不采用自適應(yīng)算法的智能天線系統(tǒng)分析
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)算法的智能天線進行對比，本文分別模擬了這兩種不同智能天線用于CDMA系統(tǒng)時的擴容能力.模擬結(jié)果表明，在CDMA系統(tǒng)中無需采用自適應(yīng)算法，只需用等旁瓣針狀波束智能天線，就可以達到與自適應(yīng)智能天線相似的擴容性能.等旁瓣針狀波束智能天線的優(yōu)點是：無需迭代、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
隨著移動通信在中國的迅速普及，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)、時分多址(TDMA)、碼分多址(CDMA)等.但是它們擴展容量的能力并不是無限的.智能天線［1～6］從一個嶄新的角度來研究通信擴容問題，它利用空間分集進行擴容，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題、擴大基站覆蓋區(qū)域、減少輻射功率.
智能天線以擴容原理分可以分為兩類：
1.軟容量的擴容［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，達到擴容的目的.
2.硬容量的擴容［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用戶使用同一傳統(tǒng)信道(頻分信道、時分信道).硬容量擴容實際是將一個傳統(tǒng)信道再分為若干個空分信道，從而成倍地提高系統(tǒng)容量.
智能天線以實現(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.它通過測向確定用戶信號的到達方向(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檢測是一個比較成熟的技術(shù)，已經(jīng)有MUSIC［7］，ESPRIT［8］等多種算法，900MHz移動通信頻段的實驗結(jié)果也已見報道［9］.
將智能天線按擴容原理、實現(xiàn)形式進行聯(lián)合分類可得表1.已有的工作已對自適應(yīng)軟擴容、自適應(yīng)硬擴容、針狀波束方向圖硬擴容進行了研究.本文將比照自適應(yīng)軟擴容智能天線，對針狀波束軟擴容智能天線進行研究.
表1
| 自適應(yīng)方向圖 | 針狀波束方向圖 | |
| 軟容量擴容 | ［1～3］ | 本文 |
| 硬容量擴容 | ［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)都是通過改變陣列天線中各陣元信號的加權(quán)然后將其疊加，來完成信號的空間處理的.對于一個有N個單元的智能天線系統(tǒng)，處理每一個用戶需要N個等效的加權(quán)器，若共有M個用戶，則需N*M個等效加權(quán)器.在實際系統(tǒng)中，多個等效加權(quán)器的工作可由一個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)可以完成對一個用戶信號的處理.智能天線的不同實現(xiàn)形式，主要體現(xiàn)圖1框圖的波束控制模塊的實現(xiàn)形式上，下面將分別進行討論. |
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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)，通過迭代來獲得一組加權(quán)矢量，從而使陣列輸出信號S(t)中所需信號對所有其它用戶信號的比最大，即信號干擾比最大.采用這種實現(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.對于高速運動的移動用戶，系統(tǒng)的性能也將受到影響. (1) 當(dāng)加權(quán)信號已知時，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路信號的加權(quán)值；φm(θ)是信號從空間角度到達陣列單元m時的相位差.
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)信號產(chǎn)生的方式不同，等旁瓣方向圖的加權(quán)值是預(yù)先計算好的.等旁瓣智能天線系統(tǒng)工作時，首先需要通過測向算法測定信號的到達角度(DOA)，然后通過選取合適的加權(quán)，將方向圖的主瓣指向用戶到達方向.這類智能天線對于處于非主瓣區(qū)域的干擾，是通過低的等旁瓣電平來確保抑制的.對于處于主瓣區(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)智能天線對于主瓣內(nèi)的干擾信號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 |
三、智能天線系統(tǒng)對照仿真結(jié)果
本節(jié)分別給出了采用自適應(yīng)方向圖(Applebaum算法［11］)、-10dB等旁瓣針狀波束方向圖(如圖4虛線)、-15dB等旁瓣針狀波束方向圖(如圖3)、-20dB等旁瓣針狀波束方向圖(如圖4實線)的四種智能天線系統(tǒng)性能的仿真結(jié)果.仿真所用系統(tǒng)采用相鄰陣元間距為半波長的8元圓形陣列，假設(shè)陣列采用各向同性單元.仿真時對于自適應(yīng)智能天線不考慮迭代過程，為系統(tǒng)最終穩(wěn)態(tài)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)的擴頻系數(shù)為128，無話音激勵.小區(qū)內(nèi)除用戶外無其它干擾，無鄰近小區(qū)干擾，無多徑干擾.系統(tǒng)的門限值Eb/N=6dB.根據(jù)上述假設(shè)一個采用全向天線的基站可支持的最大用戶數(shù)為32.
圖5給出了一個門限值為6dB的32用戶CDMA系統(tǒng)中，在基站引入四種不同智能天線后，系統(tǒng)Eb/N的累積概率分布.圖5中每條曲線都是10000次隨機用戶分布的統(tǒng)計結(jié)果.由圖5可以看出，采用智能天線以后，系統(tǒng)的Eb/N得到了顯著的提高.這表明，在不增加用戶數(shù)目的條件下，采用智能天線可以減少系統(tǒng)所需信號功率、增加基站覆蓋面積。當(dāng)出界概率為0.01時，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)，分別比采用全向天線的系統(tǒng)提高5.25dB、4.75dB、5.05dB、4.45dB.
圖5 32用戶時四種智能天線系統(tǒng)的累積概率分布
圖6分別給出了利用四種智能天線擴容的系統(tǒng)，在不同用戶數(shù)時系統(tǒng)Eb/N低于門限值(6dB)的出界概率分布.圖6曲線中每一個點都是10000次隨機用戶分布的統(tǒng)計結(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 四種智能天線擴容時的出界 |
圖7給出了一個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，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，當(dāng)旁瓣電平為-20dB時，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，系統(tǒng)可以支持的用戶數(shù)達到最大值：213，僅比采用自適應(yīng)智能天線的系統(tǒng)少5個.當(dāng)旁瓣電平超過-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，系統(tǒng)可以支持的用戶數(shù)為153.
圖7 智能天線擴容用戶數(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)所需信號來向為180度，其它200個干擾用戶隨機分布時，自適應(yīng)算法得出的方向圖.由圖8可知，在干擾數(shù)目遠大于陣列單元數(shù)時，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)算法的原理來解釋，當(dāng)干擾數(shù)目少于陣列單元數(shù)時，自適應(yīng)算法可以產(chǎn)生凹點將干擾完全抑制掉.當(dāng)干擾數(shù)目遠大于陣列單元數(shù)時，因為干擾已遍布于圓周各方向，此時自適應(yīng)算法已無法通過形成凹點來進行干擾抑制，它只能通過形成較低的旁瓣電平來抑制干擾.這一結(jié)論很重要，這表明在利用智能天線擴容時，可能無需采用自適應(yīng)算法，只需要選取合適的等旁瓣方向圖就可以達到與自適應(yīng)算法近似的擴容能力.
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，會顯著影響智能天線的擴容能力.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，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.所以在實際應(yīng)用中無需追求過窄的主瓣或過低的旁瓣，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，此時針狀波束智能天線的性能接近最佳.
四、結(jié) 論
本文研究了采用自適應(yīng)方向圖、等旁瓣針狀波束方向圖的兩種不同智能天線系統(tǒng).給出了這兩類智能天線對現(xiàn)有CDMA系統(tǒng)的擴容能力的模擬結(jié)果.模擬結(jié)果表明，在利用智能天線擴容時，可能無需采用自適應(yīng)算法，只需要選取合適的等旁瓣方向圖就可以達到與自適應(yīng)算法近似的擴容能力.模擬結(jié)果還表明選取不同的等旁瓣方向圖，會顯著影響智能天線的擴容能力.所以在實際應(yīng)用中應(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，使智能天線的性能接近最佳.
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