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專欄文章

【十分鐘看懂】多輸入多輸出天線分集特性研究

2021-02-18 釋五吉

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低耦合度與低相關性一直是MIMO天線設計重要指標,亦即發射與接收天線必須維持獨立性,才能實現MIMO技術可提升系統效能之目標,本專欄將探討天線分集特性與實際運作上如何對通訊系統帶來好處。

 

天線分集(Diversity)主要目的是希望可以減少訊號快速衰減(Fast Fading)之影響,訊號在傳遞上常因多重路徑效應造成接收端收到多個反射信號與主要信號,而導致信號干擾失真甚至斷訊,因此,需透過天線分集特性來提升資料正確率。若使用一根天線斷訊之機率為p,那將N根天線排列起來其斷訊之機率為pN

例如當使用一根天線做接收時,其天線有10%機率會斷訊,若有三個天線排列做接收時,其同時斷訊的機率變為0.13=0.001=0.1%。當然在此前提之下每根天線需各自獨立運作,但由於實際應用,天線彼此間仍有其相關性(Correlation),因此,斷訊之機率仍會略高於0.1%

下圖為使用天線分集所接收到之訊號分佈情形,訊號1與訊號2可分別表示天線1與天線2所收到之訊號。若透過一些訊號組合之演算法可在訊號重疊處取兩者較佳之訊號強度,因此,造成通訊中斷之機率相對單一天線做接收將會減少許多。簡言之,天線分集之基本需求是希望利用多根天線且彼此間有低相關性來實現。

圖、天線分集之訊號接收與合併處理

圖、天線分集之訊號接收與合併處理

 

一般分集種類可分為: (1)空間分集(Space Diversity)(2)極化分集(Polarization Diversity)(3)時間分集(Time Diversity)(4)頻率分集(Frequency Diversity)。空間分集主要是利用空間將兩個訊號分開,倘若基站端有兩支天線與行動裝置做通訊,訊號傳遞過程中經過多重反射(Multiple Reflection)到達天線1與天線2之距離會有所不同。

然而天線間距要足夠大使路徑差異明顯,分集之優勢才容易發揮出來。若在設計上有擺放距離之限制可以採用極化分集方式,亦即當訊號傳送過來時可以利用兩個不同極化天線(ex: 水平&垂直)做接收,以確保各種極化之訊號皆可被組合。但若環境較無多重反射之機制,其缺點會造成兩個天線所收到訊號功率差異較大,以至於無法達到平衡,此種情況會有比較低的分集增益。至於時間分集與頻率分集是結合系統訊號處理與調變技術來獲得所需之分集特性。

 

參考資料

[1] SIMON R. SAUNDERS, ALEJANDRO ARAGO´ N-ZAVALA, “ANTENNAS AND PROPAGATION FOR WIRELESS COMMUNICATION SYSTEMS”, Second Edition, John Wiley & Sons, 2007.

[2] Ali Grami, “Introduction to Digital Communications”, pp. 511-515, 2016.


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