu-rong,WANG Peng-fei,LIU Yuan-jian.Study on theRadio Wave Propagation in Indoor Environments with Metallic Furniture[J].Journalof CAEIT,2014,9 (2):209-216.

[14] 李玮.MIMO多天线技术研究[D].西安:西安电子科技大学,2008. LIWei.MIMO Antenna Technology Study[D].Xian: Xian University of electronic science and technology,2008. [15] Petar M,M laden V,Zeljko B.Wireless InSite Software Verification via Analysis and Comparison of Simulation and Measurement Results[J].MIPRO2012,2012,21 (25):776-781.

SUGuo-jie(1988-),male,graduate student,mainly engaged in information processing,management and perception.

徐光辉(1973—),男,副教授,主要研究方向为SOC技术与嵌入式系统设计;

XU Guang-hui(1973-),male,associate professor,mainly engaged in SOC technology and embedded system design.

王华力(1976—),男,教授,主要研究方向为信息感知、处理与对抗;

WANG Hua-li(1976-),male,professor,mainly engaged in information processing,management and perception.

刘洋(1989—),男,学士,主要研究方向为卫星通信;

LIU Yang(1989-),male,B.Sci.,mainly engaged in satellite communications.

张翼鹏(1988—),男,讲师,主要研究方向为信息隐藏技术。

ZHANGYi-peng(1988-),male,lecturer,mainly engaged in information hiding technology.

Factory M IMO Channel Characteristics based on W ireless Insite

SU Guo-jie2,XU Guang-hui1,WANG Hua-li1,LIU Yang2,ZHANG Yi-peng3
(1.College of Communications Engineering,PLAUST,Nanjing Jiangsu 210007,China; 2.Detachment83,Air Force Unit93154,Tangshan Hebei064200,China; 3.Operational Experiment Center,Nanjing Artillery Academy,Nanjing Jiangsu 210007,China)

In order to analyze factory MIMO channel characteristics in cites and towns,a 3D deterministic model of the specific factory is established,and aming at two carrier frequencyies2.45GHz and 5.8GHz, factory MIMO channel parameters,such as

power,path loss,delay spread and so on,are simulated and analyzed with the software platform ofWireless Insite.Simulation results show that the path losses of both carriers in 4×4MIMO system almost have no difference,and 2.45GHz can obtain fairly high received power relatively to 5.8GHz,butwith serious delay-spread.From overall consideration,5.8GHz is more suitable for designing a factory MIMO channel,but needs to increase the transmission power and reduce the coverage area.

Wireless Insite;wireless channelmodeling;MIMO;channel characteristic

�视距情形下Route1接收功率 Fig.5 Received power of Route1 in NLOS

National Natural Science Foundation of China(No.61271354)

TN92

1002-0802(2015)02-0140-06