隧道環境單根泄漏電纜MIMO系統的性能測量

匡 震,尹曉宇,武藝鳴,鄭國莘

(上海大學特種光纖與光接入網省部共建重點實驗室,上海200444)

2015年,中國城市軌道交通協會發布了使用長期演進系統(long term evolution,LTE)技術的城市軌道交通車地綜合通信系統規范,指出工作在1.8 GHz頻段的時分長期演進系統(times division long term evolution,TD-LTE)技術將被用于承載軌道交通業務.泄漏電纜具有傳輸距離遠、均勻覆蓋的特性,因此被廣泛應用.通常2×2多輸入多輸出(multiple-input multiple-output,MIMO)系統需要部署兩根泄漏電纜,以提供更大的信道容量.為了降低空間需求,減少部署成本,可采用單根漏纜,信號從兩端饋入構成2×2 MIMO系統.Hou等[1]提出了采用單纜構成2×2 MIMO系統的概念,并與傳統半波偶極子天線構成的MIMO系統進行了比較.Farahneh等[2]給出了平坦衰落信道下模型的理論表達式,并研究了槽口周期對信道特性的影響.Wu等[3]對采用單纜的2×2 MIMO系統進行了理論分析,給出了槽口周期和相關性的公式.Kafle等[4]描述了寬帶MIMO特性,給出了室內環境下信道容量的測試結果,并分析了空間相關性對信道容量的影響.Medbo等[5]給出了2.4 GHz頻段在室內采用雙纜實現MIMO的信道特性.Valdesueiro等[6]分析了信號功率對信道容量的影響,對單極化和混合極化情形進行了理論分析,并給出了實際漏纜隧道中采用兩根漏纜構成2×2 MIMO系統不同漏纜間距和極化方式對性能的影響.Kyritsi等[7]分析了MIMO天線陣列不同極化方式對信道容量和接收功率的影響.鄭國莘等[8]給出了LTE-M頻段雙漏纜MIMO系統的相關性測量.Tsukamoto等[9]討論了構成2×2 MIMO系統的兩根漏纜間距過近時對系統性能的影響.Hou等[10]給出了WLAN頻段下采用雙纜和采用自由天線構成2×2 MIMO的性能比較.

目前,對單纜雙饋MIMO系統的研究仍缺乏隧道環境下的測量數據.因此,本工作研究1.8 GHz頻段在隧道環境下采用單纜雙饋構成的2×2 MIMO系統,并通過測量與雙纜構成MIMO系統進行比較,主要分析發射端泄漏電纜極化配置(H-type,V-type)、接收端自由天線極化配置,以及不同區域位置對MIMO信道容量的影響.

1 單纜2×2 MIMO系統

MIMO系統模型如圖1所示.通常2×2 MIMO采用兩根泄漏電纜作為發射天線,射頻信號從兩根纜的同相端同時饋入,接收端采用半波偶極子天線接收.在單纜雙饋的MIMO系統中,信號從同一根纜的正向端與反向端同時饋入,由于兩路信號輻射方向相反,在泄漏電纜內部傳輸路徑中具有較低的相關性[1].接收端同樣采用兩根半波偶極子天線進行接收.假設信道狀態信息(channel state information,CSI)在發射端是未知的,并且在接收端可以準確獲取.泄漏電纜的發射端采用等功率分配方式,信號功率歸一化為1,初始相位為0.將信號從每個槽口輻射通過的空間信道看作相互獨立的子空間信道,總的空間信道可以看成是L個空間子信道的集合.表示發射信號從漏纜左端和右端饋入,從第i個槽口輻射形成的子空間信道,接收天線得到的第i個槽口輻射信號可以表示為[3]

式中,s1和s2是復傳輸信號,αi是第i個槽口的縱向衰減因子,L為槽口數.將所有子空間信道進行疊加,得到接收到的總信號為

經過推導[3],兩信道的相關系數為

式中,Si是槽口到接收天線的距離.由式(3)可知,相關系數與槽口數L、槽口周期d0、漏纜單位槽口周期損耗因子α0相關,在合適的數值下ρ會很小,從而保證MIMO容量.

圖1 MIMO系統模型Fig.1 Model of MIMO system

2 測量場景與方法

2.1 測量環境與平臺搭建

實驗場景選取中天科技公司的電磁環境測量隧道.隧道長50 m,寬5 m,高3 m,鋼筋混凝土結構.隧道漏纜擺放位置示意圖如圖2所示.隧道內壁6個位置設有卡具用于擺放漏纜,選取位置1,3和5,分別標注為A1,A3和A5.隧道漏纜的間距如表1所示.

圖2 隧道漏纜擺放位置示意圖Fig.2 Schematic diagram of leaky cable placement in tunnel

表1 隧道漏纜擺放位置的間距Table 1 Interval of leaky cable in tunnel

實驗測量平臺示意圖如圖3所示.在接收端將50 m長的矩形隧道分成3個區域(區域1、區域2和區域3),其中區域2的中點對應隧道的中心位置(25 m處),區域1和區域3分別位于起點(0 m處)和終點(50 m處)位置.每個區域設置15個測量點,構成3行5列的矩陣.1.8 GHz信號波長λ=0.167 m,每個測量點之間的距離設為0.5 m,約為3 λ,具有較低相關性.實驗測量平臺包括發射模塊、接收模塊和時鐘同步模塊.在發射端,任意波形發射器Agilent E8267D VSG作為信號源,信號從泄漏電纜兩端分別饋入;接收端由接收天線與天線架、R&S FSG8頻譜儀、上位機構成,接收天線為半波偶極子天線,數據通過IQWizard軟件捕獲,由Matlab進行后期數據分析;發射端和接收端通過GPS時鐘同步模塊連接,保持發射端和接收端工作在統一時鐘頻率下.射頻信號工作頻率為1.8 GHz,發射功率為20 dBm,發射信號為偽噪聲(pseudo-noise,PN)序列,其長度為511,帶寬為40.8 MHz,采樣頻率為81.6 MHz.

圖3 實驗測量平臺示意圖Fig.3 Schematic diagram of measurement platform

2.2 測量方案

實際測量采用虛擬MIMO測量方法,信號先從A端饋入,數據采集完成后再從B端饋入,由于信道環境不變,數據處理分析時看作單根泄漏電纜雙向同時饋入,忽略泄漏電纜內部兩端雙向饋入對相關性的影響.在單纜雙饋測量中采用A3位置作為漏纜掛放位置,在雙纜測量中選取A1,A5作為漏纜掛放位置.

2.3 數據處理流程

對原始數據的處理包含多徑提取和參數計算兩個步驟.將含有幅度和相位信息的各路信道沖擊響應(channel impulse response,CIR)通過信道容量公式運算來分析MIMO系統參數,進而評估MIMO系統性能.

2.3.1 信號預處理過程

PN序列時域測量方法是一種寬帶信道測量方法.為了得到2×2 MIMO的功率時延譜(power delay profile,PDP),將接收信息R(t)與本地PN序列S(t)進行相關運算獲得兩兩天線間的復CIR,再進行平方運算得到PDP譜.在已知PDP譜上確定單個PN周期的最高主徑,根據多徑提取的經驗準則(噪聲閾值、最大多徑數),本工作將CIR主徑下降30 dB處設閾值.將每個有效徑進行矢量相加以獲取所有所有周期的CIR,并存儲為可以被Matlab讀取的Mat格式文件,以待進一步分析.信號預處理流程如圖4所示.

圖4 信號預處理流程圖Fig.4 Flow chart of signal preprocessing

2.3.2 信道容量計算

信道容量是綜合考量MIMO系統性能的重要指標.按照發射機是否可獲取CSI,可分為等功率分配MIMO信道容量與最優功率分配MIMO信道容量.等功率分配MIMO信道容量適用于發射機無法獲取CSI的情況,因此,本次測量分析中發射機采取等功率分配方案.

在MIMO系統中,假設發射端有Nt根天線,接收端有Nr根天線,則發射信號向量和接收信號向量可表示為

式中,H(t)表示MIMO系統Nr×Nt階信道矩陣,n(t)表示信道加性高斯白噪聲.傳輸信道的轉移矩陣H在2×2 MIMO系統中可表示為

式中,hij為發射端所對應接收端的信道沖擊響應.信道容量為

式中,IM表示M×M的單位矩陣,M表示發射天線和接收天線的數量,2×2 MIMO系統中M=2,(·)H是共軛轉置運算符,ρ是平均信噪比.

3 結果分析

下面分析單纜和雙纜MIMO方案的性能,包括漏纜和接收天線極化配置、區域位置以及信噪比等參數對信道容量的影響.

天線極化方式命名規則如下:LCX-VV指采用雙纜MIMO系統,兩根纜均采用垂直極化;LCX-HV指采用雙纜MIMO系統,其中一根纜采用水平極化,一根纜采用垂直極化情形;LCX-V指采用單纜構成MIMO系統情形,該纜為垂直極化;RX-V指接收端天線極化方式為垂直極化,以此類推.在分析極化方式對信道容量的影響時,接收區域選取區域2為典型情形;在分析區域對信道容量的影響時,選取極化方式LCX-VV,RX-V為典型情形.在測量方案中,選擇單輸入單輸出(single-input single-output,SISO)實測情形、雙纜實現MIMO情形和瑞利信道下獨立同分布情形作為參考,與單纜雙饋實現MIMO的情形進行比較.待分析參數如表2所示.

表2 待分析參數Table 2 Parameters to be analysed

圖5給出了單纜雙饋MIMO(A3,B3)、雙纜MIMO(A1,A5)情形在不同極化方式下的信道容曲線,區域位置選取區域2為例.圖6給出了單纜雙饋MIMO(A3,B3)、雙纜MIMO(A1,A5)情形在不同區域下的信道容量曲線,極化方式選取LCX-VV,RX-V情形為例.表3和4綜合給出了固定信噪比(10 dB)下采用單纜雙饋方案和采用雙纜方案在不同極化方式和不同區域下的容量均值,并將SISO實測情形與瑞利信道下獨立同分布(i.i.d)情形的容量均值進行了對比.

圖5 不同極化方式的信道容量對比Fig.5 Channel capacity analysis for different polarization measurement

圖6 不同區域的信道容量對比Fig.6 Channel capacity analysis in different regions

(1)不同測量方案.本工作以瑞利信道下獨立同分布情形作為基準對比,由表3和4可以看出:采用雙纜構成的MIMO系統性能較好,要略好于作為基準的瑞利信道獨立同分布情形;采用單纜雙饋的MIMO系統性能略低于瑞利信道獨立同分布情形,但差距不大,采用單纜SISO情形性能最差,明顯低于前兩種方案.

表3 單纜雙饋(A3,B3)信道容量均值Table 3 Mean value of channel capacity using single LCX(A3,B3)

表4 雙纜(A1,A5)信道容量均值Table 4 Mean value of channel capacity using two LCXs(A1,A5)

(2)不同極化方式.從圖5、表3和4中可以看出:采用不同極化方式會影響MIMO性能,但不是很明顯.這是由于當發射端和接收端采用不同極化方式時,降低了信號相關性,有利于提高信道容量.在采用單纜雙饋方案中,發射端采用水平極化方式性能差于采用垂直極化方式,這是因為漏纜采用水平極化方式時,波形相對于隧道內壁為平行極化,造成布魯斯特角現象[7].當波形與內壁形成角度接近布魯斯特角時,反射波會極大降低,導致功率衰減過大,信道容量值相對減小.因此,采用LCX-V,RX-V極化方式信道容量靜態值會更加接近瑞利信道下獨立同分布情形,可以實現更好的MIMO性能.在采用雙纜實現MIMO系統方案中,采用同極化方式性能好于采用交叉極化方式,這是因為天線極化方式不同導致隧道內壁不同的反射系數.由于隧道內壁為導體材料,擁有高介電常數,發射端采用同極化方式會導致更高的反射波,因此,采用同極化方式功率衰減相對于交叉極化更小,信道容量相對較高.

(3)不同區域.為了更直觀地比較不同區域的情況,本工作通過圖6、表3和4給出了采用單纜雙饋和雙纜在不同區域下的容量均值.可以看出,不同接受區域對信道容量沒有明顯的影響,這是因為在隧道空間長沿線傳輸時,采用泄漏電纜可以實現均勻的覆蓋特性.在區域1的信道容量略低于其他區域,這是因為區域1在隧道出口位置靠近外部走廊,受環境的影響,多徑效應明顯,從而使得信道容量均值減少.

4 結束語

本工作給出了隧道場景下采用單纜雙饋和雙纜構成MIMO系統在不同極化方式、不同區域下的測量結果.采用單根漏纜雙向饋入構成MIMO系統方案可以很好地適用于隧道場景中.采用單根漏纜雙向饋入構成MIMO系統方案性能接近采用兩根泄漏電纜構成MIMO方案,但明顯好于采用SISO系統方案.在單根漏纜雙向饋入構成MIMO系統方案中,泄漏電纜和接收天線均采用垂直極化方式時性能最好.這表明單根泄漏電纜雙向饋入構成MIMO系統具有可行性,可大幅度減少線路投資,但單漏纜MIMO系統的實施還需要通信廠商進一步配合研發射頻拉遠單元(radio remote unit,RRU)技術.