如何克服天線設(shè)計(jì)/同頻干擾問(wèn)題 MIMO系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多串流應(yīng)用 - 全文

無(wú)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(shì)所趨，但也為開(kāi)發(fā)商帶來(lái)艱巨的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)；其中，天線擺放位置與同頻干擾對(duì)整體信道容量影響甚巨，工程師須透過(guò)縝密的仿真與修正，方能達(dá)到最好的多串流訊號(hào)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(shí)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)。

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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(zhǎng)直走道及L形走道的總長(zhǎng)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(zhǎng)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(gè)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(gè)接收點(diǎn)，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(jì)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(chǎng)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?yàn)閺澢叩乐畯澢膸缀谓Y(jié)構(gòu)使電波幾乎同時(shí)到達(dá)，并因此有小的均方根延遲擴(kuò)散。

從計(jì)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?yàn)槠骄~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(diǎn)，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?yàn)樵贚形與T形走道的環(huán)境里，接收點(diǎn)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(lái)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(hào)平均功率對(duì)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(hào)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(huì)提升。由于此處SNR定義為發(fā)射端之訊號(hào)平均功率對(duì)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(xiàng)因素。在矩形和拱形截面直形走道的環(huán)境里，接收點(diǎn)皆為直視(Line Of Sight, LOS)的情況，相較其他走道來(lái)LOS接收點(diǎn)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(hào)平均功率對(duì)噪聲功率的比值，則T形走道之信道容量最大，其次為L(zhǎng)形走道。由于此處SNR定義為接收機(jī)前端之訊號(hào)平均功率對(duì)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(lái)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(duì)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(cè)無(wú)線電波傳輸時(shí)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。

本文針對(duì)兩種不同接收天線位置來(lái)做探討，這兩種情況分別為接收點(diǎn)為桌面計(jì)算機(jī)的情況，以每0.5公尺均勻分布在桌面上，平均散布一百二十個(gè)接收點(diǎn)；另一種情況為接收點(diǎn)為手機(jī)，以每0.9公尺均勻分布在室內(nèi)環(huán)境中，平均散布一百二十個(gè)接收點(diǎn)。發(fā)射和接收天線皆采用由三根偶極天線所構(gòu)成之線性數(shù)組。

研究所使用的射線彈跳追蹤法，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)定為五次，最大透射次數(shù)設(shè)定為兩次。藉由射線彈跳追蹤法結(jié)合算法去做數(shù)值的計(jì)算，即呈現(xiàn)出MIMO-WLAN信道的信道能量，研究使用GA、PSO、APSO與DDE四種算法求最佳發(fā)射天線位置。目標(biāo)函數(shù)(Objective Function)定為信道容量，并將其值交給算法做目標(biāo)函數(shù)分析。故將射線彈跳追蹤法結(jié)合算法，找尋及最佳發(fā)射天線位置，可使信道容量提升。

目標(biāo)函數(shù)定義為發(fā)射訊號(hào)功率與噪聲之比計(jì)算從0-105dB，每5dB計(jì)算一次信道容量數(shù)值，故共有二十二筆信道容量數(shù)值，并將此數(shù)值相加后當(dāng)做是目標(biāo)函數(shù)比較的標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)定算法之中止條件為演化世代數(shù)達(dá)到三百代時(shí)，演化中止。 第一個(gè)情況接收點(diǎn)以每0.5公尺均勻分布在桌面上，平均散布一百二十個(gè)接收點(diǎn)，分析其信道容量。使用GA、PSO、APSO與DDE四種算法可得到一個(gè)最佳發(fā)射天線位置。

第二個(gè)情況，接收點(diǎn)以每0.9公尺均勻分布在室內(nèi)環(huán)境中，平均散布一百二十個(gè)接收點(diǎn)，分析其信道容量。使用GA、PSO、APSO與DDE四種算法可得到一個(gè)最佳發(fā)射天線位置。仿真數(shù)值結(jié)果顯示，DDE在收斂速度皆比GA、PSO和APSO快速。APSO雖然在最佳表現(xiàn)上最優(yōu)，但其收斂速度略遜DDE。GA則在處理此函數(shù)時(shí)收斂速度較另外三種優(yōu)化方法緩慢。

同頻干擾技術(shù)探究
研究探討同頻干擾(Co-Channel Interference, CCI)對(duì)MIMO-WLAN系統(tǒng)其信道容量的影響。在MIMO-WLAN系統(tǒng)中，計(jì)算出有無(wú)同頻干擾情況下其信道容量，其中，干擾源包括單一干擾和多根干擾。使用均勻線性數(shù)組(Uniform Linear Array, ULA)天線(圖2)和極化分集數(shù)組(Polarization Diversity Array, PDA)天線(圖3)排列下，對(duì)于此系統(tǒng)通道容量的影響。在MIMO-WLAN中傳送端、接收端和多個(gè)同頻干擾皆采用此兩種天線數(shù)組探討，比較其傳輸質(zhì)量和抗干擾程度。

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圖2　均勻線性數(shù)組示意圖

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圖3　極化分集數(shù)組示意圖

該模擬包含兩個(gè)大小相同的房間，環(huán)境四周?chē)倪厜樗鄩Σ馁|(zhì)，介于兩個(gè)房間中間水泥隔板長(zhǎng)為4公尺、寬為0.2公尺、高度為2.5公尺。左邊房間放置一個(gè)發(fā)射天線Tx位于(2/1.5/1.2m)和右邊房間干擾發(fā)射訊號(hào)天線位于(3.2/1.5/1.2m)。發(fā)射天線和干擾發(fā)射訊號(hào)天線高度都是固定高度為1.2公尺。接收天線則平均置于左邊房間四張木桌上中，相鄰的接收天線距離為0.1公尺，均勻分布兩百三十六個(gè)接收點(diǎn)，其每個(gè)接收天線高度均1.2公尺。發(fā)射和接收天線皆采用由三根偶極天線所構(gòu)成之?dāng)?shù)組。

該研究以兩種不同的天線數(shù)組探討，分別是均勻線性數(shù)組天線和極化分集數(shù)組天線。使用的射線彈跳追蹤法，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)定為五次，最大透射次數(shù)設(shè)定為兩次。

在單一同頻干擾下，發(fā)射和接收天線皆采用由三根偶極天線所構(gòu)成之?dāng)?shù)組。采用均勻線性數(shù)組天線和極化分集數(shù)組天線，并在有無(wú)加入單一同頻干擾之計(jì)算均勻散布兩百三十六個(gè)接收點(diǎn)的平均信道容量對(duì)SNR的比較圖，此處SNR定義為發(fā)射端之信號(hào)平均功率對(duì)噪聲功率的比值。在沒(méi)有同頻干擾下，使用均勻線性數(shù)組的信道容量會(huì)高于極化分集數(shù)組的信道容量；在單一同頻干擾下，使用極化分集數(shù)組的信道容量會(huì)高于均勻線性數(shù)組的信道容量。

原因是當(dāng)MIMO系統(tǒng)中使用均勻線性數(shù)組時(shí)，會(huì)分解成幾個(gè)獨(dú)立的空間信道以提高信道容量，而此時(shí)這些獨(dú)立空間通道也會(huì)導(dǎo)入部分的干擾功率。然而與均勻線性數(shù)組相比，MIMO系統(tǒng)中采用極化分集數(shù)組可以增強(qiáng)信道容量，這意味著接收天線的極化和干擾天線極化不一樣時(shí)，干擾功率會(huì)降低。

換句話說(shuō)，當(dāng)MIMO系統(tǒng)中使用極化分集數(shù)組時(shí)，會(huì)分解成幾個(gè)獨(dú)立的空間信道以提高信道容量，但并非所有的獨(dú)立空間通道都會(huì)遭受干擾。在多根同頻干擾下，發(fā)射和接收天線皆采用由三根偶極天線所構(gòu)成之?dāng)?shù)組。采用ULA天線和PDA天線，并加入干擾源為ULA和PDA之計(jì)算均勻散布兩百三十六個(gè)接收點(diǎn)的平均信道容量對(duì)SNR的比較圖。

在3×3-ULA系統(tǒng)下，干擾源為均勻線性數(shù)組的信道容量會(huì)低于干擾源為極化分集數(shù)組的信道容量。在3×3-PDA系統(tǒng)下，干擾源為極化分集數(shù)組的信道容量會(huì)低于干擾源為均勻線性數(shù)組的信道容量。

其原因是當(dāng)MIMO-WLAN系統(tǒng)和干擾的天線數(shù)組相同的時(shí)候，收到同頻干擾功率會(huì)變大，反之所需的系統(tǒng)和干擾的天線數(shù)組不同時(shí)，可以得到相反的結(jié)果。有干擾的情況下，3×3-PDA系統(tǒng)的抗干擾程度較優(yōu)于3×3-ULA系統(tǒng)，當(dāng)MIMO-WLAN系統(tǒng)的天線跟干擾的天線數(shù)組不同時(shí)抗干擾的免疫力會(huì)增加。