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克服天线设计/同频干扰问题 MIMO系统实现多串流应用

无线通信系统改采多重输入多重输出(MIMO)天线架构已成大势所趋,但也为开发商带来艰巨的设计挑战;其中,天线摆放位置与同频干扰对整体信道容量影响甚巨,工程师须透过缜密的仿真与修正,方能达到最好的多串流讯号传输效果。

本文比较六种不同几何结构的走道在60GHz之频段时的多输入多输出(Multi-input Multi-output, MIMO)系统性能(图1)。这六种不同几何结构的走道分别为矩形直线走道(Rectangular Straight Corridor)、拱形直线走道(Arched Straight Corridor)、矩形弯曲走道(Rectangular Curved Corridor)、拱形弯曲走道(Arched Curved Corridor)、L形走道(L-Shape Corridor)、T形走道(T-Shape Corridor)。

图1 多输入多输出窄频系统示意图

图1 多输入多输出窄频系统示意图

六种不同结构走道的MIMO系统性能分析
上述六种不同结构的走道横截面之尺寸为宽为2公尺、高为3公尺;长直走道及L形走道的总长度为10公尺;弯曲走道的内半径为6公尺、外半径为8公尺,弧长约为11公尺。发射天线和接收天线皆采用由四根偶极天线所构成之线性数组,发射天线置于每个走道入口中央,其天线高度为1.5公尺;接收天线则平均置于走道中,相邻的接收天线距离为0.25公尺,共考虑两百七十个接收点,其接收天线高度均1公尺。

研究所使用的射线弹跳追踪法(SBR/Image Method),其系统仿真频率范围从59.5G-60.5GHz,频率间隔为5MHz,射线柱的最大反射次数设定为十次,最大透射次数设定为两次。

从计算出的均方根延迟扩散的结果看出,T形走道的多路径效应最为严重。拱形截面走道的方均根延迟扩散,普遍低于矩形截面走道的均方根延迟扩散,这现象可以解释为在拱形截面之走道的结构中,其电波反射的机制,以及天线之场形的缘故,使得在拱形截面之走道中,接收到的多路径成分较小且比较集中。矩形截面之直线形走道和弯曲走道间,以及拱形截面之直线形走道和弯曲走道间,其平均的均方根延迟扩散几乎相同,这是因为弯曲走道之弯曲的几何结构使电波几乎同时到达,并因此有小的均方根延迟扩散。

从计算出的平均超额延迟扩散的结果看出,除了矩形截面L形与T形走道外,其他四种走道的平均超额延迟扩散的平均值相差不大,这是因为平均超额延迟扩散与传送和接收天线之间的距离成正比的关系,所以距离传送天线越远的接收点,其平均超额延迟扩散值也就越大,越近的话值就越小。L形与T形走道的平均超额延迟扩散较大的原因,是因为在L形与T形走道的环境里,接收点为非直视(Non-Line-Of Sight, NLOS)的情况较其他走道多的缘故。由于多路径效应较严重,使得平均超额延迟扩散较其他走道来得大。

六种走道其信道容量比较,如果讯噪比(SNR)定义为发射端之讯号平均功率对噪声功率的比值,则矩形和拱形截面直形走道之信道容量最大,正因接收端所收到讯号的功率相较于其他走道高些,且路径损耗与多路径效应较低,故信道容量会提升。由于此处SNR定义为发射端之讯号平均功率对噪声功率的比值,必须考虑路径损耗与多路径效应这两项因素。在矩形和拱形截面直形走道的环境里,接收点皆为直视(Line Of Sight, LOS)的情况,相较其他走道来LOS接收点多,因此能有最大接收能量,以导致较高的信道容量。

如果SNR定义为接收机前端之讯号平均功率对噪声功率的比值,则T形走道之信道容量最大,其次为L形走道。由于此处SNR定义为接收机前端之讯号平均功率对噪声功率的比值,仅考虑多路径效应因素,且T形走道的多路径效应较严重,使得它的信道容量较其他走道来得大,且矩形截面走道之信道容量普遍大于拱形截面的走道。这信道容量的结果对六种不同走道的均方根延迟扩散值是一致的。

最佳天线位置分析
利用GA(Genetic Algorithms)、PSO(Particle Swarm Optimization)、APSO(Asynchronous Particle Swarm Optimization)与DDE(Dynamic Differential Evolution)四种优化算法,可寻找出满足系统要求的最佳发射天线位置,进而求解出传输信道的信道容量,并萃取影响MIMO-WLAN(Wireless Local Area Network)通道的重要参数。

研究所使用的射线弹跳追踪法,其系统仿真频率为60GHz。将算法和射线弹跳追踪法结合仿真复杂环境,选用适当发射天线的位置预测无线电波传输时的特性,可以提升信道容量。发射天线高度固定为1公尺,接收天线高度都固定为0.8公尺。


(责任编辑:ioter)

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