地鐵隧道5G天線布局對(duì)MIMO性能的影響

周亦峰

（上海中鐵通信信號(hào)測(cè)試有限公司，上海 200436）

1 概述

大規(guī)模多輸入多輸出（Massive MIMO）技術(shù)利用多重收發(fā)天線的優(yōu)點(diǎn)，大大提高信道容量，被廣泛認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)5G通信系統(tǒng)應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)。相比于長期演進(jìn)（Long-Term Evolution，LTE）標(biāo)準(zhǔn)中要求的基站天線數(shù)量最多為8個(gè)，Massive MIMO系統(tǒng)可以布設(shè)大量數(shù)目的基站天線，從而提高頻譜利用率。Massive MIMO系統(tǒng)將傳統(tǒng)的MIMO規(guī)模擴(kuò)大了一至兩個(gè)量級(jí)，往往在一個(gè)基站中布設(shè)數(shù)十個(gè)或數(shù)百個(gè)天線單元，在空間域上，天線陣列中心與邊緣區(qū)域的陣元傳播情況具有差異，使得不同幾何布局形式的天線陣列往往表現(xiàn)出不同的傳播性能，從而影響Massive MIMO系統(tǒng)容量等。

為推廣5G系統(tǒng)MIMO技術(shù)在地鐵中的應(yīng)用，本文研究地鐵隧道場(chǎng)景中大規(guī)模MIMO信道特性，用射線跟蹤方法仿真4種不同天線布局方式的大規(guī)模天線陣列，預(yù)測(cè)5.6 GHz時(shí)大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的信道容量、平均接收功率與均方根時(shí)延擴(kuò)展。

2 地鐵隧道MIMO信道射線跟蹤仿真模型

2.1 場(chǎng)景描述

信道模型取自上海地鐵7號(hào)線直隧道，隧道環(huán)境如圖1所示。隧道墻體由鋼筋混凝土制成，隧道橫截面為拱形，高5 m，拱形半徑為2.78 m，底部寬3.4 m，鐵軌高為0.2 m，軌距1.5 m。距離全長為400 m，發(fā)射端（Tx）位于隧道起始端中央，接收端（Rx）距離發(fā)射端150 m時(shí)開始采樣，此后逐漸遠(yuǎn)離發(fā)射端，采樣間隔為50 m，共有6個(gè)采樣點(diǎn)，如圖2所示，收發(fā)端天線高度均設(shè)置為2.65 m。

圖1 隧道環(huán)境與橫截面示意Fig.1 Tunnel environment and cross section diagram

圖2 采樣間隔設(shè)置Fig.2 Sampling interval setting

2.2 仿真模型與仿真設(shè)置

本文在仿真中使用的信道參數(shù)如表1所示。不同的布局方式如圖3所示，天線陣元具體的仿真參數(shù)設(shè)置如表2所示。

表1 信道參數(shù)Tab.1 Channel parameters

表2 仿真中的收發(fā)天線參數(shù)Tab.2 Receiving and transmitting antenna parameters in simulation

圖3 天線布局設(shè)計(jì)Fig.3 Antenna layout design

如圖3（a）、（b）所示，對(duì)于接收天線，本文設(shè)計(jì)2種陣列布局，均有32個(gè)天線陣元。第一種布局方式命名為T1，為2×8均勻圓柱天線對(duì)陣列，陣列共分為8個(gè)扇面，每個(gè)扇面上分布2個(gè)雙極化陣元對(duì)，每個(gè)陣元對(duì)中包含1個(gè)垂直極化陣元與1個(gè)水平極化陣元，陣元為偶極子天線，陣元對(duì)之間的間距為半波長。第二種布局方式采用分布式布局，命名為T2，是雙1×8均勻圓柱天線對(duì)陣列構(gòu)成，對(duì)于每一個(gè)1×8均勻圓柱陣列，有8個(gè)扇面，每個(gè)扇面中央分布有1個(gè)雙極化陣元對(duì)，每個(gè)陣元對(duì)的設(shè)計(jì)不變，雙圓柱陣列中心點(diǎn)之間的距離為a。

對(duì)于發(fā)射天線，同樣設(shè)計(jì)2種陣列布局，都具有32個(gè)陣元。第一種布局方式如圖3（c）中R1，為4×4均勻平面天線對(duì)陣列，每個(gè)陣元對(duì)為垂直水平極化，陣元為定向天線，陣元對(duì)之間的間距也為半波長。第二種布局方式如圖3（d）所示，為雙2×4均勻平面天線對(duì)陣列，每個(gè)陣元對(duì)的設(shè)計(jì)不變，雙平面陣列中心點(diǎn)之間的距離為b。

收發(fā)端天線可以兩兩組合，因此共有4種仿真方案，收發(fā)天線的陣列組合方式如表3所示。在各仿真方案中，收發(fā)天線均位于隧道中央，高2.65 m。

表3 仿真方案設(shè)計(jì)Tab.3 Simulation scheme design

3 不同天線布局的MIMO系統(tǒng)性能仿真結(jié)果

3.1 信道容量

信道容量是衡量MIMO系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)。為便于比較不同MIMO方案下的信道容量，本文對(duì)信道矩陣H進(jìn)行歸一化，并將接收端的平均信噪比設(shè)置為一個(gè)常數(shù)。歸一化信道矩陣Hnor如下。

其中，||H||F為Frobenius范數(shù)矩陣；H是信道矩陣；NR是接收天線陣元數(shù)量；NT是發(fā)射天線陣元數(shù)量；hij是信道傳輸系數(shù)。MIMO信道容量C計(jì)算方法如下：

其中，INR是NR維單位矩陣；ρ是接收端的平均信噪比，本文設(shè)置為10 dB；Hnor是歸一化后的信道矩陣；(·)*表示矩陣的Hermitian轉(zhuǎn)置。

根據(jù)公式（3）計(jì)算得到整個(gè)測(cè)試距離內(nèi)不同天線布局仿真方案下的32×32 MIMO信道容量，發(fā)現(xiàn)在整個(gè)仿真收發(fā)距離上，仿真方案D的32×32信道容量始終高于其他仿真方案，而仿真方案A的信道容量在各個(gè)收發(fā)距離點(diǎn)上都是最小值，仿真方案B和C的信道容量比較接近，變化趨勢(shì)也十分相似，且都大于仿真方案A。這說明天線的布局方式會(huì)影響MIMO系統(tǒng)的信道容量，當(dāng)收發(fā)端都采用分布式天線布局時(shí)，即使不增大天線陣元的數(shù)目，也可以提高M(jìn)IMO系統(tǒng)的信道容量。整個(gè)收發(fā)距離上，仿真方案D的平均信道容量最大，為27.09 bit/s/Hz，仿真方案A的平均信道容量最小，為18.68 bit/s/Hz，與實(shí)測(cè)信道容量比較接近。仿真方案D相較于A，在陣元數(shù)目不變的情況下，容量提高了45%。

3.2 均方根時(shí)延擴(kuò)展

公式（4）、（5）為均方根時(shí)延擴(kuò)展計(jì)算方法，其中P表示該點(diǎn)接收功率，Pi與ti分別是第i條徑的接收功率與時(shí)延。由仿真的CIR數(shù)據(jù)，根據(jù)公式（5），計(jì)算得到整個(gè)測(cè)試距離內(nèi)4種不同仿真方案下的均方根時(shí)延擴(kuò)展變化，如圖4所示。

圖4 不同仿真方案下的均方根時(shí)延擴(kuò)展Fig.4 RMS delay spread under different simulation schemes

從圖4可以發(fā)現(xiàn)，仿真得到的均方根時(shí)延擴(kuò)展整體上要小于實(shí)際測(cè)試得到均方根時(shí)延擴(kuò)展，這主要是因?yàn)閷?shí)際測(cè)試環(huán)境比較復(fù)雜，反射面變化豐富，且布設(shè)有較多的設(shè)備，而仿真模型主要還原實(shí)測(cè)中的隧道場(chǎng)景，忽略其他反射面的影響，因此得到的均方根時(shí)延擴(kuò)展較小。對(duì)于4種仿真方案下的均方根時(shí)延擴(kuò)展變化，仿真方案A與B，即不采用分布式天線布局或僅在接收端采用分布式天線布局方式時(shí)，均方根時(shí)延擴(kuò)展較大，基本上大于0.5 ns，而仿真方案C和D，即僅在發(fā)射端采用分布式天線布局或收發(fā)端均采用分布式天線布局方式時(shí)，均方根時(shí)延擴(kuò)展較小，基本分布在0.5 ns以下。

4 結(jié)論

本文使用射線追蹤法建立32×32（NTx× NRx）大規(guī)模MIMO系統(tǒng)，設(shè)計(jì)4種不同的天線布局方式，仿真預(yù)測(cè)了隧道場(chǎng)景中大規(guī)模MIMO系統(tǒng)在5.6 GHz頻段時(shí)的平均接收功率、均方根時(shí)延擴(kuò)展與信道容量。仿真結(jié)果表明，不同的天線布局形式下大規(guī)模MIMO系統(tǒng)性能也存在差異，在收發(fā)端均采用類似于分布式MIMO的天線陣元布局方式時(shí)，可以獲得更大的信道容量。這些研究結(jié)果可以為未來隧道環(huán)境中大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考。