不采用自適應(yīng)算法的智能天線系統(tǒng)
本文提出了一種基于等旁瓣針狀波束方向圖的智能天線.為了與采用自適應(yīng)算法的智能天線進(jìn)行對(duì)比，本文分別模擬了這兩種不同智能天線用于CDMA系統(tǒng)時(shí)的擴(kuò)容能力.模擬結(jié)果表明，在CDMA系統(tǒng)中無(wú)需采用自適應(yīng)算法，只需用等旁瓣針狀波束智能天線，就可以達(dá)到與自適應(yīng)智能天線相似的擴(kuò)容性能.等旁瓣針狀波束智能天線的優(yōu)點(diǎn)是：無(wú)需迭代、響應(yīng)速度快、魯棒性好.
關(guān)鍵詞:智能天線；圓形陣列；CDMA系統(tǒng)
Smart Antenna without Employing Adaptive Algorithm
FENG Zheng-he,ZHANG Zhi-jun
(Department of Electronics Engineering,Tsinghua University,Beijing 10084,China)
Abstract:A smart antenna based on equal side-lobe pencil patterns was proposed in this paper.For comparing with smart antennas which employ adaptive algorithm,the capacity enhancement of both smart antennas in CDMA system is evaluated.The simulation result shows that the adaptive algorithm does not have to be employed.Smart antennas with equal side-lobe pencil patterns has almost the same capacity enhancement performance.Merits of equal side-lobe pencil pattern smart antennas are without iteration,faster response and better robustness.
Key words:smart antenna；circular array；CDMA
一、引 言
隨著移動(dòng)通信在中國(guó)的迅速普及，有限的通信頻帶已日趨擁擠.為了提高通信頻帶的利用率，人們已采用了多種信道復(fù)用方法：頻分多址(FDMA)、時(shí)分多址(TDMA)、碼分多址(CDMA)等.但是它們擴(kuò)展容量的能力并不是無(wú)限的.智能天線［1～6］從一個(gè)嶄新的角度來(lái)研究通信擴(kuò)容問(wèn)題，它利用空間分集進(jìn)行擴(kuò)容，它可以和傳統(tǒng)的復(fù)用技術(shù)相結(jié)合，最大限度地利用有限的頻帶資源，它還可以有效地解決干擾問(wèn)題、擴(kuò)大基站覆蓋區(qū)域、減少輻射功率.
智能天線以擴(kuò)容原理分可以分為兩類：
1.軟容量的擴(kuò)容［1～3］.如CDMA系統(tǒng)，在這類系統(tǒng)中，由于可用信道數(shù)足夠多，系統(tǒng)的容量決定于系統(tǒng)的信噪比.智能天線可以提高系統(tǒng)的信噪比，對(duì)于給定的信噪比門限值，采用智能天線的系統(tǒng)可以容納更多的用戶，達(dá)到擴(kuò)容的目的.
2.硬容量的擴(kuò)容［4～6］.如FDMA,TDMA等系統(tǒng)，在這類系統(tǒng)中智能天線利用其空間分集的能力，使空間角度不同的多個(gè)用戶使用同一傳統(tǒng)信道(頻分信道、時(shí)分信道).硬容量擴(kuò)容實(shí)際是將一個(gè)傳統(tǒng)信道再分為若干個(gè)空分信道，從而成倍地提高系統(tǒng)容量.
智能天線以實(shí)現(xiàn)形式分類，也可分為兩類：
1.自適應(yīng)算法形成方向圖.自適應(yīng)算法通常以輸出信號(hào)的信噪比最大作為目標(biāo)函數(shù)，用迭代算法使系統(tǒng)信噪比最佳.
2.等旁瓣針狀波束方向圖.它通過(guò)測(cè)向確定用戶信號(hào)的到達(dá)方向(DOA)，然后將等旁瓣方向圖的主瓣指向用戶方向，從而提高用戶的信噪比.該方案中的DOA檢測(cè)是一個(gè)比較成熟的技術(shù)，已經(jīng)有MUSIC［7］，ESPRIT［8］等多種算法，900MHz移動(dòng)通信頻段的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也已見(jiàn)報(bào)道［9］.
將智能天線按擴(kuò)容原理、實(shí)現(xiàn)形式進(jìn)行聯(lián)合分類可得表1.已有的工作已對(duì)自適應(yīng)軟擴(kuò)容、自適應(yīng)硬擴(kuò)容、針狀波束方向圖硬擴(kuò)容進(jìn)行了研究.本文將比照自適應(yīng)軟擴(kuò)容智能天線，對(duì)針狀波束軟擴(kuò)容智能天線進(jìn)行研究.
表1
| 自適應(yīng)方向圖 | 針狀波束方向圖 | |
| 軟容量擴(kuò)容 | ［1～3］ | 本文 |
| 硬容量擴(kuò)容 | ［5～6］ | ［4］ |
| 二、自適應(yīng)智能天線和針狀波束智能天線 圖1是智能天線波束控制系統(tǒng)的原理框圖.智能天線是一種陣列天線，所有智能天線系統(tǒng)都是通過(guò)改變陣列天線中各陣元信號(hào)的加權(quán)然后將其疊加，來(lái)完成信號(hào)的空間處理的.對(duì)于一個(gè)有N個(gè)單元的智能天線系統(tǒng)，處理每一個(gè)用戶需要N個(gè)等效的加權(quán)器，若共有M個(gè)用戶，則需N*M個(gè)等效加權(quán)器.在實(shí)際系統(tǒng)中，多個(gè)等效加權(quán)器的工作可由一個(gè)高性能的處理芯片完成，從而大大地減少系統(tǒng)的復(fù)雜程度.圖1中給出的系統(tǒng)可以完成對(duì)一個(gè)用戶信號(hào)的處理.智能天線的不同實(shí)現(xiàn)形式，主要體現(xiàn)圖1框圖的波束控制模塊的實(shí)現(xiàn)形式上，下面將分別進(jìn)行討論. |
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圖1 智能天線波束控制原理框圖 自適應(yīng)智能天線系統(tǒng)，通過(guò)迭代來(lái)獲得一組加權(quán)矢量，從而使陣列輸出信號(hào)S(t)中所需信號(hào)對(duì)所有其它用戶信號(hào)的比最大，即信號(hào)干擾比最大.采用這種實(shí)現(xiàn)方式，系統(tǒng)具有最高的信干比.但是由于采用迭代方式，系統(tǒng)的響應(yīng)速度受到限制.對(duì)于高速運(yùn)動(dòng)的移動(dòng)用戶，系統(tǒng)的性能也將受到影響. (1) 當(dāng)加權(quán)信號(hào)已知時(shí)，陣列天線方向圖可由式(1)算出.式中g(shù)(θ)為陣列方向圖；ωm為第m路信號(hào)的加權(quán)值；φm(θ)是信號(hào)從空間角度到達(dá)陣列單元m時(shí)的相位差. 圖2 自適應(yīng)方向圖 圖3是等旁瓣針狀波束方向圖，等旁瓣針狀波束方向圖也可由(1)式計(jì)算出.等旁瓣方向圖與自適應(yīng)方向圖的不同在于加權(quán)信號(hào)產(chǎn)生的方式不同，等旁瓣方向圖的加權(quán)值是預(yù)先計(jì)算好的.等旁瓣智能天線系統(tǒng)工作時(shí)，首先需要通過(guò)測(cè)向算法測(cè)定信號(hào)的到達(dá)角度(DOA)，然后通過(guò)選取合適的加權(quán)，將方向圖的主瓣指向用戶到達(dá)方向.這類智能天線對(duì)于處于非主瓣區(qū)域的干擾，是通過(guò)低的等旁瓣電平來(lái)確保抑制的.對(duì)于處于主瓣區(qū)域內(nèi)的干擾，采用等旁瓣針狀智能天線系統(tǒng)將無(wú)法抑制.由于系統(tǒng)方向圖主瓣寬度是由天線陣列口徑?jīng)Q定的，所以自適應(yīng)智能天線對(duì)于主瓣內(nèi)的干擾信號(hào)抑制能力也是很有限的.與自適應(yīng)智能天線相比，等旁瓣智能天線無(wú)需迭代，響應(yīng)速度快，而且這種方案的魯棒性更好. |
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圖3 -15dB等旁瓣針狀波束方向圖 三、智能天線系統(tǒng)對(duì)照仿真結(jié)果 圖4 -10dB、-20dB等旁瓣針狀波束方向圖 本文仿真均假設(shè)CDMA系統(tǒng)具有理想的功率控制，系統(tǒng)的擴(kuò)頻系數(shù)為128，無(wú)話音激勵(lì).小區(qū)內(nèi)除用戶外無(wú)其它干擾，無(wú)鄰近小區(qū)干擾，無(wú)多徑干擾.系統(tǒng)的門限值Eb/N=6dB.根據(jù)上述假設(shè)一個(gè)采用全向天線的基站可支持的最大用戶數(shù)為32. 圖5 32用戶時(shí)四種智能天線系統(tǒng)的累積概率分布 圖6分別給出了利用四種智能天線擴(kuò)容的系統(tǒng)，在不同用戶數(shù)時(shí)系統(tǒng)Eb/N低于門限值(6dB)的出界概率分布.圖6曲線中每一個(gè)點(diǎn)都是10000次隨機(jī)用戶分布的統(tǒng)計(jì)結(jié)果.在0.01的出界概率下，采用自適應(yīng)方向圖、-10dB等旁瓣針狀波束方向圖、-15dB等旁瓣針狀波束方向圖、-20dB等旁瓣針狀波束方向圖的四種智能天線系統(tǒng)的擴(kuò)容能力分別為采用全向天線系統(tǒng)的6.81、4.81、6.62、5.66倍. |
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圖6 四種智能天線擴(kuò)容時(shí)的出界概率 圖7給出了一個(gè)8單元等旁瓣針狀波束方向圖智能天線，當(dāng)Eb/N＜6的出界概率取0.01時(shí)，采用不同旁瓣電平方向圖的智能天線系統(tǒng)所能支持的用戶數(shù)曲線.圖中虛線為自適應(yīng)智能天線所能支持的用戶數(shù)：218.由圖7可見(jiàn)，當(dāng)旁瓣電平為-20dB時(shí)，系統(tǒng)可以支持的用戶數(shù)為181.隨著針狀波束方向圖旁瓣電平的升高，系統(tǒng)容量增加，當(dāng)旁瓣電平為-15dB時(shí)，系統(tǒng)可以支持的用戶數(shù)達(dá)到最大值：213，僅比采用自適應(yīng)智能天線的系統(tǒng)少5個(gè).當(dāng)旁瓣電平超過(guò)-15dB以后，系統(tǒng)容量將隨著針狀波束方向圖旁瓣電平的升高而減小，當(dāng)旁瓣電平為-10dB時(shí)，系統(tǒng)可以支持的用戶數(shù)為153. 圖7 智能天線擴(kuò)容用戶數(shù)比方向圖旁瓣電平 從圖6、圖7還可以發(fā)現(xiàn)，采用-15dB等旁瓣方向圖的智能天線系統(tǒng)和采用自適應(yīng)智能天線有著近似的擴(kuò)容能力.為了解釋這一現(xiàn)象，在圖8中給出了當(dāng)所需信號(hào)來(lái)向?yàn)?80度，其它200個(gè)干擾用戶隨機(jī)分布時(shí)，自適應(yīng)算法得出的方向圖.由圖8可知，在干擾數(shù)目遠(yuǎn)大于陣列單元數(shù)時(shí)，自適應(yīng)算法得到的方向圖(圖8)和-15等旁瓣方向圖(圖3)具有相似的主瓣寬度及旁瓣電平.這一現(xiàn)象可以用自適應(yīng)算法的原理來(lái)解釋，當(dāng)干擾數(shù)目少于陣列單元數(shù)時(shí)，自適應(yīng)算法可以產(chǎn)生凹點(diǎn)將干擾完全抑制掉.當(dāng)干擾數(shù)目遠(yuǎn)大于陣列單元數(shù)時(shí)，因?yàn)楦蓴_已遍布于圓周各方向，此時(shí)自適應(yīng)算法已無(wú)法通過(guò)形成凹點(diǎn)來(lái)進(jìn)行干擾抑制，它只能通過(guò)形成較低的旁瓣電平來(lái)抑制干擾.這一結(jié)論很重要，這表明在利用智能天線擴(kuò)容時(shí)，可能無(wú)需采用自適應(yīng)算法，只需要選取合適的等旁瓣方向圖就可以達(dá)到與自適應(yīng)算法近似的擴(kuò)容能力. 圖8 用戶數(shù)為200的自適應(yīng)方向圖 圖6、圖7中還可以看到，采用-15dB方向圖和-10dB、-20dB方向圖的智能天線系統(tǒng)性能相差很多，這表明選取不同的等旁瓣方向圖，會(huì)顯著影響智能天線的擴(kuò)容能力.比較圖3、圖4中的三種等旁瓣方向圖，可以看到當(dāng)陣列結(jié)構(gòu)一定時(shí)，旁瓣電平與主瓣寬度成反比.-10dB反向圖雖然具有較窄的主瓣，但是它的旁瓣較高，系統(tǒng)性能下降；-20dB方向圖雖然具有較低的旁瓣，但由于它的主瓣寬度較寬，系統(tǒng)性能也同樣下降.所以在實(shí)際應(yīng)用中無(wú)需追求過(guò)窄的主瓣或過(guò)低的旁瓣，應(yīng)選取與自適應(yīng)算法所得方向圖具有相似主瓣寬度、旁瓣電平的等旁瓣方向圖，此時(shí)針狀波束智能天線的性能接近最佳. 四、結(jié) 論 |
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