矿井MIMO智能天线系统的设计

谷　盈

（安徽理工大学电气与信息工程学院，安徽 淮南 232001）

【摘　要】分析了煤矿井下无线通信系统存在的可靠性问题，介绍了MIMO与智能天线的结合研究，针对矿井复杂的传输环境，设计了矿井MIMO智能天线系统。仿真结果表明，MIMO智能天线多天线系统能有效地改善系统的性能，提高矿井无线通信系统的可靠性。

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关键词 井下无限通信；MIMO；智能天线；多天线阵列

基金项目：安徽高校省级自然科学研究重点项目（KJ2014A066）。

作者简介：谷盈（1990—），安徽池州人，硕士研究生。

0　引言

MIMO（Ｍultiple Input Multiple Output）技术是多天线技术，利用MIMO技术来解决井下严重的多径衰落问题，为全矿井无线数字通信系统的完成提供新的技术支持[1]。但受限的空间环境会造成MIMO系统产生相关性而引起性能损失，针对这一问题提出利用智能天线（Smart Antenna， SA）的阵列增益来弥补MIMO系统所受到的性能损失，并使得多天线阵列的设计更加小型化，提高矿井无线通信系统的可靠性。

1　MIMO与智能天线结合的可行性论证

由于MIMO与智能天线技术对于无线通信的发展有着很大的吸引力，目前业界对于两者的结合也进行了相关研究。主要有四种结合方式[2-4]：远端阵元方案、特征值双波束形成方案 、超移动宽带（Ｕltra Mobile Broadband， UMB）方案、双极化天线方案。将两者进行技术融合，我们希望融合后的MIMO智能天线系统不仅可以获得智能天线的阵列增益，还可以获得MIMO的复用、分集等增益。从空间角度看：MIMO系统如果要如期的获得增益，阵元间距就应该尽量大，阵元间距需达到十个波长左右；智能天线系统要获得阵列增益，阵元之间就需要强相关性，阵元间距必须保持在半个波长左右。

针对这一情况结合现有的几种融合方案，提出一种分布式MIMO智能天线多天线系统。

1.1　多天线阵列发射端的可行性分析

根据移动通信下行链路的情况，在基站的发射端采用分布式发射机，信源经过空时编码器后变成ＮＴ个信源码流，即信源经过空时分组码编码后变成ＮＴ路发射信号，随后ＮＴ路发射信号通过调制、上变频等处理后进入各自所对应的智能天线阵的自适应波束形成网络中，用LMS算法更新后的权值对具有编码增益的发射信号进行加权结合，在接收用户方向上形成指定的波束，智能的将ＮＴ路信号发射出去。

1.2　多天线阵列接收端的可行性分析

结合无线通信上行链路的情况，在接收端采用分布式接收机，加入智能天线的DOA技术，通过MUSIC估计算法准确的区分出不同用户的空间位置和信息。ＮＴ路信号被接收，分别进行下变频、解调、滤波等操作，最后经过空时编码译码器还原出原始的发射信号。

2　MIMO智能天线系统的性能研究

假设只有一个期望信号源（单用户信号），到达方向为?兹，则接收信号可以表示为：

根据上面的分析，接收端天线获得了N倍的性能增益，由于上下行链路对应，那么在发射端，信号经过编码器后送入自适应波束形成器后，其发射端的信噪比也放大了N倍[5-6]。由此可见，经过融合后的MIMO智能天线系统在获得MIMO的编码增益和分集增益外和智能天线的阵列增益的同时，还将系统的性能增大了倍。

3　矿井MIMO智能天线系统信道容量的仿真与分析

结合矿井通信的实际情况，在发射端采用均匀线阵，阵元个数为4，分成两组组成2个智能天线阵，智能天线阵与阵之间的距离为10个波长，智能天线阵中阵元之间的间距为0.5个波长，在接收端，接收天线的阵元数为2，此时的多天线系统也可以广义的看成是一个两发两收的2×2MIMO多天线系统。

由于融合后的天线系统仍旧可以认为是MIMO系统，每个智能天线阵有2个阵元，根据公式可以计算得出，融合后的系统信噪比大概改善了3个dB左右。

图3考虑的是理想情况，发射端不存在空间相关性，现在在发射端加入相关性系数，其他仿真条件不变，重新得到具有相关性的容量仿真图。

在图4中，从上往下依次是相关系数r=0的MIMO+SA系统，相关系数r=0.8的MIMO+SA系统，相关系数r=0的常规MIMO系统和相关系数r=0.8的常规MIMO系统。天线阵元间的相关性越高，系统的容量损失也越多。从图4中还可以看出，当常规的MIMO系统处于理想环境时，它的信道容量仍旧低于具有相关性的MIMO+SA系统；且当常规的MIMO系统具有相关性时，容量损失较明显。

4　结语

本文利用MIMO技术和智能天线技术相结合，提出了MIMO智能天线多天线系统，采用分布式发射和接收方案，通过理论分析与系统仿真，得出融合后的天线阵列可以有效的改善系统的性能。

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参考文献

［１］孟宪猛，沈磊，姚善化.基于MIMO技术的矿井无线通信系统的设计[J].煤炭工程，2011（03）：122-124.

［２］陈姗姗，刘广亚，姚善化.MIMO-OFDM技术在矿井无线通信系统中的应用[J].煤矿机械，2013（03）：34.

［３］张欣，刘冬华. 浅析矿井通讯技术[J].煤炭技术，2012（01）：182-184.

［４］肖育苗，江洪峰.TD智能天线的四大趋势[J].通信世界，2011（02）：26-27.

［５］姚美菱，李明.智能天线发展方向浅析[J].移动通信，2012（Z1）：129-132.

［６］刘龙山.智能天线小型化的发展[J].电信科学，2008，24（04）：90-91.

［责任编辑：邓丽丽］