上海大学微波与无线通信领域的科学研究
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第17卷第4期 上海大学学报(自然科学版) Vo1.17 No.4 2011年8月 JOURNAL OF SHANGHAI UNIVERSITY(NATURAL SCIENCE) Aug.2011 doi:10.3969/j.issn.1007-2861.201 1.04.002 上海大学微波与无线通信领域的科学研究 徐得名, 钟顺时, 陈惠民, 方 勇, 杨雪霞, 郑国莘, 武卓, 金彦亮 (上海大学通信与信息工程学院,上海200072) 摘要:上海大学微波与无线电通信学科拥有“电磁场与微波技术”和“通信与信息系统”2个博士授权点.自1972年 原上海科技大学开始创办无线通信专业至今,在国家高技术研究发展计划(863计划)项目、国家自然科学基金项目 等国家级项目和上海市科委以及企业委托项目的支持下,开展了双极化多波段微带天线阵、小型化和超宽带(ultra— wide band,UWB)天线、微波输能技术、通信信号处理、微波通信、限定空间无线电通信以及各类无线通信系统的研 究,其中的许多研究成果在国内处于先进水平,在国际学术界具有一定的知名度. 关键词:天线设计;微波;信道估计;多输入多输出通信系统;信道盲检测;无线传感器网络;限定空间的无线电通 信;信道仿真仪 中图分类号:TN 820;TN 713 文献标志码:A 文章编号:1007-2861(2011)04-0337・16 Survey of Microwave and Wireless-Communications Research at Shanghai University XU De-ming, ZHONG Shun—shi, CHEN Hui-min, FANG Yong, YANG Xue-xia, ZHENG Guo-xin, WU Zhuo, JIN Yan-liang (School of Communication and Information Engineering,Shanghai University,Shanghai 200072,China) Abstract:Shanghai University has two doctoral programs in microwave and wireless communications: Electromagnetic Fields and Microwave Technology,and Communication and Information Systems.Since 1972 when the former Shanghai University of Science and Technology started an undergraduate program of wireless communications,supported by many national and municipal programs such as 863 and national nature science ̄undation of China,a wide range of research projects have been carried out in such areas as dual—polarization multi—band arrays,miniaturization of microstrip antenna,ultra—wide band(UWB) microstrip antenna,microwave power transmission,communication signal processing,microwave communications,communications in confined spacg,and updated types of wireless communications.Many accomplishments are ranked among the top of the country and have attracted much attention from the international academic community.This article presents the development of the discipline and major research achievements. Key words:antenna design;microwave;channel estimation;multiple-input and multiple—output 收稿日期:2011-06-20 基金项目:国家自然科学基金资助项目(60571053,60071020,69671012,60871030,60171007,60010758,60872021);国家高技术研究发展计  ̄fJ(863计划)资助项目(2007AA12Z125);上海市重点学科建设资助项目(¥30108);上海市科委重点实验室资助项目(08DZ2231100);上海市 教委创新基金资助项目(09YZ33);上海市科委重点资助项目(10511501303) 通信作者:郑国莘(1950一),男,教授,研究方向为限定空间无线通信.E-mail:gxzheng@staff.shu.edu.cn 338 创刊 1111特刊 上海大学学报(自然科学版) 第17卷 (MIMO)system;blind channel identification;wireless sensor network;wireless communications in confined space;channel emulator 上海大学微波与无线电通信学科始于原上海科 技大学1972年开始创办的无线通信专业,并于同年 5月开始招收第一届微波通信专业学生.1977年全 国恢复高考后,开始以“通信技术”专业名称招收第 一批4年制本科生.1994年新上海大学成立,将原 上海科技大学、原上海工业大学、原上海大学工学院 及原上海科技高等专科学校的通信电子类专业合 并,组建了上海大学通信与信息工程学院,开始以 “通信工程”专业名称招收本科生至今,每年为国家 输送200名以上的专门人才.上海大学通信与信息 工程学院于2002年主办了海峡两岸三地无线科技 研讨会,2008年承办了中日微波会议. 上海大学通信工程学科于1981年获得国务院 首批批准的“电磁场与微波技术”博士学位授权点, 并于1995年建立博士后流动站;1998年6月,获得 “通信与信息系统”二级学科博士学位授权点,并于 2001年建立博士后流动站;2003年11月获得“信息 与通信工程”一级学科博士学位授权点. 学科组在微波与天线方面的科研主要集中在双 极化多波段微带天线阵、小型化和超宽带(ultra—wide band,UWB)天线、可重构天线、微波输能技术和电 磁场计算等方向.学科组先后承担了解放军总装“八 五”、“九五”、“十五”和“十一五”预研项目7项,国 家自然科学基金重点项目和面上项目6项,上海市 科委和教委项目多项,在微带天线理论与技术领域 达到了国内先进水平,并且发表学术论文300余篇, 其中半数以上被SCL/EI检索.钟顺时教授所著《微 带天线理论与应用》一书获1995年全国电子类优秀 教材二等奖,是目前国内微带天线的权威专著.学科 组的博士论文中有1篇获上海市百篇优秀博士论 文,1篇获全国百篇优秀博士论文提名. 微波电介质测量及应用是上海大学电磁场与微 波学科的重要研究方向之一.学科组多年来在承担 国家自然科学基金项目、国防科工委项目、解放军总 装项目以及上海市科研项目中,形成了以材料测量 新技术及其在工业、医疗和国防中的在线监测为特 色的研究方向,曾获国家教委、上海市科技进步二等 奖各1项、三等奖5项,培养博士研究生(含来华留 学生)10余人、硕士研究生2O余人,在国内和国际 上具有较高的知名度,得到了国内外同行的好评. 通信信号处理学科作为通信和信号与信息处理 2个学科的交叉点,紧密结合现代无线通信系统的 发展现状,将通信信号处理技术和无线通信融为一 体,将理论研究与系统应用相结合,开展通信信号与 信息处理的基础理论研究,兼顾研发和应用.研究内 容主要包括多天线通信、子载波间干扰(inter—carrier interference,ICI)消除、t/Q(in—phase/quadrature)不 平衡补偿、快衰落信道估计、盲源个数估计、盲均衡 以及盲多用户检测等方面.目前,已经承接3项国家 自然科学基金项目以及上海市教委创新重点项目. 2009年“基于学习的信号处理理论”的研究方法获 得了上海市自然科学三等奖. 在无线通信科研方面,针对2O世纪80年代末 我国发展中小容量数字微波通信设备的需求,原上 海科技大学无线电系与邮电部某通信设备厂合作研 发了“2 GHz 120路数字微波通信设备”,并已小批 量生产,且于1993年获得了上海市科技进步三等 奖.20世纪9O年代,该学科组与上海市有关部门合 作,在空间无线信号的监测与管理方面打破国外技 术垄断,自主研发了多项用于无线通信监测的设备, 其中“五号信令监测设备”于1992年获得了上海市 科技进步三等奖;“模拟移动电话监测设备”于1994 年获得了上海市科技进步二等奖;“七号信令自动监 测设备”于1997年获得了上海市科技进步二等奖. 学院下辖的电子物理研究所于20世纪90年代中期 开展了微波遥感遥测方面的研究,其中“微波辐射散 射计天线设计”于1995年获得了上海市科技进步二 等奖.进入2l世纪后,随着上海大学进入“211工 程”建设的行列,学科组也投入了下一代宽带无线通 信关键技术及各种新型无线通信技术,如无线自主 网(Ad Hoc)、无线局域网、无线传感网与物联网、认 知无线电、超宽带通信等技术的研究中,并在多天线 技术、协同通信技术、限定空间技术的无线电传输等 方面取得了一系列研究成果.“基于Ad Hoc技术的 微功率无线通信系统”、“城市轨道交通无线通信关 键技术”分别于2007年和2010年获得了上海市科 技进步三等奖.学科组与英国工程技术学会合作,分 别于2007年、2009年连续召开了2届“国际无线通 信会议”,400多位国内外学者来上海参加了会议, 交流了无线通信领域的最新研究成果. 第4期 徐得名,等:上海大学微波与无线通信领域的科学研究 339 1微波与天线领域 1.1 多波段双极化共口径天线阵 频率,进而展宽低频波段振子的带宽,在同类天线中 首次将低频带宽展宽至10%以上.S和x这2个波 段的中心频率分别为2.85和10.00 GHz,频率比为 学科组的研究方向主要获得了4个国家级项目 3.5:1,这种非整数频率比有利于波段间的去耦合. 天线馈电结构与射频SMA接头之间采用垂直过渡 的支持:①国家高科技研究发展计划(863计划)课 题——综合口径雷达多波段多极化平面天线阵 (2007--2010年);②国家自然科学基金资助项 目——三波段双极化共用口径SAR天线阵的研究 (2009--2011年);③高等学校博士学科点专项科 的方式,具有抑制地板和反射板之间表面波的作用. 图1是我们提出的S/X双波段双极化共口径天 线样阵,该天线阵具有高隔离度、低交叉极化和宽带 特性.s波段阵列结构由传统的“十”字交叉形改为 研基金项目——双波段双极化共口径微带天线阵技 术的研究(2005--2006年);④国家自然科学基金 资助项目——有源微带天线的研究(1997— 1999年),并取得以下研究成果. 1.1.1 双极化天线单元和阵列及极化捷变 。 学科组从理论和实验上对双极化方形微带贴片 天线单元和阵列进行了系统研究,对极化捷变放大 器型有源微带天线阵进行了如下的实践与探讨: ①用Green函数法导出了3种双极化方形贴片天线 的输入阻抗和互阻抗表达式,分析了这3种单元的 输人阻抗、电压驻波比和隔离度的频率特性,并通过 分析天线单元的各个设计参数对天线性能的影响, 得出了一些对工程设计有意义的结果,该馈电的贴 片易于形成阵列结构和有源集成;②导出了双极化 贴片天线阵有效的交叉极化方向图表达式,分析了 16元贴片天线阵的主极化和交叉极化方向图,结果 表明,理论值和实验值相当吻合;③研究了具有极化 捷变功能并带有低噪声放大器(1ow noise ampliifer, LNA)的有源微带天线阵,提出了一种切实可行的极 化捷变和LNA有源电路.无源阵与LNA相连接后,不 但提高了天线的有源增益,而且改善了驻波比带宽和 隔离度.因此,只需引入一套移相器和LNA有源器 件,就可以大大扩展天线的功能和应用,既使天线可 方便地接收不同极化波,又使接收天线在给定增益要 求的基础上做到了小型化. 1.1.2 S/X双波段双极化共口径天线阵 刮 学科组针对在SAR天线阵的具体应用,研究了 具有高隔离度和低交叉极化的双极化天线单元和 S/X双波段组阵形式.当x波段采用叠层贴片天线, 馈电方式为口径耦合与探针馈电的混合激励时,可 以改善高频单元隔离度;通过地板将2个极化的馈 电结构分开,可以提高隔离度.当s波段采用近耦合 的叠层微带振子时,可以提高极化隔离度,通过调节 介质材料的厚度和设计匹配网络,产生第三个谐振 “工”字形分布,改善了s波段单元间的隔离度;天 线阵采用成对反相馈电技术以提高全阵的主波瓣内 交叉极化性能.S和x波段实测相对带宽分别为 11.O%(314 MHz)和l3.1%(1 310 MHz);2个波段 的带内极化隔离度均优于一32 dB,其中x波段交叉 极化小于一3O dB,且横向平面扫描能力大于±28。. 1=|1日 嗣 一 I--- — 口f 。囝 1 I匦。固 。 句『1 :1 I 靠。 I讳! I.图 1 口 i i;5 蘑 i i 。 』谎 T吾上 ;;i i l 擎 l i! ll ll ll ll ll ll ll lI 图1 S/X双波段双极化微带振子/叠层贴片天线阵 Fig.1 S/X double-band double-polarization array of printted dipole/staked patch 1.1.3 L/S/X三波段双极化共口径天线阵 在上述双波段天线阵基础上,学科组还研究了 L/S/X三波段双极化天线阵,并提出了一种新型的 天线阵列结构.以L波段口径大小作为天线阵总的 口径尺寸,在3个波段上同时实现了双线极化,包括 L/X,L/S共口径双波段双极化天线子阵各1副和L 波段双极化子阵1副.S与x波段天线单元采用双 极化叠层微带贴片,从而具有较宽的频带和较高的 增益;L波段天线采用平面正交放置的偶极子单元, 由于直接采用探针激励馈电,降低了工艺复杂性;在 S,X驱动贴片上引入隔离槽以提高隔离度. 3个波段均采用了成对反相激励技术,提高了 全阵的交叉极化性能.为了避免子阵分割时切割到L 波段垂直极化偶极子,我们在馈网中引入电抗性,使 得偶极子长度缩短约20%,解决了3:1频率比下子阵 340 创刊 蛐特刊 上海大学学报(自然科学版) 第17卷 拼接中引入的L波段扫描能力限制问题.经实测,L, s,x波段百分比带宽分别为13.8%(172 MHz), 14.1%(493 MHz)和16.9%(1 690 MHz);3个波段 的带内极化隔离度均优于一35 dB,交叉极化电平低 于一30 dB,S和X波段的平面扫描能力分别为 ±27。和土30。. 这种阵列设计及方法在工程上符合模块式开发 的理念,即使将来需要开发4波段天线阵,也只需要 将L波段子阵换成L/C波段子阵即可,避免了传统 设计思路中每次都需要重新设计的弊端,并且有利 于产品的批量生产和升级.该方法设计效率高,工艺 可靠性好. 1.1.4介质谐振器天线双极化单元与双波段阵列 学科组研究了具有低交叉极化和高隔离度的双 极化介质谐振器天线(dielectric resonator antenna, DRA)单元,采用混合馈电技术来实现2个正交的线 极化.水平极化通过地板上DRA正下方的“H”形缝 隙耦合馈电实现,而垂直极化则采用平衡探针馈电 激励,如图2所示.平衡探针馈电抑制了零阶模式, 大大提高了2个端口之间的隔离度,通过馈电网络 实现了2个探针之间的180。倒相和良好的阻抗匹 配,这种对称激励有效地降低了天线交叉极化电平. 测试结果表明,水平和垂直极化端口反射系数小于 一10 dB的阻抗带宽分别为8.3%(9.2~10.0 GHz) 和10.4%(9.2~10.2 GHz),隔离度为一40 dB,交 叉极化电平为一30 dB.该天线单元尺寸小、成本低、 极化纯度高、容易组阵. 学科组还提出了一种DRA天线阵,其中x波段 采用上述DRA单元,S波段采用双极化微带振子. 阵列由6层介质构成,S波段振子位于第4和第6介 质层,每层都有2个正交放置的振子以实现双极化 功能,用微带线以邻近耦合方式对下层振子馈电,上 层振子为寄生振子.仿真结果表明,s波段天线阵增 益为l0.3 dB,5 ≤一1O dB,阻抗带宽为2.92~ 3.12 GHz;X波段天线阵增益约为l8 dB,.s ≤ 一10 dB,阻抗带宽为8.27~10.22 GHz,水平极化沿 方向具有±24。的相位扫描能力,旁瓣电平su ≤ 一l0 dB.2个波段端口隔离度优于一27 dB,交叉极 化电平小于一33 dB. 1.2小型化和超宽带天线 学科组在国内较早开展了微带天线小型化和超 宽带研究,已承接2项国家自然科学基金项目: ①微带天线小型化的研究(2003--2005年);②小 (b)侧视图 图2 x波段DRA单元和阵列结构 Fig.2 X-band DRA element and array structure 型化超宽带印刷天线技术的研究(2006--2008年). 在UWB天线、具有陷波功能的UWB天线和小型化 微带天线方面取得了一系列的研究成果. 1.2.1 UWB天线及阻带功能 学科组提出了一系列频带在3.1~10.6 GHz范 围的UWB天线,如图3所示.在工作频段内,天线的 S 。<一10 dB,具有较一致的全向辐射特性和增益, 其中图3(c)和图3(d)所示的天线还具有阻带功 能,抑制了其对其他通信系统的影响. 1.2.2极宽带天线及阻带功能¨ 学科组研究了具有极宽带(extremely wide band,EWB)特性的印刷单极天线,如图4所示,其 馈电方式可以是同轴线、微带线和共面波导.该天线 从约400 MHz开始,电压驻波比小于2,频率比可达 20:1以上,并具有良好的全向辐射特性,其中图4(C) 和图4(d)所示的天线具有阻带功能,图4( )和图 4(f)所示的天线具有小型化的优点,而图4(g)所示的 天线面积仅为常规平面螺旋天线面积的6.25%. 1.3微波介质测量及其应用 1.3.1高介电常数测量新技术——开式腔测量技术 随着电子设备向小型化、集成化方向发展,特 别是为满足空间电子学发展的需要,微波介质材料 342刨刊 期特刊 上海大学学报(自然科学版) 第l7卷 图6准光腔测量装置 Fig.6 Quasi-optical cavity measurement apparatus 在现场测量,因此,在很大程度上阻碍了隐身研究事 业的发展. 学科组先后承担了解放军总装“八五”、“九五” 和“十五”3期预研项目,历时15年,实现了现场测量 的目标,填补了国内空白,有力地推动了我国国防隐身 建设事业的发展,并取得了以下2项主要创新成果. (1)提出用同轴探头测量吸波材料双电磁参数 , 的完整理论与技术,突破了传统反射法只能测 量材料单个参数 的局限.该项成果曾在国际仪器 测量会议IEEE on IM和德国汉堡工业大学作过报 告.测量系统如图7所示. 涂层 同 图7测量系统框图 Fig.7 Measurement system diagram 被测目标已涂覆吸波材料表面,测量反射的探 头为开端同轴线,用宽带矢量反射计来测量材料表 面的复反射系数(含幅度和相位).在“九五”预研 期间,我们成功地研制出了六端口反射计.图8给 出了测量和数据处理流图. 圈 图8测量和数据处理流图 Fig.8 Measurement and data processing flow graph 整个测量过程包括以下3部分:①通过同轴探 头和反射计直接测量出材料表面的复反射系数F ; ②建模,即建立起探头在涂料加载情况下的复反射 系数理论值厂 ;③反演,即以测量值为真值,令 厂 .=F ,通过优化迭代技术提取待测材料参数 , . 图9和图10分别为测量系统与测量示例,其中测量 范围为2~18 GHz,测量材料的厚度为1.22 mm. 图9 同轴探头测量雷达吸波材料测量系统 Fig.9 RAM nIeasur锄ent system with coaxial probe 图10对Marconi 9052材料的测量结果 Fig.10 Measurement result of Marconi 9052 material (2)基于波形转换和阻抗匹配原理研制成功的 雷达吸波材料(rader absorbing material,RAM)反射 率现场测量仪,其测量框图与图7所示基本相同.差 别在于,这里采用了喇叭式探头,通过该探头,使波导 中传输的电磁波型和波阻抗与自由空间平面波相似, 从而使探头在目标涂覆表面接触处的反射率相当于 雷达探测的反射率.该测量仪具有小型、快速和便捷 等优点,适用于现场操作,测量范围为3—18 GHz. 图11和图12给出了现场测量仪及测量结果. 学科组利用该现场测量仪先后测量了20余种 吸波涂料,并与标准方法进行了比对,取得了满意的 结果,得到国内隐身专家的一致好评. 1.3.4工业、医学在线/在体监测技术 微波技术除了应用在传统雷达、通信领域外,还 第4期 堡鱼:竺: 学微波与无线通信领域的科学研究 343 图11 雷达吸波材料现场测量仪 ng・11 Apparatus of RAM measu瑚ent on site 图12现场测量实例 Fig・12 Example of meas眦.eInent 0n site 用于工农业和医学领域.典型的应用就是微 : 是因为水分子在微波频率下产生共 喜 圣含水孝芯缘故・为配合大庆油田对油岩中含油量( 善; 含水饱和度测量仪)的估计,学科组成功研制了 ‘ 矗 ,该套设备已在全 和炼油. 些 : 科组还成功研制了我国首台x波段微 仪,该仪器已在胜利、江汉、厂推广应用. 大庆莓 …”’ 是热疗。。 波、在医学上也得到了广泛应用,最典型的就 .柏仞妊对^ 日甘H Ⅱb上上. … 一. . 。 量石:} 蔓就 掌握人体(.、骨骼等组织在正常情况下的介电 活体)各组成部分,如肌 ’ .誊表在苎 澳JI试频段宽、制出了同轴腔式活体测试 灵敏度高等特点.IEEE Trans MTI'期刊上相关研 藁 姜 ,并得到 誊 述,娄篓展和微波介电测量及应用学科组在我国 1地为 民经济建苎一步发挥已有的特色,工农业、国防建设中作出 主 设、国防建设以及科学研究 _探索创 蚤孬 ・4微波输能技术m∞】 344 创刊 期特刊 上海大学学报(自然科学版) 天线几何尺寸. 第17卷 structure,DGS)、缺陷微带结构(defected microstrip structure,DMS)型低通滤波器,并将其用于整流天 线.同时,学科组还提出了一种谐波抑制圆极化 2通信信号处理领域 天线. 二极管电容 图13高转换效率天线 Fig.13 Rectenna、vith lIigh conversion efifciency 1.5计算电磁场 1.5.1 高阶时域有限差分(finite—difference time— domain,FDTD)(2,4)算法 学科组研究了高阶FDTD(2,4)算法的数值色 散特性及其在微带天线中的应用.该算法能有效减 小数值色散和相速误差,降低对计算机内存的要求 和计算量.学科组采用高阶FDTD(2,4)算法对双极 化微带天线和有源微带天线进行了分析. 1.5.2含有集总电感区域的数值稳定性条件 学科组首次给出了无源区域和含有集总电感区 域的数值稳定性条件,并且得出了基于微分方程的 显示差分格式是绝对发散的这一结论;实现了高阶 FDTD(2,4)全波分析法对微波元件的分析,在满足 精度要求的情况下减少了计算量;通过具体的编程 计算,验证了数值稳定条件的有效性.其他的集总元 件,如电阻、电容等,均可以采用这种方法推导出相 应的数值稳定性条件. 1.5.3用FDTD法分析非线性器件和整流电路 学科组提出了一种改进的非线性集总网络算法 (improved nonlinear lumped network,INL N),解决了 肖特基二极管的轴向尺寸需要占用多个网格的难 题.用INL N法对肖特基二极管的轴向尺寸占用 3个网格的情况进行了分析.其他如占用2个、4个 网格等情况,可依此类推,进而实现对整流电路的 分析. 1.5.4 将遗传算法(genetic algorithm,GA)结合 FDTD算法用于UWB天线的优化设计¨ 采用GA结合FDTD算法研究UWB天线的优 化分析与设计方法,可减小商业软件设计的盲目性. 用FDTD算法计算得到GA中个体的具体信息来设 置优化目标,通过优化,可直接得到具有优良性能的 2.1信道估计 在信道估计的研究方面,学科组不断追踪国际先 进技术,坚持开拓创新.目前已经经历了从盲方法估计 到数据训练估计,最后到导频辅助估计3个阶段,并且 在每一个阶段的研究中,都不乏独到的创新与变革. 2.1.1盲信道估计 针对填补零正交频分复用(zero padding orthogonal frequency—division multiplexing,ZP—OFDM)系统和平 坦衰落信道,文献[27]提出了一种基于子空间分解 技术的盲信道估计算法.该算法对信道参数不敏感, 具有较低的计算复杂度,而且适用于不同类型的信 号星座;另一方面,针对信道的时变性,文献[28—29 研究了ZP—OFDM通信系统的盲自适应信道估计问 题.利用特征子空问更新的随机梯度法和Rayleigh 商迭代技术,提出了一种新的完全自适应子空间算 法.该算法与基于导频的方法相比,具有更高的频带 利用率.该算法分为2个步骤:①信号、噪声子空间 的自适应更新;②信道冲激响应变化的追踪.在步 骤①中,可以利用许多低复杂度的自适应子空间更 新算法来追踪子空间.在步骤②中,基于Rayleigh商 迭代的方法可以递归地估计出信道参数.该算法对 信道参数不敏感,而且适用于不同类型的信号星座, 具有较好的通用性.由于算法中没有使用奇异值分 解,所以该算法有较低的运算复杂度,适用于实时的 信号处理. 2.1.2导频辅助信道估计 针对多载波码分多址(multicarrier—code division multiple access,MC CDMA)信号在快衰落时频双选 择性衰落信道中的传输问题,文献[30]提出了一种 基于基扩展模型(basis expansion access,BEM)的信 道估计方法.该方法通过将导频信号以分块的形式 等间隔插人数据信号,并使各导频信号序列问满足 正交相位关系,实现了对快衰落信道的有效估计,解 决了传统信道估计算法在快衰落信道中的失效问 题.进一步将该方法推广到多输入多输出-多载波码 分多址(MIMO.MC CDMA)系统,有效保证了信号在 快衰落时频双选择信道中的可靠传输. 考虑1个有Ⅳ 根发送天线、Ⅳ 根接收天线和 个子载波的多输入多输出一正交频分复用(MIMO・ OFDM)系统,其基本模型如图14所示. 第4期 徐得名,等:上海大学微波与无线通信领域的科学研究 图14 MIMO-OFDM系统模型 Fig.14 MIMO-OFDM system model 在MIMO.OFDM系统中,最小二乘信道估计具 有较低的计算复杂度,但是估计精度对信道噪声的 统计特性敏感.基于离散傅里叶变换的最小均方误 差方法(discrete Fourier transfoFin—minimum mean square error,DFT.MMSE)能够克服这种统计敏感 性,但由于在计算时需要同时完成具有较高维数的 矩阵求逆处理,而使得实现过程较复杂.文献[31] 提出的滤波最小二乘信道估计算法能够降低噪声 的功率,而且使接收信号中的有用信息在经过滤波 处理后能够完全保留,因此,该算法能够提高参数 估计精度.文献[31]还讨论了滤波最小二乘估计 算法在时域导频插入式MIMO.OFDM信道估计中 的具体应用,并且给出了对应的导频数据复用格式 以及插值算法.理论分析和仿真结果表明,该算法 与最小二乘法和DFT.MMSE方法相比,能够获得 2~8 dB的均方误差性能增益,更适用于时频双选 择性信道环境. 在信道估计中,如果无法通过对信道冲击响应 矩阵进行降维或者稀疏来得到一个超定方程组,那 么就只能求解一个欠定方程组.而压缩感知 (compressed sensing,CS)理论为我们提供了一种求 解欠定方程的方法,于是出现了压缩感知类快衰落 信道估计算法 j,并且备受关注.该算法利用信道 延时.多普勒稀疏方法,准确地测量快衰落信道参 数,从而提高了频谱传输效率.并且,该算法较大程 度地降低了信道的估计误差,减少了导频数量,提高 了系统性能. 文献[32-35]通过对高速移动环境下快衰落空 间、时间和频率选择性衰落信道特性进行分析,研究 了OFDM符号内快衰落信道多速率复指数基扩展模 型(oversample complex exponential basis expansion model,OCE—BEM),并在此基础上提出了基于CS理 论的导频分布、导频个数、导频表达形式以及导频序 列与数据符号间的功率比分配;利用高速移动环境 下所得到的信道特性,来探求有效的自适应多普勒 频移、时延差和空问相关估计方法;使用OCE-BEM 跟踪OFDM符号周期内快衰落信道的变化;在cS理 论的基础上,对导频进行参数优化设计,形成高速移 动环境下集中和分布式MIMO—OFDMA动态三维空 时频(3D)快衰落信道估计算法.同时,对上述方法 进行系统仿真实验,并应用于高速移动MIMO— OFDMA通信系统中,在理论和技术上进行完善,最 终建立了一套完整的高速移动环境下基于cs理论 的集中和分布式MIMO.OFDMA动态三维空时频 (3D)快衰落信道估计方法.图15为3种方法在不 同导频数量情况下,利用已估计信道信息计算的误 码率(bit error ratio,BER)性能对比曲线.从图中可 以看出,在均方误差(mean squared estimate,MSE)为 1O 的情况下,文献[33]提出的GOMP算法的BER 性能比TmLS算法提高6 dB,而与CCS算法比较,提 高了2 dB[。 . 图15不同导频数量下信道误码率 Fig.15 BER of the communication channel with diferent pilot numbers 图16为文献[33]提出的GOMP算法在不同导 频数量情况下MSE性能对比曲线.从图中可以看 出,当导频数量分别为所有传输符号数量的25%和 12%时,TmLS算法的MSE性能随着导频数量的减 少下降很快,但CCS算法和GOMP算法的性能相差 不大,这表明cs理论用于快衰落信道估计可以减少 导频数量.GOMP提出的算法相对CCS算法,其BER 性能提高了近l dB_3 . 2.2天线选择技术 天线选择技术是近期发展起来的一种非常有效 的低成本、低复杂度的多天线分集技术,具有重要的 理论和应用价值,在无线通信应用领域正发挥着越 来越重要的作用. 346 明tt _特刊 上海大学学报(自然科学版) 第17卷 图16不同导频数量下信道估计均方误差 Fig.16 MSE of the communication channel with diferent pilot numbers 2.2.1 空间复用系统中使用低复杂度接收机的发 射天线选择 接收机在分离并行复用数据流时,其性能取决 于子数据流最小后检测信噪比.线性接收机是最简 单的空间复用接收机,但其分离出的子数据流最小 后检测信噪比可能非常小.为了提高子数据流最小 后检测信噪比,文献[36]提出使用BLAST接收机,通 过干扰抵消来提高该信噪比;并且提出了基于BLAST 接收机的发射天线选择算法,来选择该信噪比最大的 天线子集.该算法在接收误码性能和信道容量上都大 大优于基于线性接收机的发射天线选择算法. 2.2.2 闭环空间复用系统中的发射天线选择 在闭环空间复用系统中,当发射机端未知信道 状态信息或发射信号总功率很高时,等功率传输获 得的信道容量是最优的.在低发射信号总功率条件 下,如果发射机端已知信道状态信息,那么结合注水 功率分配算法的扩展最大率传输所获得的信道容量 最大.为了减少扩展最大率传输所需的反馈信息,文 献[37—38]提出了一种基于部分最大率传输的发射天 线选择算法,以及相应的发射天线功率分配算法.对 于2个射频链路隋况,证明了该方法只需要一半的反 馈信息就可以获得扩展最大率传输所达到的最大系 统信道容量.仿真结果表明,与扩展最大率传输相比, 该算法在低发射信号总功率时减少了反馈信息量,并 且提高了系统在高发射信号总功率时的信道容量. 2.2.3混合发射天线选择的最大率传输系统. 为了降低系统的成本和复杂度,文献[39]提出 了最大率传输系统中以平均接收信噪比为性能指标 的最少发射天线数的计算方法.在此基础上,还提出 了基于平均接收误比特率的最少发射天线数的计算 方法.这些算法能够以增加最少的发射天线来弥补 射频链路数减少带来的性能损失.为了减少反馈信 息量,文献[40-41]研究了最大率传输系统中发射波 束形成矢量的量化方法,提出了Lloyd矢量量化算 法和Grassmannian子空间包装(Grassmannian subspace packing,GSP)算法.仿真结果表明,与MRT 系统相比,混合发射天线选择的最大率传输(transmit antenna selection and maximal—ratio transmission,TAS. MRT)系统受发射波束形成矢量量化的影响较小. TAS—MRT系统使用Lloyd算法的误比特率性能优于 GSP算法,这是因为Lloyd算法是根据发射波束形成 矢量特性来设计的. 2.3盲均衡与盲多用户检测技术 在CDMA系统中,由于信道的畸变,码间干扰一 般存在于所有的通信系统中.如果不对多址干扰及 码间干扰加以适当补偿的话,接收信号就会含有很 高的误码串.盲均衡技术 和盲多用户检测技 术 正是解决这一问题的理想方法.盲方法从根 本上避免了训练序列的使用,可以自启动收敛并防 止失锁情况的发生,克服了传统自适应方法的缺点, 从而可以很好地应用于通信系统中. 文献[44]将盲信号分离技术应用于同步CDMA 系统中,提出了基于独立分量分析的盲多用户检测 算法.该算法有效利用了神经网络大规模并行处理 的能力,适合应用于通信系统中的在线处理.在此基 础上,文献[47]将该算法扩展到异步多径CDMA通 信系统中. 此外,对基于恒模算法的盲多用户检测而言,一 般的恒模算法无法控制检测出的具体用户.针对这 一问题,文献[45]提出了一种新的盲多用户检测算 法,该算法可以有效地检测出期望用户. 2.4 ICl消除技术 在OFDM系统中,由于本地晶振产生的载波与 实际载波之间存在相差,往往使接收机难以做到完 美同步,这种情况会导致OFDM系统中产生严重的 ICI.为了消除这种现象,必须在基带解调部分引入 ICI消除技术.针对复杂度低的载波间干扰消除方 法,文献[48]提出了一种新的加权共轭变换自消除 算法,其中重点研究了ICI自消除的等效基带模型 和采用ICI自消除算法的信干比.该算法通过假设 相邻子载波的信道特性和干扰近似的特点,采用加 权共轭因子消除ICI干扰.该算法在相同信噪比条 348 创刊 Im特刊 上海大学学报(自然科学版) 第17卷 图20 PIC两中继协同通信系统采用几种检测算法后 系统误码率性能比较 Fig.20 BER comparison of PIC two relay coHaborafive communication system with different detection algorithms 3无线通信领域 3.1无线传感器网络 3.1.1无线传感器网络生命期 7_ 如何高效使用能量、最大化无线传感器网络 (wireless sensor networks,WSNs)生命期一直是传感 器网络研究面I临的首要挑战.学科组从理论上对同 构和异构网络的生命期问题进行了系统研究,定量 研究了节点能耗模型、通信方式以及簇的最佳边长 与同构/异构传感器网络生命期的关系,为未来 WSNs的应用奠定了基础.并且,分析了数据融合对 同构/异构传感器网络最佳簇边长的影响,研究了基 于生物衰老理论的大规模WSNs生命期老化问题. 同构和异构WSNs生命期曲线如图21所示. 3.1.2无线传感器网络协议 5 9_ 网络协议是无线传感器网络的灵魂,针对WSNs 和无线多媒体传感网络(wireless multimedia sensor networks,WMSNs)的具体应用,学科组研究和设计 了高能效的无线传感器网络协议,其中所设计的一 种负载均衡、能量感知的空时链路判据,不仅可以最 大化WMSNs网络的生命期,还可以减少网络冲突,降 低丢包率,并达到整个网络性能的最优化.同时,学科 组还提出了QoS DCC—MAC协议,通过引入业务分类 机制来区分业务流类别,以减少网络时延,提高网络 吞吐量.最后,结合具体的应用,学科组设计了高性 能、低功耗的WSNs和WMSNs节点平台(见图22). 3.2甚小线性调频键控的类正弦无线通信 学科组发明了一种甚小线性调频键控(very Number ofsensor nodes (a)同构 Number ofsensor nodes (b)异构 图21同构和异构WSNs生命期曲线 Fig.21 Isomorphism and isomerism curves of WSNs Iifetime 曩I ■一 WMSNs节点 图22 自主开发的WSNs/WMSNs节点平台 Fig.22 Self-developed WSNs/WMSNs hardware platforms minimum chirp keying,VMCK) 的类正弦无线通 信技术(见图23).该技术用二进制数据控制线性调 频“升调”或“降调”,载波的中心频率同时也是信息 的传输速率.线性调频的频谱集中在载波附近,调频 第4期 徐得名,等:上海大学微波与无线通信领域的科学研究 349 的正弦信号在1 bit内正好为一个周期,因此,频带 预测研究.学科组通过对基于通信的列车控制 ,。口暑IlaIlI《 利用率极高,不失为一种有效的超窄带通信方 (communication based train control,CBTC)的无线通 法 ;该技术可同时控制信号初相,产生正弦调频 信中,IEEE 802.11,IEEE 802.1lb/g标准的2.4 GHz 和余弦调频信号,从而得到一种正交甚小线性调频 0FDM/DSSs/FHss等制式与同频设备之间的干扰 键控(o ̄hogonal VMCK,OVMCK)调制通信方法 , 以及其他电磁兼容问题开展研究,确立了特殊空间 0 5 O O 5 0 5 O 5 该方法中,每符号可传输2 bit,传信率和频带利用率 更高,具有灵活性和较高的应用价值,并可用于短波 内天线、漏泄电缆、漏泄波导传输方式下无线通信的 可靠性参数,解决了地铁和磁浮隧道内无线覆盖的 工程难题. 通信.“基于甚小线性调频的超窄带高速无线通信关 键技术研究”于2009年得到国家自然科学基金立项 支持. O.o o.2 0.4 o.6 o 8 1.o Time/s (a)VMCK信号波形 (b)系统性能 图23 VMCK信号在不同调制系数下的波形以及系统 的性能 Fig.23 VMCK waveforms and the system performance with different modulation coefifcients 3.3限定空间的无线电通信技术 学科组针对地下空间无线电通信技术开展了研 究,并于1996年和2000年分别承担国家自然科学 基金项目“矿井特高频UHF无线电传播机理的研 究”和“矿井个人通信系统”.研究中发现,在UHF 波段,某些频点具有在隧道内可长距离传输的特 性 .学科组先后与上海无线电管理局、上海申通 集团有限公司、上海磁浮交通有限公司合作,对地铁 和磁浮从2~38 GHz的无线电传输开展测试与信道 在实时信道仿真技术研究方面,学科组采用微 波电路实现多端口时变信道与衰落信道的机理与实 现方法(见图24),解决了常规信道仪器由于时延大 而不能动态编程的问题 .2009年,学科组在具 有国家一级测试资质的中国铁路通信信号上海工程 公司的“上海大学-上海通号”轨道交通无线通信联 合实验室,开展了对地铁无线产品的测试.另外,与 承担轨道交通列车运控与安全的国家重点实验室合 作,开展了北京亦庄线无线系统的测试,保障了我国 第一条CBTC国产化线路的顺利开通. 图24基于射频电路的信道仪 Fig・24 Channel emulator based OIl radio frequency .circuits 4结束语 上海大学微波与无线电通信学科开展的双极化 多波段微带天线阵、小型化和超宽带天线、微波输能 技术、通信信号处理、微波通信、限定空间无线电通 信以及各类无线通信系统的研究,使得微波与通信 2个学科合作互进,为未来更高频段、更小尺度的微 上海大学学报(自然科学版) 第17卷 波毫米波技术和高速移动下的无线通信技术研究奠 定了基础.目前,学科组正在开拓脊波导天线阵、可 重构微带天线、纺织天线等新兴研究领域,其中在总 装预研基金和“863”子课题的支持下,纺织天线研 究已取得了一些成绩 .在宽带移动通信领域,学 科组将继续开展有关毫米波通信、特殊空间中高速 移动、高可靠通信的关键技术研究,以及实时性强的 毫米波信道仿真技术研究,争取为国防和国家重大 经济建设作出突出贡献. 参考文献: [1]ZHONG S S,YANG X X,GAO S C.Polarization・agile microstrip antenna array using a single phase—shift circuit [J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2004,52(1):84—87. 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