如何克服天線設(shè)計/同頻干擾問題 MIMO系統(tǒng)實現(xiàn)多串流應(yīng)用

無線通信系統(tǒng)改采多重輸入多重輸出（MIMO）天線架構(gòu)已成大勢所趨，但也為開發(fā)商帶來艱巨的設(shè)計挑戰(zhàn)；其中，天線擺放位置與同頻干擾對整體信道容量影響甚巨，工程師須透過縝密的仿真與修正，方能達(dá)到最好的多串流訊號傳輸效果。

? ? ? ? 本文比較六種不同幾何結(jié)構(gòu)的走道在60GHz之頻段時的多輸入多輸出(Multi-input Multi-output, MIMO)系統(tǒng)性能(圖1)。這六種不同幾何結(jié)構(gòu)的走道分別為矩形直線走道(Rectangular Straight Corridor)、拱形直線走道(Arched Straight Corridor)、矩形彎曲走道(Rectangular Curved Corridor)、拱形彎曲走道(Arched Curved Corridor)、L形走道(L-Shape Corridor)、T形走道(T-Shape Corridor)。

?

圖1　多輸入多輸出窄頻系統(tǒng)示意圖

六種不同結(jié)構(gòu)走道的MIMO系統(tǒng)性能分析
上述六種不同結(jié)構(gòu)的走道橫截面之尺寸為寬為2公尺、高為3公尺；長直走道及L形走道的總長度為10公尺；彎曲走道的內(nèi)半徑為6公尺、外半徑為8公尺，弧長約為11公尺。發(fā)射天線和接收天線皆采用由四根偶極天線所構(gòu)成之線性數(shù)組，發(fā)射天線置于每個走道入口中央，其天線高度為1.5公尺；接收天線則平均置于走道中，相鄰的接收天線距離為0.25公尺，共考慮兩百七十個接收點，其接收天線高度均1公尺。

研究所使用的射線彈跳追蹤法(SBR/Image Method)，其系統(tǒng)仿真頻率范圍從59.5G-60.5GHz，頻率間隔為5MHz，射線柱的最大反射次數(shù)設(shè)定為十次，最大透射次數(shù)設(shè)定為兩次。

從計算出的均方根延遲擴(kuò)散的結(jié)果看出，T形走道的多路徑效應(yīng)最為嚴(yán)重。拱形截面走道的方均根延遲擴(kuò)散，普遍低于矩形截面走道的均方根延遲擴(kuò)散，這現(xiàn)象可以解釋為在拱形截面之走道的結(jié)構(gòu)中，其電波反射的機(jī)制，以及天線之場形的緣故，使得在拱形截面之走道中，接收到的多路徑成分較小且比較集中。矩形截面之直線形走道和彎曲走道間，以及拱形截面之直線形走道和彎曲走道間，其平均的均方根延遲擴(kuò)散幾乎相同，這是因為彎曲走道之彎曲的幾何結(jié)構(gòu)使電波幾乎同時到達(dá)，并因此有小的均方根延遲擴(kuò)散。

從計算出的平均超額延遲擴(kuò)散的結(jié)果看出，除了矩形截面L形與T形走道外，其他四種走道的平均超額延遲擴(kuò)散的平均值相差不大，這是因為平均超額延遲擴(kuò)散與傳送和接收天線之間的距離成正比的關(guān)系，所以距離傳送天線越遠(yuǎn)的接收點，其平均超額延遲擴(kuò)散值也就越大，越近的話值就越小。L形與T形走道的平均超額延遲擴(kuò)散較大的原因，是因為在L形與T形走道的環(huán)境里，接收點為非直視(Non-Line-Of Sight, NLOS)的情況較其他走道多的緣故。由于多路徑效應(yīng)較嚴(yán)重，使得平均超額延遲擴(kuò)散較其他走道來得大。

六種走道其信道容量比較，如果訊噪比(SNR)定義為發(fā)射端之訊號平均功率對噪聲功率的比值，則矩形和拱形截面直形走道之信道容量最大，正因接收端所收到訊號的功率相較于其他走道高些，且路徑損耗與多路徑效應(yīng)較低，故信道容量會提升。由于此處SNR定義為發(fā)射端之訊號平均功率對噪聲功率的比值，必須考慮路徑損耗與多路徑效應(yīng)這兩項因素。在矩形和拱形截面直形走道的環(huán)境里，接收點皆為直視(Line Of Sight, LOS)的情況，相較其他走道來LOS接收點多，因此能有最大接收能量，以導(dǎo)致較高的信道容量。

如果SNR定義為接收機(jī)前端之訊號平均功率對噪聲功率的比值，則T形走道之信道容量最大，其次為L形走道。由于此處SNR定義為接收機(jī)前端之訊號平均功率對噪聲功率的比值，僅考慮多路徑效應(yīng)因素，且T形走道的多路徑效應(yīng)較嚴(yán)重，使得它的信道容量較其他走道來得大，且矩形截面走道之信道容量普遍大于拱形截面的走道。這信道容量的結(jié)果對六種不同走道的均方根延遲擴(kuò)散值是一致的。

最佳天線位置分析
利用GA(Genetic Algorithms)、PSO(Particle Swarm Optimization)、APSO(Asynchronous Particle Swarm Optimization)與DDE(Dynamic Differential Evolution)四種優(yōu)化算法，可尋找出滿足系統(tǒng)要求的最佳發(fā)射天線位置，進(jìn)而求解出傳輸信道的信道容量，并萃取影響MIMO-WLAN(Wireless Local Area Network)通道的重要參數(shù)。

研究所使用的射線彈跳追蹤法，其系統(tǒng)仿真頻率為60GHz。將算法和射線彈跳追蹤法結(jié)合仿真復(fù)雜環(huán)境，選用適當(dāng)發(fā)射天線的位置預(yù)測無線電波傳輸時的特性，可以提升信道容量。發(fā)射天線高度固定為1公尺，接收天線高度都固定為0.8公尺。