如何克服天线设计/同频干扰问题 MIMO系统实现多串流应用 - 全文

无线通信系统改采多重输入多重输出（MIMO）天线架构已成大势所趋，但也为开发商带来艰巨的设计挑战；其中，天线摆放位置与同频干扰对整体信道容量影响甚巨，工程师须透过缜密的仿真与修正，方能达到最好的多串流讯号传输效果。

        本文比较六种不同几何结构的走道在60GHz之频段时的多输入多输出(Multi-input Multi-output, MIMO)系统性能(图1)。这六种不同几何结构的走道分别为矩形直线走道(Rectangular Straight Corridor)、拱形直线走道(Arched Straight Corridor)、矩形弯曲走道(Rectangular Curved Corridor)、拱形弯曲走道(Arched Curved Corridor)、L形走道(L-Shape Corridor)、T形走道(T-Shape Corridor)。

图1　多输入多输出窄频系统示意图

六种不同结构走道的MIMO系统性能分析
上述六种不同结构的走道横截面之尺寸为宽为2公尺、高为3公尺；长直走道及L形走道的总长度为10公尺；弯曲走道的内半径为6公尺、外半径为8公尺，弧长约为11公尺。发射天线和接收天线皆采用由四根偶极天线所构成之线性数组，发射天线置于每个走道入口中央，其天线高度为1.5公尺；接收天线则平均置于走道中，相邻的接收天线距离为0.25公尺，共考虑两百七十个接收点，其接收天线高度均1公尺。

研究所使用的射线弹跳追踪法(SBR/Image Method)，其系统仿真频率范围从59.5G-60.5GHz，频率间隔为5MHz，射线柱的最大反射次数设定为十次，最大透射次数设定为两次。

从计算出的均方根延迟扩散的结果看出，T形走道的多路径效应最为严重。拱形截面走道的方均根延迟扩散，普遍低于矩形截面走道的均方根延迟扩散，这现象可以解释为在拱形截面之走道的结构中，其电波反射的机制，以及天线之场形的缘故，使得在拱形截面之走道中，接收到的多路径成分较小且比较集中。矩形截面之直线形走道和弯曲走道间，以及拱形截面之直线形走道和弯曲走道间，其平均的均方根延迟扩散几乎相同，这是因为弯曲走道之弯曲的几何结构使电波几乎同时到达，并因此有小的均方根延迟扩散。

从计算出的平均超额延迟扩散的结果看出，除了矩形截面L形与T形走道外，其他四种走道的平均超额延迟扩散的平均值相差不大，这是因为平均超额延迟扩散与传送和接收天线之间的距离成正比的关系，所以距离传送天线越远的接收点，其平均超额延迟扩散值也就越大，越近的话值就越小。L形与T形走道的平均超额延迟扩散较大的原因，是因为在L形与T形走道的环境里，接收点为非直视(Non-Line-Of Sight, NLOS)的情况较其他走道多的缘故。由于多路径效应较严重，使得平均超额延迟扩散较其他走道来得大。

六种走道其信道容量比较，如果讯噪比(SNR)定义为发射端之讯号平均功率对噪声功率的比值，则矩形和拱形截面直形走道之信道容量最大，正因接收端所收到讯号的功率相较于其他走道高些，且路径损耗与多路径效应较低，故信道容量会提升。由于此处SNR定义为发射端之讯号平均功率对噪声功率的比值，必须考虑路径损耗与多路径效应这两项因素。在矩形和拱形截面直形走道的环境里，接收点皆为直视(Line Of Sight, LOS)的情况，相较其他走道来LOS接收点多，因此能有最大接收能量，以导致较高的信道容量。

如果SNR定义为接收机前端之讯号平均功率对噪声功率的比值，则T形走道之信道容量最大，其次为L形走道。由于此处SNR定义为接收机前端之讯号平均功率对噪声功率的比值，仅考虑多路径效应因素，且T形走道的多路径效应较严重，使得它的信道容量较其他走道来得大，且矩形截面走道之信道容量普遍大于拱形截面的走道。这信道容量的结果对六种不同走道的均方根延迟扩散值是一致的。

最佳天线位置分析
利用GA(Genetic Algorithms)、PSO(Particle Swarm Optimization)、APSO(Asynchronous Particle Swarm Optimization)与DDE(Dynamic Differential Evolution)四种优化算法，可寻找出满足系统要求的最佳发射天线位置，进而求解出传输信道的信道容量，并萃取影响MIMO-WLAN(Wireless Local Area Network)通道的重要参数。

研究所使用的射线弹跳追踪法，其系统仿真频率为60GHz。将算法和射线弹跳追踪法结合仿真复杂环境，选用适当发射天线的位置预测无线电波传输时的特性，可以提升信道容量。发射天线高度固定为1公尺，接收天线高度都固定为0.8公尺。

本文针对两种不同接收天线位置来做探讨，这两种情况分别为接收点为桌面计算机的情况，以每0.5公尺均匀分布在桌面上，平均散布一百二十个接收点；另一种情况为接收点为手机，以每0.9公尺均匀分布在室内环境中，平均散布一百二十个接收点。发射和接收天线皆采用由三根偶极天线所构成之线性数组。

研究所使用的射线弹跳追踪法，其系统仿真频率范围从59.5G-60.5GHz，频率间隔为5MHz，射线柱的最大反射次数设定为五次，最大透射次数设定为两次。藉由射线弹跳追踪法结合算法去做数值的计算，即呈现出MIMO-WLAN信道的信道能量，研究使用GA、PSO、APSO与DDE四种算法求最佳发射天线位置。目标函数(Objective Function)定为信道容量，并将其值交给算法做目标函数分析。故将射线弹跳追踪法结合算法，找寻及最佳发射天线位置，可使信道容量提升。

目标函数定义为发射讯号功率与噪声之比计算从0-105dB，每5dB计算一次信道容量数值，故共有二十二笔信道容量数值，并将此数值相加后当做是目标函数比较的标准。设定算法之中止条件为演化世代数达到三百代时，演化中止。 第一个情况接收点以每0.5公尺均匀分布在桌面上，平均散布一百二十个接收点，分析其信道容量。使用GA、PSO、APSO与DDE四种算法可得到一个最佳发射天线位置。

第二个情况，接收点以每0.9公尺均匀分布在室内环境中，平均散布一百二十个接收点，分析其信道容量。使用GA、PSO、APSO与DDE四种算法可得到一个最佳发射天线位置。仿真数值结果显示，DDE在收敛速度皆比GA、PSO和APSO快速。APSO虽然在最佳表现上最优，但其收敛速度略逊DDE。GA则在处理此函数时收敛速度较另外三种优化方法缓慢。

同频干扰技术探究
研究探讨同频干扰(Co-Channel Interference, CCI)对MIMO-WLAN系统其信道容量的影响。在MIMO-WLAN系统中，计算出有无同频干扰情况下其信道容量，其中，干扰源包括单一干扰和多根干扰。使用均匀线性数组(Uniform Linear Array, ULA)天线(图2)和极化分集数组(Polarization Diversity Array, PDA)天线(图3)排列下，对于此系统通道容量的影响。在MIMO-WLAN中传送端、接收端和多个同频干扰皆采用此两种天线数组探讨，比较其传输质量和抗干扰程度。

图2　均匀线性数组示意图

图3　极化分集数组示意图

该模拟包含两个大小相同的房间，环境四周围的边墙为水泥墙材质，介于两个房间中间水泥隔板长为4公尺、宽为0.2公尺、高度为2.5公尺。左边房间放置一个发射天线Tx位于(2/1.5/1.2m)和右边房间干扰发射讯号天线位于(3.2/1.5/1.2m)。发射天线和干扰发射讯号天线高度都是固定高度为1.2公尺。接收天线则平均置于左边房间四张木桌上中，相邻的接收天线距离为0.1公尺，均匀分布两百三十六个接收点，其每个接收天线高度均1.2公尺。发射和接收天线皆采用由三根偶极天线所构成之数组。

该研究以两种不同的天线数组探讨，分别是均匀线性数组天线和极化分集数组天线。使用的射线弹跳追踪法，其系统仿真频率范围从59.5G-60.5GHz，频率间隔为5MHz，射线柱的最大反射次数设定为五次，最大透射次数设定为两次。

在单一同频干扰下，发射和接收天线皆采用由三根偶极天线所构成之数组。采用均匀线性数组天线和极化分集数组天线，并在有无加入单一同频干扰之计算均匀散布两百三十六个接收点的平均信道容量对SNR的比较图，此处SNR定义为发射端之信号平均功率对噪声功率的比值。在没有同频干扰下，使用均匀线性数组的信道容量会高于极化分集数组的信道容量；在单一同频干扰下，使用极化分集数组的信道容量会高于均匀线性数组的信道容量。

原因是当MIMO系统中使用均匀线性数组时，会分解成几个独立的空间信道以提高信道容量，而此时这些独立空间通道也会导入部分的干扰功率。然而与均匀线性数组相比，MIMO系统中采用极化分集数组可以增强信道容量，这意味着接收天线的极化和干扰天线极化不一样时，干扰功率会降低。

换句话说，当MIMO系统中使用极化分集数组时，会分解成几个独立的空间信道以提高信道容量，但并非所有的独立空间通道都会遭受干扰。在多根同频干扰下，发射和接收天线皆采用由三根偶极天线所构成之数组。采用ULA天线和PDA天线，并加入干扰源为ULA和PDA之计算均匀散布两百三十六个接收点的平均信道容量对SNR的比较图。

在3×3-ULA系统下，干扰源为均匀线性数组的信道容量会低于干扰源为极化分集数组的信道容量。在3×3-PDA系统下，干扰源为极化分集数组的信道容量会低于干扰源为均匀线性数组的信道容量。

其原因是当MIMO-WLAN系统和干扰的天线数组相同的时候，收到同频干扰功率会变大，反之所需的系统和干扰的天线数组不同时，可以得到相反的结果。有干扰的情况下，3×3-PDA系统的抗干扰程度较优于3×3-ULA系统，当MIMO-WLAN系统的天线跟干扰的天线数组不同时抗干扰的免疫力会增加。