礦井mimo智能天線系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

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1、礦井MIMO智能天線系統(tǒng)的設(shè)計(jì)谷　盈（安徽理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)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(duì)礦井復(fù)雜的傳輸環(huán)境，設(shè)計(jì)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(bǔ)MIMO系統(tǒng)所受到的性能損失，并使得多天線陣列的設(shè)計(jì)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(shù)對(duì)于無線通信的發(fā)展有著很大的吸引力，目前業(yè)界對(duì)于兩者的結(jié)合也進(jìn)行了相關(guān)研究。主要有四種結(jié)合方式[2-4]：遠(yuǎn)端陣元方案、特征值雙波束形成方案、超移動(dòng)寬帶（ＵltraMobileBroadband，UMB）方案、雙極化天線方案。將兩者進(jìn)行技術(shù)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(fù)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(yīng)該盡量大，陣元間距需達(dá)到十個(gè)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(qiáng)相關(guān)性，陣元間距必須保持在半個(gè)波長左右。針對(duì)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(dòng)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(jī)，信源經(jīng)過空時(shí)編碼器后變成ＮＴ個(gè)信源碼流，即信源經(jīng)過空時(shí)分組碼編碼后變成ＮＴ路發(fā)射信號(hào)，隨后ＮＴ路發(fā)射信號(hào)通過調(diào)制、上變頻等處理后進(jìn)入各自所對(duì)應(yīng)的智能天線陣的自適應(yīng)波束形成網(wǎng)絡(luò)中，用LMS算法更新后的權(quán)值對(duì)具有編碼增益的發(fā)射信號(hào)進(jìn)行加權(quán)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(hào)

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(jī)，加入智能天線的DOA技術(shù)，通過MUSIC估計(jì)算法準(zhǔn)確的區(qū)分出不同用戶的空間位置和信息。ＮＴ路信號(hào)被接收，分別進(jìn)行下變頻、解調(diào)、濾波等操作，最后經(jīng)過空時(shí)編碼譯碼器還原出原始的發(fā)射信號(hào)。2　MIMO智能天線系統(tǒng)的性能研究假設(shè)只有一個(gè)期望信號(hào)源（單用戶信號(hào)），到達(dá)方向?yàn)?茲，則接收信號(hào)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(duì)應(yīng)，那么在發(fā)射端，信號(hào)經(jīng)過編碼器后送入自適應(yīng)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(shí)，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(shí)際情況，在發(fā)射端采用均勻線陣，陣元個(gè)數(shù)為4，分成兩組組成2個(gè)智能天線陣，智能天線陣與陣之間的距離為10個(gè)波長，智能天線陣中陣元之間的間距為0.5個(gè)波長，在接收端，接收天線的陣元數(shù)為2，此時(shí)的多天線系統(tǒng)也可以廣義的看成是一個(gè)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(rèn)為是MIMO系統(tǒng)，每個(gè)智能天線陣有2個(gè)陣元，根據(jù)公式可以計(jì)算得出，融合后的系統(tǒng)信噪比大概改善了3個(gè)dB左右。圖3考慮的是理想情況，發(fā)射端不存在空間相關(guān)性，現(xiàn)在在發(fā)射端加入相關(guān)性系數(shù)，其他仿真條件不變，重新得到具有相關(guān)性的容量仿真圖。在圖4中，從上往下依次是相關(guān)系數(shù)r=0的MIMO+SA系統(tǒng)，相關(guān)系數(shù)r=0.8的MIMO+SA系統(tǒng)，相關(guān)系數(shù)r=0的常規(guī)MIMO系統(tǒng)和相關(guān)系數(shù)r=0.8的常規(guī)MIMO系統(tǒng)。天線陣元間的相關(guān)性越高，系統(tǒng)的容量損失也越多。從圖4中還可以看出，當(dāng)常規(guī)的MIMO系統(tǒng)處于理想環(huán)境時(shí)，

7、它的信道容量仍舊低于具有相關(guān)性的MIMO+SA系統(tǒng)；且當(dāng)常規(guī)的MIMO系統(tǒng)具有相關(guān)性時(shí)，容量損失較明顯。4　結(jié)語本文利用MIMO技術(shù)和智能天線技術(shù)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(shù)的礦井無線通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].煤炭工程，2011（03）：122-124.［２］陳姍姍，劉廣亞，姚善化.MIMO-OFDM技術(shù)在礦井無線通信系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].煤礦機(jī)械，2013（03）：34.［３］張欣，劉

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