无线通信技术实验评估与工业物联网解决方案

### 无线通信技术实验评估与工业物联网解决方案 在无线通信领域，信号传输方案的性能评估至关重要，同时工业物联网的发展也需要可靠的网络架构。本文将介绍格拉斯曼信号方案的实验评估以及一种适用于工业物联网的全新架构。 #### 格拉斯曼信号方案实验评估 1. **信号模型** - 对于配备 \(N\) 根天线且信道在相干时间 \(T\) 内保持恒定的系统，接收信号 \(Y \in C^{N×d}\) 可表示为 \(Y = HX + W\)。其中，\(X \in C^{M×d}\) 是在 \(d\) 个时隙内传输的信号，\(H \in C^{N×M}\) 是信道矩阵，\(W\) 表示加性高斯白噪声（AWGN）。为简化表示，此通用信号模型中省略了时间索引。 - 在高信噪比情况下，当 \(T \geq \min(M, N) + M\) 时，非相干块衰落多输入多输出（MIMO）信道的容量可通过传输各向同性分布的酉矩阵来实现。这种容量实现方法可从几何角度解释为格拉斯曼信号方案，其中传输信号是 \(C^T\) 中的 \(K\) 维子空间，\(K = \min(M, N, \lfloor\frac{T}{2}\rfloor)\)。并且，当 \(M\) 或 \(N\) 超过 \(T/2\) 时，容量不会有额外提升。 2. **格拉斯曼信号原理** - 对于非奇异信道 \(H\)，接收信号 \(Y\) 与传输信号 \(X\) 张成相同的行空间。在 \(M \leq N\) 且 \(T \geq 2M\) 的配置下，通过从格拉斯曼流形 \(G(T, M)\) 构成的码本 \(X\) 中传输子空间，可在 \(T\) 个时隙内发送多达 \(M(T - M)\) 个信息流。 - 当传输子空间为 \(X[n] = X_i\) 时，接收端的最优解码规则由广义似然比检验（GLRT）给出：\(\hat{X}_i = \arg \max_{X_j \in X} \left\{ \text{Tr} \left[ YX_j^H X_jY^H \right] \right\}\)，其复杂度随块长度 \(T\) 呈指数增长。 3. **实验设置** - **系统配置**：采用 \(2×2\) MIMO 系统，发射 - 接收距离约为 2 米。发射机和接收机功能均由通用软件无线电外设（USRP）B210 软件定义无线电（SDR）设备实现，该设备配备了 Analog Devices AD9361 单芯片直接转换收发器和 Spartan6 XC6SLX150 FPGA。对于需要精确频率同步的实验，使用 Ettus OctoClock 模块提供高精度定时参考信号。同时，使用西班牙 A Coruña 大学 GTEC 集团提供的 GTIS 软件对发射机和接收机进行配置和控制。 - **帧格式**：由于考虑在频率选择性信道上进行宽带传输，使用基于正交频分复用（OFDM）的 IEEE 802.11a 无线局域网（WLAN）物理层标准构建帧。每个子载波可视为一个 \(2×2\) MIMO 信道，非相干方案在 \(T\) 个连续的 OFDM 符号上进行编码。初始块是 802.11a 传输的公共头（短训练符号用于帧检测，长训练符号用于粗略频率估计）。 - **对比方案**：在对比中包括相干 Alamouti 方案，它是信道估计阶段后的第一个有效载荷数据（仅该方案需要信道估计）。然后，在帧中附加一定数量的 OFDM 符号用于差分 Alamouti、两种不同环境空间配置的格拉斯曼信号方案以及最近提出的一种非相干方案。 - **频谱效率配置**：对两种不同的频谱效率（\(\eta = 1\) 和 \(\eta = 2\) bps/Hz）进行评估。 - 当 \(\eta = 1\) bps/Hz 时，基于 Alamouti 的方案使用二进制相移键控（BPSK）符号。格拉斯曼信号方案传输环境空间维度为 \(T_{short} = 4\) 和 \(T_{long} = 6\) 的 2 维子空间，分别使用 16 元素和 64 元素的码本。基于相移键控（PSK）的非相干方案使用 \(L = 4\) 符号的码本。 - 当 \(\eta = 2\) bps/Hz 时，相干和差分 Alamouti 技术均传输正交相移键控（QPSK）星座。格拉斯曼码字分别从 256 元素的 \(G(4, 2)\) 和 1024 元素的 \(G(5, 2)\) 码本中选取。最后一种方案使用 \(L = 16\) 符号的星座。 - 本文使用的格拉斯曼码本通过交替投影算法设计。 - 每个实验中，上述序列在 2.487 GHz 频段的 48 个数据子载波上传输，总带宽为 8 MHz。 |频谱效率（bps/Hz）|Alamouti 方案调制方式|格拉斯曼信号方案环境空间维度及码本|PSK 非相干方案码本| | ---- | ---- | ---- | ---