隧道環(huán)境單根泄漏電纜MIMO系統(tǒng)的性能測量

隧道環(huán)境單根泄漏電纜MIMO系統(tǒng)的性能測量匡震伊?xí)杂?武藝鳴;鄭國莘【摘要】通常多輸入多輸出(multiple-inputmultiple-output,MIMO)系統(tǒng)需要兩根以上泄漏電纜來傳輸不同信息流.研究隧道環(huán)境下單根泄漏電纜雙向饋入構(gòu)成2x2MIMO系統(tǒng)的性能.測量結(jié)果發(fā)現(xiàn),單根泄漏電纜MIMO系統(tǒng)的容量與雙根泄漏電纜構(gòu)成的MIM。系統(tǒng)接近，明顯優(yōu)于單輸入單輸出(single-inputsingle-output,SISO)系統(tǒng).研究結(jié)果可為軌道交通系統(tǒng)LTE-M通信專網(wǎng)設(shè)計(jì)提供參考.【期刊名稱】《上海大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)》【年(卷)，期】2019(025)002【總頁數(shù)】9頁(P171-179)【關(guān)鍵詞】泄漏電纜;地鐵長期演進(jìn)系統(tǒng);多輸入多輸出;信道容量;通信系統(tǒng)【作者】匡震伊?xí)杂?武藝鳴;鄭國莘【作者單位】上海大學(xué)特種光纖與光接入網(wǎng)省部共建重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海200444;上海大學(xué)特種光纖與光接入網(wǎng)省部共建重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海200444;上海大學(xué)特種光纖與光接入網(wǎng)省部共建重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海200444;上海大學(xué)特種光纖與光接入網(wǎng)省部共建重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海200444【正文語種】中文【中圖分類】TN922015年，中國城市軌道交通協(xié)會(huì)發(fā)布了使用長期演進(jìn)系統(tǒng)(longtermevolution,LTE)技術(shù)的城市軌道交通車地綜合通信系統(tǒng)規(guī)范指出工作在1.8GHz頻段的時(shí)分長期演進(jìn)系統(tǒng)(timesdivisionlongtermevolution,TD-LTE)技術(shù)將被用于承載軌道交通業(yè)務(wù).泄漏電纜具有傳輸距離遠(yuǎn)、均勻覆蓋的特性,因此被廣泛應(yīng)用.通常2x2多輸入多輸出(multiple-inputmultiple-output,MIMO)系統(tǒng)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(hào)從兩端饋入構(gòu)成2x2MIMO系統(tǒng).Hou等［1］提出了采用單纜構(gòu)成2x2MIMO系統(tǒng)的概念，并與傳統(tǒng)半波偶極子天線構(gòu)成的MIMO系統(tǒng)進(jìn)行了比較Farahneh等［2］給出了平坦衰落信道下模型的理論表達(dá)式，并研究了槽口周期對(duì)信道特性的影響.Wu等［3］對(duì)采用單纜的2x2MIMO系統(tǒng)進(jìn)行了理論分析，給出了槽口周期和相關(guān)性的公式.Kafle等［4］描述了寬帶MIMO特性，給出了室內(nèi)環(huán)境下信道容量的測試結(jié)果，并分析了空間相關(guān)性對(duì)信道容量的影響.Medb。等［5］給出了2.4GHz頻段在室內(nèi)采用雙纜實(shí)現(xiàn)MIMO的信道特性.Valdesueiro等［6］分析了信號(hào)功率對(duì)信道容量的影響，對(duì)單極化和混合極化情形進(jìn)行了理論分析，并給出了實(shí)際漏纜隧道中采用兩根漏纜構(gòu)成2x2MIMO系統(tǒng)不同漏纜間距和極化方式對(duì)性能的影響.Kyritsi等［7］分析了MIMO天線陣列不同極化方式對(duì)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(tǒng)的相關(guān)性測量.Tsukamoto等［9］討論了構(gòu)成2x2MIMO系統(tǒng)的兩根漏纜間距過近時(shí)對(duì)系統(tǒng)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(gòu)成2x2MIMO的性能比較.目前，對(duì)單纜雙饋MIMO系統(tǒng)的研究仍缺乏隧道環(huán)境下的測量數(shù)據(jù).因此，本工作研究1.8GHz頻段在隧道環(huán)境下采用單纜雙饋構(gòu)成的2x2MIMO系統(tǒng)，并通過測量與雙纜構(gòu)成MIMO系統(tǒng)進(jìn)行比較，主要分析發(fā)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(qū)域位置對(duì)MIM。信道容量的影響.1單纜2x2MIM。系統(tǒng)MIMO系統(tǒng)模型如圖1所示.通常2x2MIMO采用兩根泄漏電纜作為發(fā)射天線，射頻信號(hào)從兩根纜的同相端同時(shí)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(tǒng)中，信號(hào)從同一根纜的正向端與反向端同時(shí)饋入，由于兩路信號(hào)輻射方向相反，在泄漏電纜內(nèi)部傳輸路徑中具有較低的相關(guān)性[1].接收端同樣采用兩根半波偶極子天線進(jìn)行接收.假設(shè)信道狀態(tài)信息(channelstateinformation,CSI)在發(fā)射端是未知的,并且在接收端可以準(zhǔn)確獲取.泄漏電纜的發(fā)射端采用等功率分配方式，信號(hào)功率歸一化為1,初始相位為0.將信號(hào)從每個(gè)槽口輻射通過的空間信道看作相互獨(dú)立的子空間信道，總的空間信道可以看成是L個(gè)空間子信道的集合.表示發(fā)射信號(hào)從漏纜左端和右端饋入，從第i個(gè)槽口輻射形成的子空間信道，接收天線得到的第i個(gè)槽口輻射信號(hào)可以表示為[3]式中,s1和s2是復(fù)傳輸信號(hào),ai是第i個(gè)槽口的縱向衰減因子,L為槽口數(shù).將所有子空間信道進(jìn)行疊加，得到接收到的總信號(hào)為經(jīng)過推導(dǎo)[3],兩信道的相關(guān)系數(shù)為式中,Si是槽口到接收天線的距離.由式(3)可知相關(guān)系數(shù)與槽口數(shù)L、槽口周期d0、漏纜單位槽口周期損耗因子a0相關(guān),在合適的數(shù)值下p會(huì)很小，從而保證MIMO容量.圖1MIMO系統(tǒng)模型Fig.1ModelofMIMOsystem2測量場景與方法2.1測量環(huán)境與平臺(tái)搭建實(shí)驗(yàn)場景選取中天科技公司的電磁環(huán)境測量隧道.隧道長50m,寬5m,高3m,鋼筋混凝土結(jié)構(gòu).隧道漏纜擺放位置示意圖如圖2所示.隧道內(nèi)壁6個(gè)位置設(shè)有卡具用于擺放漏纜，選取位置1,3和5,分別標(biāo)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.2Schematicdiagramofleakycableplacementintunnel表1隧道漏纜擺放位置的間距Table1Intervalofleakycableintunnel?實(shí)驗(yàn)測量平臺(tái)示意圖如圖3所示.在接收端將50m長的矩形隧道分成3個(gè)區(qū)域（區(qū)域1、區(qū)域2和區(qū)域3）,其中區(qū)域2的中點(diǎn)對(duì)應(yīng)隧道的中心位置（25m處）,區(qū)域1和區(qū)域3分別位于起點(diǎn)（0m處）和終點(diǎn)（50m處）位置.每個(gè)區(qū)域設(shè)置15個(gè)測量點(diǎn)，構(gòu)成3行5列的矩陣.1.8GHz信號(hào)波長入=0.167m,每個(gè)測量點(diǎn)之間的距離設(shè)為0.5m,約為3入具有較低相關(guān)性.實(shí)驗(yàn)測量平臺(tái)包括發(fā)射模塊、接收模塊和時(shí)鐘同步模塊.在發(fā)射端，任意波形發(fā)射器AgilentE8267DVSG作為信號(hào)源,信號(hào)從泄漏電纜兩端分別饋入；接收端由接收天線與天線架、R&SFSG8頻譜儀、上位機(jī)構(gòu)成，接收天線為半波偶極子天線，數(shù)據(jù)通過IQWizard軟件捕獲，由Matlab進(jìn)行后期數(shù)據(jù)分析;發(fā)射端和接收端通過GPS時(shí)鐘同步模塊連接,保持發(fā)射端和接收端工作在統(tǒng)一時(shí)鐘頻率下.射頻信號(hào)工作頻率為1.8GHz,發(fā)射功率為20dBm,發(fā)射信號(hào)為偽噪聲（pseudo-noise,PN）序列，其長度為511滯寬為40.8MHz,采樣頻率為81.6MHz.圖3實(shí)驗(yàn)測量平臺(tái)示意圖Fig.3Schematicdiagramofmeasurementplatform2.2測量方案實(shí)際測量采用虛擬MIMO測量方法，信號(hào)先從A端饋入，數(shù)據(jù)采集完成后再從B端饋入，由于信道環(huán)境不變，數(shù)據(jù)處理分析時(shí)看作單根泄漏電纜雙向同時(shí)饋入，忽略泄漏電纜內(nèi)部兩端雙向饋入對(duì)相關(guān)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(shù)據(jù)處理流程對(duì)原始數(shù)據(jù)的處理包含多徑提取和參數(shù)計(jì)算兩個(gè)步驟.將含有幅度和相位信息的各路信道沖擊響應(yīng)（channelimpulseresponse,CIR）通過信道容量公式運(yùn)算來分析MIMO系統(tǒng)參數(shù)，進(jìn)而評(píng)估MIMO系統(tǒng)性能.2.3.1信號(hào)預(yù)處理過程PN序列時(shí)域測量方法是一種寬帶信道測量方法.為了得到2x2MIMO的功率時(shí)延譜(powerdelayprofile,PDP),將接收信息R(t)與本地PN序列S(t)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算獲得兩兩天線間的復(fù)CIR,再進(jìn)行平方運(yùn)算得到PDP譜.在已知PDP譜上確定單個(gè)PN周期的最高主徑根據(jù)多徑提取的經(jīng)驗(yàn)準(zhǔn)則(噪聲閾值、最大多徑數(shù))，本工作將CIR主徑下降30dB處設(shè)閾值.將每個(gè)有效徑進(jìn)行矢量相加以獲取所有所有周期的CIR,并存儲(chǔ)為可以被Matlab讀取的Mat格式文件，以待進(jìn)一步分析.信號(hào)預(yù)處理流程如圖4所示.圖4信號(hào)預(yù)處理流程圖Fig.4Flowchartofsignalpreprocessing2.3.2信道容量計(jì)算信道容量是綜合考量MIMO系統(tǒng)性能的重要指標(biāo).按照發(fā)射機(jī)是否可獲取CSI,可分為等功率分配MIMO信道容量與最優(yōu)功率分配MIMO信道容量.等功率分配MIMO信道容量適用于發(fā)射機(jī)無法獲取CSI的情況，因此，本次測量分析中發(fā)射機(jī)采取等功率分配方案.在MIMO系統(tǒng)中，假設(shè)發(fā)射端有Nt根天線，接收端有Nr根天線，則發(fā)射信號(hào)向量和接收信號(hào)向量可表示為式中,H(t)表示MIMO系統(tǒng)NrxNt階信道矩陣,n(t)表示信道加性高斯白噪聲.傳輸信道的轉(zhuǎn)移矩陣H在2x2MIMO系統(tǒng)中可表示為式中,hij為發(fā)射端所對(duì)應(yīng)接收端的信道沖擊響應(yīng).信道容量為式中,IM表示MxM的單位矩陣,M表示發(fā)射天線和接收天線的數(shù)量,2x2MIMO系統(tǒng)中M=2,(?)H是共扼轉(zhuǎn)置運(yùn)算符,p是平均信噪比.3結(jié)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(qū)域位置以及信噪比等參數(shù)對(duì)信道容量的影響.天線極化方式命名規(guī)則如下:LCX-VV指采用雙纜MIMO系統(tǒng),兩根纜均采用垂直極化;LCX-HV指采用雙纜MIMO系統(tǒng)，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(gòu)成MIMO系統(tǒng)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(duì)信道容量的影響時(shí)，接收區(qū)域選取區(qū)域2為典型情形;在分析區(qū)域?qū)π诺廊萘康挠绊憰r(shí)，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-inputsingle-output,SISO)實(shí)測情形、雙纜實(shí)現(xiàn)MIMO情形和瑞利信道下獨(dú)立同分布情形作為參考，與單纜雙饋實(shí)現(xiàn)MIMO的情形進(jìn)行比較.待分析參數(shù)如表2所示.表2待分析參數(shù)Table2Parameterstobeanalysed?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(qū)域位置選取區(qū)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(qū)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(10dB)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(qū)域下的容量均值，并將SISO實(shí)測情形與瑞利信道下獨(dú)立同分布(i.i.d)情形的容量均值進(jìn)行了對(duì)比.圖5不同極化方式的信道容量對(duì)比Fig.5Channelcapacityanalysisfordifferentpolarizationmeasurement圖6不同區(qū)域的信道容量對(duì)比Fig.6Channelcapacityanalysisindifferentregions不同測量方案.本工作以瑞利信道下獨(dú)立同分布情形作為基準(zhǔn)對(duì)比，由表3和4可以看出:采用雙纜構(gòu)成的MIMO系統(tǒng)性能較好，要略好于作為基準(zhǔn)的瑞利信道獨(dú)立同分布情形;采用單纜雙饋的MIMO系統(tǒng)性能略低于瑞利信道獨(dú)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Table3MeanvalueofchannelcapacityusingsingleLCX(A3,B3)?表4雙纜(A1,A5)信道容量均值Table4MeanvalueofchannelcapacityusingtwoLCXs(A1,A5)?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(huì)影響MIMO性能，但不是很明顯.這是由于當(dāng)發(fā)射端和接收端采用不同極化方式時(shí)，降低了信號(hào)相關(guān)性,有利于提高信道容量.在采用單纜雙饋方案中，發(fā)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?yàn)槁├|采用水平極化方式時(shí)，波形相對(duì)于隧道內(nèi)壁為平行極化，造成布魯斯特角現(xiàn)象[7].當(dāng)波形與內(nèi)壁形成角度接近布魯斯特角時(shí)，反射波會(huì)極大降低，導(dǎo)致功率衰減過大，信道容量值相對(duì)減小.因此，采用LCX-V,RX-V極化方式信道容量靜態(tài)值會(huì)更加接近瑞利信道下獨(dú)立同分布情形，可以實(shí)現(xiàn)更好的MIMO性能.在采用雙纜實(shí)現(xiàn)MIMO系統(tǒng)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?yàn)樘炀€極化方式不同導(dǎo)致隧道內(nèi)壁不同的反射系數(shù).由于隧道內(nèi)壁為導(dǎo)體材料，擁有高介電常數(shù)，發(fā)射端采用同極化方式會(huì)導(dǎo)致更高的反射波，因此，采用同極化方式功率衰減相對(duì)于交叉極化更小，信道容量相對(duì)較高.不同區(qū)域.為了更直觀地比較不同區(qū)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(qū)域下的容量均值.可以看出，不同接受區(qū)域?qū)π诺廊萘繘]有明顯的影響，這是因?yàn)樵谒淼揽臻g長沿線傳輸時(shí)，采用泄漏電纜可以實(shí)現(xiàn)均勻的覆蓋特性.在區(qū)域1的信道容量略低于其他區(qū)域，這是因?yàn)閰^(qū)域1在隧道出口位置靠近外部走廊,受環(huán)境的影響，多徑效應(yīng)明顯從而使得信道容量均值減少.4結(jié)束語本工作給出了隧道場景下采用單纜雙饋和雙纜構(gòu)成MIMO系統(tǒng)在不同極化方式、不同區(qū)域下的測量結(jié)果.采用單根漏纜雙向饋入構(gòu)成MIMO系統(tǒng)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(gòu)成MIMO系統(tǒng)方案性能接近采用兩根泄漏電纜構(gòu)成MIMO方案，但明顯好于采用SISO系統(tǒng)方案.在單根漏纜雙向饋入構(gòu)成MIMO系統(tǒng)方案中，泄漏電纜和接收天線均采用垂直極化方式時(shí)性能最好.這表明單根泄漏電纜雙向饋入構(gòu)成MIMO系統(tǒng)具有可行性，可大幅度減少線路投資，但單漏纜MIMO系統(tǒng)的實(shí)施還需要通信廠商進(jìn)一步配合研發(fā)射頻拉遠(yuǎn)單元(radioremoteunit,RRU)技術(shù).參考文獻(xiàn)：【相關(guān)文獻(xiàn)】HouYF,TsukamotoS,AriyoshiM,etal.2by2MIMOsystemusingsingleleakycoaxialcableforlinear-cells[C]//IEEE25thAnnualInternationalSymposiumonPersonal,Indoor,andMobileRadioCommunication(PIMRC).2014:327-331.FarahnehH,FernandoX.Leakyfeeder,anewlineararraytransceiverformicro/picocells[C]//IEEE28thCanadianConferenceonElectricalandComputerEngineering.2015:98-102.WuYM,ZhengGX,WangT.PerformanceanalysisofMIMOtransmissionschemeusingsingleleakycoaxialcable[J].IEEEAntennas&WirelessPropagationLetters,2016,16:298-301.KaflePL,IntarapanichA,SesayAB,etal.SpatialcorrelationandcapacitymeasurementsforwidebandMIMOchannels[J].IEEETransactionsonWirelessCommunications,2008,7(5):1560-1571.MedboJ,NilssonA.LeakycoaxialcableMIMOperformanceinanindoorofficeenvironment[C]//IEEE25thAnnualInternationalSymposiumonPersonal,Indoor,andMobileRadioCommunication(PIMRC).2012:2061-2066.ValdesueiroJA,IzquierdoB,RomeuJ.On2x2MIMOobservablecapacityinsubwaytunnelsat,C-band:anexperimentalapproach[J].IEEEAntennasandWirelessPropagationLetters,2010,9(3):10