隧道环境单根泄漏电缆MIMO系统的性能测量

匡 震,尹晓宇,武艺鸣,郑国莘

(上海大学特种光纤与光接入网省部共建重点实验室,上海200444)

2015年,中国城市轨道交通协会发布了使用长期演进系统(long term evolution,LTE)技术的城市轨道交通车地综合通信系统规范,指出工作在1.8 GHz频段的时分长期演进系统(times division long term evolution,TD-LTE)技术将被用于承载轨道交通业务.泄漏电缆具有传输距离远、均匀覆盖的特性,因此被广泛应用.通常2×2多输入多输出(multiple-input multiple-output,MIMO)系统需要部署两根泄漏电缆,以提供更大的信道容量.为了降低空间需求,减少部署成本,可采用单根漏缆,信号从两端馈入构成2×2 MIMO系统.Hou等[1]提出了采用单缆构成2×2 MIMO系统的概念,并与传统半波偶极子天线构成的MIMO系统进行了比较.Farahneh等[2]给出了平坦衰落信道下模型的理论表达式,并研究了槽口周期对信道特性的影响.Wu等[3]对采用单缆的2×2 MIMO系统进行了理论分析,给出了槽口周期和相关性的公式.Kafle等[4]描述了宽带MIMO特性,给出了室内环境下信道容量的测试结果,并分析了空间相关性对信道容量的影响.Medbo等[5]给出了2.4 GHz频段在室内采用双缆实现MIMO的信道特性.Valdesueiro等[6]分析了信号功率对信道容量的影响,对单极化和混合极化情形进行了理论分析,并给出了实际漏缆隧道中采用两根漏缆构成2×2 MIMO系统不同漏缆间距和极化方式对性能的影响.Kyritsi等[7]分析了MIMO天线阵列不同极化方式对信道容量和接收功率的影响.郑国莘等[8]给出了LTE-M频段双漏缆MIMO系统的相关性测量.Tsukamoto等[9]讨论了构成2×2 MIMO系统的两根漏缆间距过近时对系统性能的影响.Hou等[10]给出了WLAN频段下采用双缆和采用自由天线构成2×2 MIMO的性能比较.

目前,对单缆双馈MIMO系统的研究仍缺乏隧道环境下的测量数据.因此,本工作研究1.8 GHz频段在隧道环境下采用单缆双馈构成的2×2 MIMO系统,并通过测量与双缆构成MIMO系统进行比较,主要分析发射端泄漏电缆极化配置(H-type,V-type)、接收端自由天线极化配置,以及不同区域位置对MIMO信道容量的影响.

1 单缆2×2 MIMO系统

MIMO系统模型如图1所示.通常2×2 MIMO采用两根泄漏电缆作为发射天线,射频信号从两根缆的同相端同时馈入,接收端采用半波偶极子天线接收.在单缆双馈的MIMO系统中,信号从同一根缆的正向端与反向端同时馈入,由于两路信号辐射方向相反,在泄漏电缆内部传输路径中具有较低的相关性[1].接收端同样采用两根半波偶极子天线进行接收.假设信道状态信息(channel state information,CSI)在发射端是未知的,并且在接收端可以准确获取.泄漏电缆的发射端采用等功率分配方式,信号功率归一化为1,初始相位为0.将信号从每个槽口辐射通过的空间信道看作相互独立的子空间信道,总的空间信道可以看成是L个空间子信道的集合.表示发射信号从漏缆左端和右端馈入,从第i个槽口辐射形成的子空间信道,接收天线得到的第i个槽口辐射信号可以表示为[3]

式中,s1和s2是复传输信号,αi是第i个槽口的纵向衰减因子,L为槽口数.将所有子空间信道进行叠加,得到接收到的总信号为

经过推导[3],两信道的相关系数为

式中,Si是槽口到接收天线的距离.由式(3)可知,相关系数与槽口数L、槽口周期d0、漏缆单位槽口周期损耗因子α0相关,在合适的数值下ρ会很小,从而保证MIMO容量.

图1 MIMO系统模型Fig.1 Model of MIMO system

2 测量场景与方法

2.1 测量环境与平台搭建

实验场景选取中天科技公司的电磁环境测量隧道.隧道长50 m,宽5 m,高3 m,钢筋混凝土结构.隧道漏缆摆放位置示意图如图2所示.隧道内壁6个位置设有卡具用于摆放漏缆,选取位置1,3和5,分别标注为A1,A3和A5.隧道漏缆的间距如表1所示.

图2 隧道漏缆摆放位置示意图Fig.2 Schematic diagram of leaky cable placement in tunnel

表1 隧道漏缆摆放位置的间距Table 1 Interval of leaky cable in tunnel

实验测量平台示意图如图3所示.在接收端将50 m长的矩形隧道分成3个区域(区域1、区域2和区域3),其中区域2的中点对应隧道的中心位置(25 m处),区域1和区域3分别位于起点(0 m处)和终点(50 m处)位置.每个区域设置15个测量点,构成3行5列的矩阵.1.8 GHz信号波长λ=0.167 m,每个测量点之间的距离设为0.5 m,约为3 λ,具有较低相关性.实验测量平台包括发射模块、接收模块和时钟同步模块.在发射端,任意波形发射器Agilent E8267D VSG作为信号源,信号从泄漏电缆两端分别馈入;接收端由接收天线与天线架、R&S FSG8频谱仪、上位机构成,接收天线为半波偶极子天线,数据通过IQWizard软件捕获,由Matlab进行后期数据分析;发射端和接收端通过GPS时钟同步模块连接,保持发射端和接收端工作在统一时钟频率下.射频信号工作频率为1.8 GHz,发射功率为20 dBm,发射信号为伪噪声(pseudo-noise,PN)序列,其长度为511,带宽为40.8 MHz,采样频率为81.6 MHz.

图3 实验测量平台示意图Fig.3 Schematic diagram of measurement platform

2.2 测量方案

实际测量采用虚拟MIMO测量方法,信号先从A端馈入,数据采集完成后再从B端馈入,由于信道环境不变,数据处理分析时看作单根泄漏电缆双向同时馈入,忽略泄漏电缆内部两端双向馈入对相关性的影响.在单缆双馈测量中采用A3位置作为漏缆挂放位置,在双缆测量中选取A1,A5作为漏缆挂放位置.

2.3 数据处理流程

对原始数据的处理包含多径提取和参数计算两个步骤.将含有幅度和相位信息的各路信道冲击响应(channel impulse response,CIR)通过信道容量公式运算来分析MIMO系统参数,进而评估MIMO系统性能.

2.3.1 信号预处理过程

PN序列时域测量方法是一种宽带信道测量方法.为了得到2×2 MIMO的功率时延谱(power delay profile,PDP),将接收信息R(t)与本地PN序列S(t)进行相关运算获得两两天线间的复CIR,再进行平方运算得到PDP谱.在已知PDP谱上确定单个PN周期的最高主径,根据多径提取的经验准则(噪声阈值、最大多径数),本工作将CIR主径下降30 dB处设阈值.将每个有效径进行矢量相加以获取所有所有周期的CIR,并存储为可以被Matlab读取的Mat格式文件,以待进一步分析.信号预处理流程如图4所示.

图4 信号预处理流程图Fig.4 Flow chart of signal preprocessing

2.3.2 信道容量计算

信道容量是综合考量MIMO系统性能的重要指标.按照发射机是否可获取CSI,可分为等功率分配MIMO信道容量与最优功率分配MIMO信道容量.等功率分配MIMO信道容量适用于发射机无法获取CSI的情况,因此,本次测量分析中发射机采取等功率分配方案.

在MIMO系统中,假设发射端有Nt根天线,接收端有Nr根天线,则发射信号向量和接收信号向量可表示为

式中,H(t)表示MIMO系统Nr×Nt阶信道矩阵,n(t)表示信道加性高斯白噪声.传输信道的转移矩阵H在2×2 MIMO系统中可表示为

式中,hij为发射端所对应接收端的信道冲击响应.信道容量为

式中,IM表示M×M的单位矩阵,M表示发射天线和接收天线的数量,2×2 MIMO系统中M=2,(·)H是共轭转置运算符,ρ是平均信噪比.

3 结果分析

下面分析单缆和双缆MIMO方案的性能,包括漏缆和接收天线极化配置、区域位置以及信噪比等参数对信道容量的影响.

天线极化方式命名规则如下:LCX-VV指采用双缆MIMO系统,两根缆均采用垂直极化;LCX-HV指采用双缆MIMO系统,其中一根缆采用水平极化,一根缆采用垂直极化情形;LCX-V指采用单缆构成MIMO系统情形,该缆为垂直极化;RX-V指接收端天线极化方式为垂直极化,以此类推.在分析极化方式对信道容量的影响时,接收区域选取区域2为典型情形;在分析区域对信道容量的影响时,选取极化方式LCX-VV,RX-V为典型情形.在测量方案中,选择单输入单输出(single-input single-output,SISO)实测情形、双缆实现MIMO情形和瑞利信道下独立同分布情形作为参考,与单缆双馈实现MIMO的情形进行比较.待分析参数如表2所示.

表2 待分析参数Table 2 Parameters to be analysed

图5给出了单缆双馈MIMO(A3,B3)、双缆MIMO(A1,A5)情形在不同极化方式下的信道容曲线,区域位置选取区域2为例.图6给出了单缆双馈MIMO(A3,B3)、双缆MIMO(A1,A5)情形在不同区域下的信道容量曲线,极化方式选取LCX-VV,RX-V情形为例.表3和4综合给出了固定信噪比(10 dB)下采用单缆双馈方案和采用双缆方案在不同极化方式和不同区域下的容量均值,并将SISO实测情形与瑞利信道下独立同分布(i.i.d)情形的容量均值进行了对比.

图5 不同极化方式的信道容量对比Fig.5 Channel capacity analysis for different polarization measurement

图6 不同区域的信道容量对比Fig.6 Channel capacity analysis in different regions

(1)不同测量方案.本工作以瑞利信道下独立同分布情形作为基准对比,由表3和4可以看出:采用双缆构成的MIMO系统性能较好,要略好于作为基准的瑞利信道独立同分布情形;采用单缆双馈的MIMO系统性能略低于瑞利信道独立同分布情形,但差距不大,采用单缆SISO情形性能最差,明显低于前两种方案.

表3 单缆双馈(A3,B3)信道容量均值Table 3 Mean value of channel capacity using single LCX(A3,B3)

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

(2)不同极化方式.从图5、表3和4中可以看出:采用不同极化方式会影响MIMO性能,但不是很明显.这是由于当发射端和接收端采用不同极化方式时,降低了信号相关性,有利于提高信道容量.在采用单缆双馈方案中,发射端采用水平极化方式性能差于采用垂直极化方式,这是因为漏缆采用水平极化方式时,波形相对于隧道内壁为平行极化,造成布鲁斯特角现象[7].当波形与内壁形成角度接近布鲁斯特角时,反射波会极大降低,导致功率衰减过大,信道容量值相对减小.因此,采用LCX-V,RX-V极化方式信道容量静态值会更加接近瑞利信道下独立同分布情形,可以实现更好的MIMO性能.在采用双缆实现MIMO系统方案中,采用同极化方式性能好于采用交叉极化方式,这是因为天线极化方式不同导致隧道内壁不同的反射系数.由于隧道内壁为导体材料,拥有高介电常数,发射端采用同极化方式会导致更高的反射波,因此,采用同极化方式功率衰减相对于交叉极化更小,信道容量相对较高.

(3)不同区域.为了更直观地比较不同区域的情况,本工作通过图6、表3和4给出了采用单缆双馈和双缆在不同区域下的容量均值.可以看出,不同接受区域对信道容量没有明显的影响,这是因为在隧道空间长沿线传输时,采用泄漏电缆可以实现均匀的覆盖特性.在区域1的信道容量略低于其他区域,这是因为区域1在隧道出口位置靠近外部走廊,受环境的影响,多径效应明显,从而使得信道容量均值减少.

4 结束语

本工作给出了隧道场景下采用单缆双馈和双缆构成MIMO系统在不同极化方式、不同区域下的测量结果.采用单根漏缆双向馈入构成MIMO系统方案可以很好地适用于隧道场景中.采用单根漏缆双向馈入构成MIMO系统方案性能接近采用两根泄漏电缆构成MIMO方案,但明显好于采用SISO系统方案.在单根漏缆双向馈入构成MIMO系统方案中,泄漏电缆和接收天线均采用垂直极化方式时性能最好.这表明单根泄漏电缆双向馈入构成MIMO系统具有可行性,可大幅度减少线路投资,但单漏缆MIMO系统的实施还需要通信厂商进一步配合研发射频拉远单元(radio remote unit,RRU)技术.