礦井mimo智能天線系統(tǒng)的設計

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1、礦井MIMO智能天線系統(tǒng)的設計谷　盈（安徽理工大學電氣與信息工程學院，安徽淮南232001）【摘　要】分析了煤礦井下無線通信系統(tǒng)存在的可靠性問題，介紹了MIMO與智能天線的結(jié)合研究，針對礦井復雜的傳輸環(huán)境，設計了礦井MIMO智能天線系統(tǒng)。仿真結(jié)果表明，MIMO智能天線多天線系統(tǒng)能有效地改善系統(tǒng)的性能，提高礦井無線通信系統(tǒng)的可靠性。.jyqkartAntenna，SA）的陣列增益來彌補MIMO系統(tǒng)所受到的性能損失，并使得多天線陣列的設計更加小型化，提高礦井無線通信系統(tǒng)的可靠性。1　MIMO與智能天線結(jié)合的可行性

2、論證由于MIMO與智能天線技術對于無線通信的發(fā)展有著很大的吸引力，目前業(yè)界對于兩者的結(jié)合也進行了相關研究。主要有四種結(jié)合方式[2-4]：遠端陣元方案、特征值雙波束形成方案、超移動寬帶（ＵltraMobileBroadband，UMB）方案、雙極化天線方案。將兩者進行技術融合，我們希望融合后的MIMO智能天線系統(tǒng)不僅可以獲得智能天線的陣列增益，還可以獲得MIMO的復用、分集等增益。從空間角度看：MIMO系統(tǒng)如果要如期的獲得增益，陣元間距就應該盡量大，陣元間距需達到十個波長左右；智能天線系統(tǒng)要獲得陣列增益，陣元之

3、間就需要強相關性，陣元間距必須保持在半個波長左右。針對這一情況結(jié)合現(xiàn)有的幾種融合方案，提出一種分布式MIMO智能天線多天線系統(tǒng)。1.1　多天線陣列發(fā)射端的可行性分析根據(jù)移動通信下行鏈路的情況，在基站的發(fā)射端采用分布式發(fā)射機，信源經(jīng)過空時編碼器后變成ＮＴ個信源碼流，即信源經(jīng)過空時分組碼編碼后變成ＮＴ路發(fā)射信號，隨后ＮＴ路發(fā)射信號通過調(diào)制、上變頻等處理后進入各自所對應的智能天線陣的自適應波束形成網(wǎng)絡中，用LMS算法更新后的權值對具有編碼增益的發(fā)射信號進行加權結(jié)合，在接收用戶方向上形成指定的波束，智能的將ＮＴ路信號

4、發(fā)射出去。1.2　多天線陣列接收端的可行性分析結(jié)合無線通信上行鏈路的情況，在接收端采用分布式接收機，加入智能天線的DOA技術，通過MUSIC估計算法準確的區(qū)分出不同用戶的空間位置和信息。ＮＴ路信號被接收，分別進行下變頻、解調(diào)、濾波等操作，最后經(jīng)過空時編碼譯碼器還原出原始的發(fā)射信號。2　MIMO智能天線系統(tǒng)的性能研究假設只有一個期望信號源（單用戶信號），到達方向為?茲，則接收信號可以表示為：根據(jù)上面的分析，接收端天線獲得了N倍的性能增益，由于上下行鏈路對應，那么在發(fā)射端，信號經(jīng)過編碼器后送入自適應波束形成器后，

5、其發(fā)射端的信噪比也放大了N倍[5-6]。由此可見，經(jīng)過融合后的MIMO智能天線系統(tǒng)在獲得MIMO的編碼增益和分集增益外和智能天線的陣列增益的同時，還將系統(tǒng)的性能增大了倍。3　礦井MIMO智能天線系統(tǒng)信道容量的仿真與分析結(jié)合礦井通信的實際情況，在發(fā)射端采用均勻線陣，陣元個數(shù)為4，分成兩組組成2個智能天線陣，智能天線陣與陣之間的距離為10個波長，智能天線陣中陣元之間的間距為0.5個波長，在接收端，接收天線的陣元數(shù)為2，此時的多天線系統(tǒng)也可以廣義的看成是一個兩發(fā)兩收的2×2MIMO多天線系統(tǒng)。由于融合后的天線系統(tǒng)仍

6、舊可以認為是MIMO系統(tǒng)，每個智能天線陣有2個陣元，根據(jù)公式可以計算得出，融合后的系統(tǒng)信噪比大概改善了3個dB左右。圖3考慮的是理想情況，發(fā)射端不存在空間相關性，現(xiàn)在在發(fā)射端加入相關性系數(shù)，其他仿真條件不變，重新得到具有相關性的容量仿真圖。在圖4中，從上往下依次是相關系數(shù)r=0的MIMO+SA系統(tǒng)，相關系數(shù)r=0.8的MIMO+SA系統(tǒng)，相關系數(shù)r=0的常規(guī)MIMO系統(tǒng)和相關系數(shù)r=0.8的常規(guī)MIMO系統(tǒng)。天線陣元間的相關性越高，系統(tǒng)的容量損失也越多。從圖4中還可以看出，當常規(guī)的MIMO系統(tǒng)處于理想環(huán)境時，

7、它的信道容量仍舊低于具有相關性的MIMO+SA系統(tǒng)；且當常規(guī)的MIMO系統(tǒng)具有相關性時，容量損失較明顯。4　結(jié)語本文利用MIMO技術和智能天線技術相結(jié)合，提出了MIMO智能天線多天線系統(tǒng)，采用分布式發(fā)射和接收方案，通過理論分析與系統(tǒng)仿真，得出融合后的天線陣列可以有效的改善系統(tǒng)的性能。.jyqkIMO技術的礦井無線通信系統(tǒng)的設計[J].煤炭工程，2011（03）：122-124.［２］陳姍姍，劉廣亞，姚善化.MIMO-OFDM技術在礦井無線通信系統(tǒng)中的應用[J].煤礦機械，2013（03）：34.［３］張欣，劉

8、冬華.淺析礦井通訊技術[J].煤炭技術，2012（01）：182-184.［４］肖育苗，江洪峰.TD智能天線的四大趨勢[J].通信世界，2011（02）：26-27.［５］姚美菱，李明.智能天線發(fā)展方向淺析[J].移動通信，2012（Z1）：129-132.［６］劉龍山.智能天線小型化的發(fā)展[J].電信科學，2008，24（04）：90-91.［責任編輯：鄧麗麗］