基于Wireless Insite的城鎮廠區MIMO信道特性分析*

2015-07-10 13:47:17蘇國杰徐光輝王華力張翼鵬解放軍理工大學通信工程學院江蘇南京0007空軍954部隊8分隊河北唐山06400南京炮兵學院炮兵作戰實驗室江蘇南京

通信技術 2015年2期

蘇國杰,徐光輝,王華力,劉洋,張翼鵬(.解放軍理工大學通信工程學院,江蘇南京0007;.空軍954部隊8分隊,河北唐山06400; .南京炮兵學院炮兵作戰實驗室,江蘇南京)

蘇國杰1,徐光輝1,王華力1,劉洋2,張翼鵬3
(1.解放軍理工大學通信工程學院,江蘇南京210007;2.空軍93514部隊83分隊,河北唐山064200; 3.南京炮兵學院炮兵作戰實驗室,江蘇南京211132)

為分析城鎮廠區的MIMO信道特性,文中建立了特定廠區的3D確定性模型,并針對2.45 GHz和5.8 GHz兩種載波頻率,利用Wireless Insite軟件對廠區MIMO信道的接收功率、路徑損耗和時延擴展等信道特性參數進行了仿真分析。結果表明,4×4MIMO系統下兩種載波頻率路徑損耗相差不大,2.45 GHz相對5.8 GHz能獲得較高的接收功率,但時延擴展嚴重。綜合考慮,5.8 GHz頻段更適合城鎮廠區MIMO信道的鋪設,但需要考慮增加發射功率和減小覆蓋范圍等問題。

Wireless Insite 無線信道建模 MIMO 信道特性

0 引言

MIMO(Multiple Input Multiple Output,多輸入多輸出)技術作為未來一代寬帶無線通信的關鍵技術,近年來受到越來越多的關注。它利用多天線來抑制信道衰落,在不增加帶寬與功率的情況下成倍地提高無線通信系統的容量和頻譜效率[1]。然而,無論是要實現MIMO系統的大容量特性,還是要提高其它方面的性能,甚至要優化MIMO系統中使用的信號處理算法的性能,都極大地依賴于MIMO信道的特性[2-3]。

此前,人們關于MIMO信道特性的研究大都基于室內環境,如文獻[4]對室內MIMO信道進行建模,分別運用確定性模型中的射線追蹤法和統計模型這兩種方法建模,并對信道容量參數進行仿真比較分析,文獻[5]采用基于網絡分析儀的信道測量平臺對典型辦公環境下6.0～6.4 GHz MIMO無線信道特性進行測量和分析,為了明確高頻段為系統設計帶來的新問題,將測量得到的高頻段MIMO信道特性參數與低頻段對比。文獻[6-7]詳細分析了MIMO信道建模仿真工作的研究現狀。文獻[8]是目前為止,在2.45 GHz頻段開展的最為全面的室內環境MIMO無線信道測量工作。

考慮到目前戶外MIMO系統相關研究甚為稀少,為更加全面了解MIMO信道特性,文章針對城鎮廠區這一戶外地理場景,首先建立包含地形、地物和植被的確定性3D模型,然后利用Wireless Insite軟件仿真分析了視距(LOS)和非視距(NLOS)情形下,載波頻率分別為2.45 GHz和5.8 GHz時城鎮廠區的MIMO信道特性。通過對比分析兩個頻段的傳播損耗和時延擴展等差異,為工程上搭建戶外MIMO系統提供參考依據。

1 基礎理論

1.1 M IMO無線通信系統

MIMO系統定義簡單,指在通信鏈路的發射端和接收端均使用多個天線元素(即天線陣列)的傳輸系統。考慮發送端有M個發射天線,接收端有N個接收天線,其系統示意圖如圖1所示。

圖1 MIMO系統示意Fig.1 Diagram of MIMO system

設MIMO天線陣列上發射信號為[9]:x=[x1, x2,…xM],接收信號為:y=[y1,y2,…yN],對于平坦衰落信道,信道的信號模型為:

式中,n(t)是加性高斯白噪聲,H(t)是N×M維的MIMO信道矩陣,其數學表達式為:

MIMO系統在發送端和接收端各設置多重天線,可以提供空間分集效應,克服電波衰落的不良影響。此外,安排恰當的多副天線可以提供多個空間信道,從而信道不會全部同時受到衰落,這是一種近于最優的空域時域聯合的分集和干擾對消處理。

1.2 路徑損耗(Path Loss)

無線電波在傳輸過程中,不可避免的會發生路徑損耗,而損耗的程度直接決定著信號功率衰減情況,決定著信道性能的優劣。MIMO無線信道的路徑損耗定義為[5]:

式中,H(i,j,f)為第i根接收天線與第j根發射天線之間在頻率f處的信道頻率響應;酌為損耗系數,d為收發天線的距離,單位為m;L0為參考距離處的路徑損耗。自由空間基本傳輸損耗定義為:

式中,d憶為收發天線之間的距離,單位為km;f為發射頻率,單位為MHz。現實傳播環境中不可能存在自由空間這種理想情形,這里給出自由空間傳輸損耗只是作為一個衡量信道性能優劣的參照基準。

1.3 時延擴展(Delay Spread)

時延擴展是衡量信道性能的一個十分重要的參數,定義為最大傳輸時延和最小傳輸時延的差值,其特性由時延功率譜(PDP,Power Delay Profile)描述。PDP[10]定義為無線信道多徑成分在時延域上的分布:

式中,h(i,j,子)為第i根接收天線與第j根發射天線之間的信道沖擊響應,該參數由頻率響應經過離散傅里葉反變換(IDFT,Inverse Discrete Fourier Transform)獲得[11]:

式中,w(f)為布萊克曼窗函數,用以消除頻域截斷帶來的影響。Wireless Insite中計算時延擴展的公式為:

2 典型場景確定性建模

傳統統計模型在MIMO信道仿真中偏差較大,而仿真的準確程度影響著整個系統評估的可靠性與合理性。因此,建立精確地信道模型對于分析MIMO信道特性至關重要。文中利用Wireless Insite自帶工具對某特定廠區進行確定性建模,該廠區面積為740 m×755 m,建筑物統一高度為10 m,樹木高5 m,綠化帶高1 m,具體建模流程如圖2所示。

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

建模過程中,需指定所選用材料的電特性參數,查閱相關文獻[12-13],選定文中所用材料的電特性參數如表1所示。

表1 電特性參數Table 1 Electrical parameters

發射機放置在整個工廠區域中間位置,高度設為13 m(一是保證廠區覆蓋;二是貼近工程實際), MIMO系統時設置4個發射機,間距0.061 m。3條接收機路徑間隔大致100 m,每條路徑放置30個接收機,高度統一為2 m,間距0.061 m(d=0.061 m= 0.5姿2.45GHz=1.2姿5.8GHz,d逸0.5姿以保證接收天線輸出信號的衰落特性是相互獨立的[14])。最終得到非視距傳播模型和收發機位置如圖3所示。

圖3 NLOS傳播3D模型Fig.3 NLOS propagation model in 3D

文中重點是對比分析視距和非視距兩種情況下,戶外廠區MIMO系統信道特性的差異,為便于比較,視距模型的構建基于非視距模型:刪除阻擋視距傳播的建筑物,保持發射機和接收機位置、數量等參數不變。得到廠區視距傳播模型如圖4所示。

圖4 LOS傳播3D模型Fig.4 LOS propagation model in 3D

3 仿真參數的選擇

Wireless Insite是REMCOM軟件包中一款對復雜電磁環境進行建模仿真預測分析的軟件,它基于UTD/GTD理論,采用射線跟蹤方法建立傳播模型,可以在50～40 GHz頻段內提供精確的計算結果[15],適用于本文研究的頻段(2.45 GHz和5.8 GHz)。設置仿真參數如表2所示。

表2 仿真參數Table 2 Simulation parameters

4 仿真和性能分析

本節主要分為3部分:不同傳播情形下各接收路徑的接收功率仿真,廠區4×4MIMO系統的路徑損耗仿真,不同傳播情形下各接收路徑時延擴展的統計結果分析。

4.1 接收功率

Wireless Insite軟件仿真功能強大,但數據分析能力不足,文中將仿真結果導入Matlab軟件進行數據分析。得到不同傳播情形下(視距和非視距),不同發射機個數時,各接收機路徑的接收功率如圖5～圖10所示。

圖6 非視距情形下Route2接收功率Fig.6 Received power of Route2 in NLOS

圖7 非視距情形下Route3接收功率Fig.7 Received power of Route3 in NLOS

圖8 視距情形下Route1接收功率Fig.8 Received power of Route1 in LOS

圖9 視距情形下Route2接收功率Fig.9 Received power of Route2 in LOS

圖10 視距情形下Route3接收功率Fig.10 Received power of Route3 in LOS

由圖5～圖10可以看出,同一接收路徑:非視距傳播時,接收功率2.45 GHz-4P>5.8 GHz-4P> 2.45 GHz-1P>5.8 GHz-1P,視距傳播時,接收功率2.45 GHz-4P>2.45 GHz-1P>5.8 GHz-4P> 5.8 GHz-1P。這表明,城鎮廠區環境下,MIMO系統可以提高信道傳輸效率且載波頻率2.45 GHz相對5.8 GHz能獲得較高的接收功率。

進一步分析仿真數據發現,非視距傳播時,接收功率不僅和傳輸距離有關還和接收機附近散射環境有關。3條接收機路徑中Route2周圍散射體最多,故雖然Route2相對Route1距發射機遠大約100 m,但接收功率卻大于Route1,表明復雜的傳輸環境有利于提高MIMO系統的傳輸性能;而視距傳播時,由于存在大量直射路徑,接收功率高于非視距傳播,但衰減速度也明顯高于非視距傳播。

4.2 路徑損耗

MIMO系統下,各路徑刪除末尾兩個接收機,其余相鄰4個接收機編為一組,得到7組接收機,構成4×4MIMO系統。依據Wireless Insite仿真結果,計算廠區4×4MIMO系統路徑損耗平均值,結果如表3所示。

表3 路徑損耗平均值Table 3 Average value of path loss

由表3可以看出,MIMO系統非視距情形下, 2.45 GHz和5.8 GHz路徑損耗相差不大,且路徑損耗并不是隨傳播距離增大而線性增加;視距傳輸時,路徑損耗基本符合線性衰減,通過對仿真結果進行最小二乘線性擬合,得到視距傳播時,廠區4× 4MIMO信道的傳輸損耗公式為:

4.3 時延擴展

時延擴展定義為最大傳輸時延和最小傳輸時延的差值,即最后一個可分辨的時延信號與第一個時延信號到達時間的差值,實際上就是脈沖展寬的時間,是衡量多徑傳播信道質量的一個重要指標。此處僅給出Route2的時延擴展圖示,如圖11～圖12所示。

圖11 非視距情形下Route2時延擴展Fig.11 Delay spread of Route2 in NLOS

圖12 視距情形下Route2時延擴展Fig.12 Delay spread of Route2 in LOS

各路徑在不同情形下的時延擴展平均值統計如表4所示。

表4 時延擴展平均值Table 4 Average value of delay spread

由表4可以看出,各接收路徑大部分時延擴展都集中在150～305 ns之間,只有在非視距情形下, Route3的時延擴展在60～80 ns之間,究其原因是因為:Route3夾在兩排間隔很小的長排建筑物中間,且距離發射機最遠,能到達發射機的射線都經過類似的路徑,所以時延擴展較小。

此外,非視距情形下時延擴展比視距情形下小100～150 ns,因為視距傳輸時存在直射路徑,它到達接收機的時間明顯小于反射和折射路徑,故時延擴展較大,且5.8 GHz相對2.45 GHz擁有更小的時延擴展。

5 結語

MIMO技術是當前無線通信領域的研究熱點,文中基于Wireless Insite軟件,在建立確定性模型的基礎上,選取當前通信領域最常用的兩種載波頻率(2.45 GHz和5.8 GHz),對特定廠區MIMO信道的接收功率、路徑損耗和時延擴展等信道特性參數進行了仿真分析。仿真結果表明,4×4MIMO系統下兩種載波頻率路徑損耗相差不大,2.45 GHz相對5.8 GHz能獲得較高的接收功率,但時延擴展嚴重。考慮到5.8 GHz的信道容量高于2.45 GHz且當下2.45 GHz頻段擁擠,故5.8 GHz頻段更適合城鎮廠區MIMO信道的鋪設,但需要考慮增加發射功率和減小覆蓋范圍等問題。

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

徐光輝(1973—),男,副教授,主要研究方向為SOC技術與嵌入式系統設計;

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

王華力(1976—),男,教授,主要研究方向為信息感知、處理與對抗;

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

劉洋(1989—),男,學士,主要研究方向為衛星通信;

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

張翼鵬(1988—),男,講師,主要研究方向為信息隱藏技術。

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

?視距情形下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