無線通信系統(tǒng)改采多重輸入多重輸出（MIMO）天線架構(gòu)已成大勢所趨，但也為開發(fā)商帶來艱巨的設(shè)計挑戰(zhàn)；其中，天線擺放位置與同頻干擾對整體信道容量影響甚巨，工程師須透過縝密的仿真與修正，方能達到最好的多串流訊號傳輸效果。

? ? ? ? 本文比較六種不同幾何結(jié)構(gòu)的走道在60GHz之頻段時的多輸入多輸出(Multi-input Multi-output, MIMO)系統(tǒng)性能(圖1)。這六種不同幾何結(jié)構(gòu)的走道分別為矩形直線走道(Rectangular Straight Corridor)、拱形直線走道(Arched Straight Corridor)、矩形彎曲走道(Rectangular Curved Corridor)、拱形彎曲走道(Arched Curved Corridor)、L形走道(L-Shape Corridor)、T形走道(T-Shape Corridor)。

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圖1　多輸入多輸出窄頻系統(tǒng)示意圖

六種不同結(jié)構(gòu)走道的MIMO系統(tǒng)性能分析
上述六種不同結(jié)構(gòu)的走道橫截面之尺寸為寬為2公尺、高為3公尺；長直走道及L形走道的總長度為10公尺；彎曲走道的內(nèi)半徑為6公尺、外半徑為8公尺，弧長約為11公尺。發(fā)射天線和接收天線皆采用由四根偶極天線所構(gòu)成之線性數(shù)組，發(fā)射天線置于每個走道入口中央，其天線高度為1.5公尺；接收天線則平均置于走道中，相鄰的接收天線距離為0.25公尺，共考慮兩百七十個接收點，其接收天線高度均1公尺。

研究所使用的射線彈跳追蹤法(SBR/Image Method)，其系統(tǒng)仿真頻率范圍從59.5G-60.5GHz，頻率間隔為5MHz，射線柱的最大反射次數(shù)設(shè)定為十次，最大透射次數(shù)設(shè)定為兩次。

從計算出的均方根延遲擴散的結(jié)果看出，T形走道的多路徑效應最為嚴重。拱形截面走道的方均根延遲擴散，普遍低于矩形截面走道的均方根延遲擴散，這現(xiàn)象可以解釋為在拱形截面之走道的結(jié)構(gòu)中，其電波反射的機制，以及天線之場形的緣故，使得在拱形截面之走道中，接收到的多路徑成分較小且比較集中。矩形截面之直線形走道和彎曲走道間，以及拱形截面之直線形走道和彎曲走道間，其平均的均方根延遲擴散幾乎相同，這是因為彎曲走道之彎曲的幾何結(jié)構(gòu)使電波幾乎同時到達，并因此有小的均方根延遲擴散。

從計算出的平均超額延遲擴散的結(jié)果看出，除了矩形截面L形與T形走道外，其他四種走道的平均超額延遲擴散的平均值相差不大，這是因為平均超額延遲擴散與傳送和接收天線之間的距離成正比的關(guān)系，所以距離傳送天線越遠的接收點，其平均超額延遲擴散值也就越大，越近的話值就越小。L形與T形走道的平均超額延遲擴散較大的原因，是因為在L形與T形走道的環(huán)境里，接收點為非直視(Non-Line-Of Sight, NLOS)的情況較其他走道多的緣故。由于多路徑效應較嚴重，使得平均超額延遲擴散較其他走道來得大。

六種走道其信道容量比較，如果訊噪比(SNR)定義為發(fā)射端之訊號平均功率對噪聲功率的比值，則矩形和拱形截面直形走道之信道容量最大，正因接收端所收到訊號的功率相較于其他走道高些，且路徑損耗與多路徑效應較低，故信道容量會提升。由于此處SNR定義為發(fā)射端之訊號平均功率對噪聲功率的比值，必須考慮路徑損耗與多路徑效應這兩項因素。在矩形和拱形截面直形走道的環(huán)境里，接收點皆為直視(Line Of Sight, LOS)的情況，相較其他走道來LOS接收點多，因此能有最大接收能量，以導致較高的信道容量。

如果SNR定義為接收機前端之訊號平均功率對噪聲功率的比值，則T形走道之信道容量最大，其次為L形走道。由于此處SNR定義為接收機前端之訊號平均功率對噪聲功率的比值，僅考慮多路徑效應因素，且T形走道的多路徑效應較嚴重，使得它的信道容量較其他走道來得大，且矩形截面走道之信道容量普遍大于拱形截面的走道。這信道容量的結(jié)果對六種不同走道的均方根延遲擴散值是一致的。

最佳天線位置分析
利用GA(Genetic Algorithms)、PSO(Particle Swarm Optimization)、APSO(Asynchronous Particle Swarm Optimization)與DDE(Dynamic Differential Evolution)四種優(yōu)化算法，可尋找出滿足系統(tǒng)要求的最佳發(fā)射天線位置，進而求解出傳輸信道的信道容量，并萃取影響MIMO-WLAN(Wireless Local Area Network)通道的重要參數(shù)。

研究所使用的射線彈跳追蹤法，其系統(tǒng)仿真頻率為60GHz。將算法和射線彈跳追蹤法結(jié)合仿真復雜環(huán)境，選用適當發(fā)射天線的位置預測無線電波傳輸時的特性，可以提升信道容量。發(fā)射天線高度固定為1公尺，接收天線高度都固定為0.8公尺。

本文針對兩種不同接收天線位置來做探討，這兩種情況分別為接收點為桌面計算機的情況，以每0.5公尺均勻分布在桌面上，平均散布一百二十個接收點；另一種情況為接收點為手機，以每0.9公尺均勻分布在室內(nèi)環(huán)境中，平均散布一百二十個接收點。發(fā)射和接收天線皆采用由三根偶極天線所構(gòu)成之線性數(shù)組。

研究所使用的射線彈跳追蹤法，其系統(tǒng)仿真頻率范圍從59.5G-60.5GHz，頻率間隔為5MHz，射線柱的最大反射次數(shù)設(shè)定為五次，最大透射次數(shù)設(shè)定為兩次。藉由射線彈跳追蹤法結(jié)合算法去做數(shù)值的計算，即呈現(xiàn)出MIMO-WLAN信道的信道能量，研究使用GA、PSO、APSO與DDE四種算法求最佳發(fā)射天線位置。目標函數(shù)(Objective Function)定為信道容量，并將其值交給算法做目標函數(shù)分析。故將射線彈跳追蹤法結(jié)合算法，找尋及最佳發(fā)射天線位置，可使信道容量提升。

目標函數(shù)定義為發(fā)射訊號功率與噪聲之比計算從0-105dB，每5dB計算一次信道容量數(shù)值，故共有二十二筆信道容量數(shù)值，并將此數(shù)值相加后當做是目標函數(shù)比較的標準。設(shè)定算法之中止條件為演化世代數(shù)達到三百代時，演化中止。 第一個情況接收點以每0.5公尺均勻分布在桌面上，平均散布一百二十個接收點，分析其信道容量。使用GA、PSO、APSO與DDE四種算法可得到一個最佳發(fā)射天線位置。

第二個情況，接收點以每0.9公尺均勻分布在室內(nèi)環(huán)境中，平均散布一百二十個接收點，分析其信道容量。使用GA、PSO、APSO與DDE四種算法可得到一個最佳發(fā)射天線位置。仿真數(shù)值結(jié)果顯示，DDE在收斂速度皆比GA、PSO和APSO快速。APSO雖然在最佳表現(xiàn)上最優(yōu)，但其收斂速度略遜DDE。GA則在處理此函數(shù)時收斂速度較另外三種優(yōu)化方法緩慢。

同頻干擾技術(shù)探究
研究探討同頻干擾(Co-Channel Interference, CCI)對MIMO-WLAN系統(tǒng)其信道容量的影響。在MIMO-WLAN系統(tǒng)中，計算出有無同頻干擾情況下其信道容量，其中，干擾源包括單一干擾和多根干擾。使用均勻線性數(shù)組(Uniform Linear Array, ULA)天線(圖2)和極化分集數(shù)組(Polarization Diversity Array, PDA)天線(圖3)排列下，對于此系統(tǒng)通道容量的影響。在MIMO-WLAN中傳送端、接收端和多個同頻干擾皆采用此兩種天線數(shù)組探討，比較其傳輸質(zhì)量和抗干擾程度。

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圖2　均勻線性數(shù)組示意圖

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圖3　極化分集數(shù)組示意圖

該模擬包含兩個大小相同的房間，環(huán)境四周圍的邊墻為水泥墻材質(zhì)，介于兩個房間中間水泥隔板長為4公尺、寬為0.2公尺、高度為2.5公尺。左邊房間放置一個發(fā)射天線Tx位于(2/1.5/1.2m)和右邊房間干擾發(fā)射訊號天線位于(3.2/1.5/1.2m)。發(fā)射天線和干擾發(fā)射訊號天線高度都是固定高度為1.2公尺。接收天線則平均置于左邊房間四張木桌上中，相鄰的接收天線距離為0.1公尺，均勻分布兩百三十六個接收點，其每個接收天線高度均1.2公尺。發(fā)射和接收天線皆采用由三根偶極天線所構(gòu)成之數(shù)組。

該研究以兩種不同的天線數(shù)組探討，分別是均勻線性數(shù)組天線和極化分集數(shù)組天線。使用的射線彈跳追蹤法，其系統(tǒng)仿真頻率范圍從59.5G-60.5GHz，頻率間隔為5MHz，射線柱的最大反射次數(shù)設(shè)定為五次，最大透射次數(shù)設(shè)定為兩次。

在單一同頻干擾下，發(fā)射和接收天線皆采用由三根偶極天線所構(gòu)成之數(shù)組。采用均勻線性數(shù)組天線和極化分集數(shù)組天線，并在有無加入單一同頻干擾之計算均勻散布兩百三十六個接收點的平均信道容量對SNR的比較圖，此處SNR定義為發(fā)射端之信號平均功率對噪聲功率的比值。在沒有同頻干擾下，使用均勻線性數(shù)組的信道容量會高于極化分集數(shù)組的信道容量；在單一同頻干擾下，使用極化分集數(shù)組的信道容量會高于均勻線性數(shù)組的信道容量。

原因是當MIMO系統(tǒng)中使用均勻線性數(shù)組時，會分解成幾個獨立的空間信道以提高信道容量，而此時這些獨立空間通道也會導入部分的干擾功率。然而與均勻線性數(shù)組相比，MIMO系統(tǒng)中采用極化分集數(shù)組可以增強信道容量，這意味著接收天線的極化和干擾天線極化不一樣時，干擾功率會降低。

換句話說，當MIMO系統(tǒng)中使用極化分集數(shù)組時，會分解成幾個獨立的空間信道以提高信道容量，但并非所有的獨立空間通道都會遭受干擾。在多根同頻干擾下，發(fā)射和接收天線皆采用由三根偶極天線所構(gòu)成之數(shù)組。采用ULA天線和PDA天線，并加入干擾源為ULA和PDA之計算均勻散布兩百三十六個接收點的平均信道容量對SNR的比較圖。

在3×3-ULA系統(tǒng)下，干擾源為均勻線性數(shù)組的信道容量會低于干擾源為極化分集數(shù)組的信道容量。在3×3-PDA系統(tǒng)下，干擾源為極化分集數(shù)組的信道容量會低于干擾源為均勻線性數(shù)組的信道容量。

其原因是當MIMO-WLAN系統(tǒng)和干擾的天線數(shù)組相同的時候，收到同頻干擾功率會變大，反之所需的系統(tǒng)和干擾的天線數(shù)組不同時，可以得到相反的結(jié)果。有干擾的情況下，3×3-PDA系統(tǒng)的抗干擾程度較優(yōu)于3×3-ULA系統(tǒng)，當MIMO-WLAN系統(tǒng)的天線跟干擾的天線數(shù)組不同時抗干擾的免疫力會增加。