基于反向?qū)ΨQ法的移動通信設備雙天線技術(shù)研究

趙麗婕，蕭寶瑾，冀小平

（太原理工大學 信息工程學院，太原 030024）

隨著通信技術(shù)的發(fā)展，人們對提高通信質(zhì)量的要求逐漸提高，多入多出（Multiple-Input Multiple-Out-put，MIMO）技術(shù)，即智能天線技術(shù)被廣泛應用在基站上。它能夠提高無線電信號的傳輸效率，但在移動移動通信設備終端中卻沒有得到較好的應用。由于移動通信設備空間的限制，布置多個天線必然使天線的間距變小，導致天線間具有較強的干擾，極大的影響了MIMO系統(tǒng)的性能[1]。

目前有的移動通信設備已經(jīng)采用了雙天線設計。但由于天線間距較小，信噪比增益達不到預想的結(jié)果，某些設備只是在工作時自動切換到信號較強的天線上，這與單天線系統(tǒng)沒有多少區(qū)別。若能夠在移動通信設備上真正實現(xiàn)MIMO技術(shù)，不僅能提高無線信號傳輸質(zhì)量，還能提高傳輸速率。筆者將反向?qū)ΨQ法和MIMO技術(shù)二者結(jié)合，應用到移動通信設備的雙天線設計中，使系統(tǒng)性能有了顯著的提高。

1 PISM-MIMO系統(tǒng)基本原理

MIMO是把數(shù)據(jù)流經(jīng)過多個天線發(fā)送出去，另一端用多天線接收數(shù)據(jù)，經(jīng)過檢測重新組合，得到最接近的原始數(shù)據(jù)流，使有效性和可靠性得到提高，MIMO系統(tǒng)模型如圖1所示。這個過程可稱為空間分集（Multiplexing Technique，MT）。

PISM利用噪聲的相關(guān)性達到抑制噪聲的目的，使通信系統(tǒng)獲得較高的信噪比增益[3]。PISM的系統(tǒng)模型如圖2所示。

圖1 MIMO系統(tǒng)模型

圖2 PISM-MIMO系統(tǒng)模型

經(jīng)典通信理論和香農(nóng)公式是建立在加性高斯白噪聲（AWGN）基礎(chǔ)上的，然而目前信道中的噪聲除了AWGN外，絕大多數(shù)是人為噪聲，具有相關(guān)性。將PSIM與MIMO系統(tǒng)相結(jié)合，可利用信道噪聲的相關(guān)性減少噪聲干擾，提高信噪比，降低誤碼率。PISM-MIMO系統(tǒng)設有2個發(fā)送天線T1和T2以及2個接受天線R1和R2。信號源發(fā)出兩路互反的信號s1（t）和s2（t），由圖2可知，s2（t）＝-s1（t）。經(jīng)調(diào)制和編碼后分別由發(fā)送天線T1和T2發(fā)送出去。接收端用天線R1和R2接收到信號后再經(jīng)解調(diào)和譯碼后將含有噪聲的兩路信號恢復出來，并將它們相減。由于相鄰信道噪聲之間存在相關(guān)性，所以噪聲被削弱了。因此采用PISM可以使信噪比得到顯著提高[4-5]。

2 PISM-MIMO系統(tǒng)性能分析

2.1 理論推導

目前的MIMO系統(tǒng)有兩種模式：一種是每根發(fā)送天線都發(fā)送全部的相同的信息，目的是為了通過增加分集克服信道衰落，提高系統(tǒng)傳輸?shù)目煽啃?；另一種是把數(shù)據(jù)拆分，每根天線發(fā)送總數(shù)據(jù)的一部分，目的是提高系統(tǒng)傳輸?shù)挠行浴１疚闹攸c討論MIMO-PISM系統(tǒng)在傳輸準確性上的優(yōu)勢，因此選第一種傳輸模式。

在MIMO-PISM系統(tǒng)的發(fā)送端，不把待發(fā)送的數(shù)據(jù)進行拆分，對有兩根發(fā)送天線，兩根接收天線的情況來討論。發(fā)送的信號s（t）分別經(jīng)過兩個天線發(fā)送，每根天線都有兩條獨立的信道傳送信號，經(jīng)過第一根天線發(fā)送的信息通過兩個信道傳送給接收端，在第二根天線處添加一個反相器，將信號取反后再經(jīng)過兩個信道傳送給接收端，以上四個信道相互獨立，在接收端將載有原信號和負信號的信道信號合并、相減，得到兩倍的數(shù)據(jù)，同時噪聲項相減。

設發(fā)送信號

信號功率

為便于分析，設4個支路的增益相等，且

并設4個支路都具有零均值的加性噪聲，分別記為n11，n12，n21，n22。則一個雙入 雙出的 MIMOPISM系統(tǒng)的信噪比增益推導如下。

式中，no（t）＝n11（t）＋n12（t）-n21（t）-n22（t）.

求得輸出信號功率SO和輸出噪聲功率NO和如下。

為便于分析，假定各信道噪聲功率近似相等?？蓪⑹剑?）簡化為

式中：N1為某一信道噪聲的功率；ρ各信道噪聲之間的相關(guān)系數(shù)。并且

從而得到輸出信噪比

最終得到該系統(tǒng)的信噪比增益為

而在相同的假設條件下，根據(jù)圖1可求得現(xiàn)有雙入雙出MIMO分集技術(shù)的信噪比增益為

從推導出的式（5）可以看出，信噪比增益與ρ有關(guān)。ρ越接近于1，信噪比增益就越大；當ρ＝0時，GP≈4，GM≈4，即在信道不相關(guān)時，PISM分集技術(shù)的信噪比增益與現(xiàn)有分集技術(shù)的相同；當0＜ρ＜1時，4＜GP＜∞，4＞GM＞1。由此可見，只要ρ＞0，就可以使GP＞GM。理論與實際均表明，相鄰空間噪聲的相關(guān)系數(shù)總是大于0的，因此PISM的信噪比增益總是大于現(xiàn)有分集技術(shù)的信噪比增益。

2.2 實驗分析

參考本項目組的實驗，對相鄰空間噪聲的相關(guān)系數(shù)ρ進行了測試。實驗中采用兩副對稱振子天線[6]，每一副天線用2根50cm長的導線構(gòu)成，懸掛在離地面3m的空中。示波器的兩個探頭分別接到兩副天線上，變化兩副天線的間距，記錄下波形計算出相關(guān)系數(shù)ρ[7]，如表1所示。

表1 空間相鄰噪聲的相關(guān)系數(shù)

實驗中考慮到天線之間存在互感，為了消除互感在兩天線間放置一塊120×70cm的覆銅板，但實驗發(fā)現(xiàn)與未隔離時的測試結(jié)果相差無幾，說明兩副天線之間的互感可以忽略。

實驗結(jié)果表明，相鄰空間噪聲的相關(guān)系數(shù)隨距離而波動變化。隨著天線間距的減小，相鄰空間噪聲的相關(guān)系數(shù)增大?？梢姡谔炀€間距較小時，相關(guān)系數(shù)較大，噪聲的具有較強的相關(guān)性。例如，當天線間距為15cm時，相關(guān)系數(shù)ρ≈0.8，分別代入式（4）和式（5），可得GP≈20，GM≈1.2。PISM 可將現(xiàn)有分集技術(shù)中的不利因素轉(zhuǎn)變?yōu)橛欣蛩?，使輸出信噪比顯著提高。

3 系統(tǒng)仿真

結(jié)合移動通信設備雙天線設計，根據(jù)PISMMIMO雙入雙出系統(tǒng)原理，應用Matlab對其進行仿真，得出PISM-MIMO系統(tǒng)的性能曲線，比較它與現(xiàn)有MIMO系統(tǒng)在不同信噪比條件下的誤碼率。

仿真時MIMO系統(tǒng)采用V-Blast結(jié)構(gòu)的迫零（ZF）檢測算法，再將PISM和MIMO技術(shù)的算法融合，寫出PISM-MIMO系統(tǒng)的仿真代碼。比較兩個系統(tǒng)時，仿真的發(fā)送端均采用QPSK調(diào)制，兩發(fā)兩收的MIMO系統(tǒng)采用V-Blast編碼方式，PISM-MIMO系統(tǒng)同樣采用兩發(fā)兩收結(jié)構(gòu)，二者發(fā)送信息的總幀數(shù)是10000幀，每幀的長度為10，取噪聲相關(guān)系數(shù)為0.8，初始條件取0到20的信噪比，以1為間隔計算20個不同信噪比情況下系統(tǒng)的誤碼率，將兩個系統(tǒng)的代碼寫到一個文件中，最后畫出PISM-MIMO系統(tǒng)和現(xiàn)有MIMO系統(tǒng)的誤碼率比較圖，如圖3所示。仿真時把接收信號的功率歸一化。

由圖3可看出，信噪比大于14dB以后，PISMMIMO系統(tǒng)的誤碼率高于V-Blast系統(tǒng)，說明在信噪比較低的情況下，即信號較弱或信道中噪聲較強的情況下，PISM-MIMO系統(tǒng)的誤碼率更低，這是由于空間噪聲具有相關(guān)性，噪聲對信號的干擾被削弱了，發(fā)揮了PISM-MIMO系統(tǒng)的優(yōu)勢。

圖3 MIMO的V-Blast算法和PISM算法誤碼率比較仿真圖

4 結(jié)論

通過對通信中噪聲的研究與測試，證實了相鄰信道間噪聲存在相關(guān)性，并利用這一特性運用反向?qū)ΨQ法使噪聲得到抑制，把此方法應用到無線通信技術(shù)中，提高了通信效率和通信質(zhì)量。MIMO技術(shù)是4G中備受關(guān)注的核心技術(shù)之一，將反向?qū)ΨQ法與MIMO技術(shù)結(jié)合，可使現(xiàn)MIMO中的不利因素轉(zhuǎn)變?yōu)橛欣蛩?，使輸出信噪比顯著提高，帶來更好的通信效率。

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