不采用自適應(yīng)算法的智能天線系統(tǒng)分析
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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(kuò)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(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(kuò)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(kuò)容問題，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用戶使用同一傳統(tǒng)信道(頻分信道、時分信道).硬容量擴(kuò)容實(shí)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(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(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(shí)驗(yàn)結(jié)果也已見報道［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(shí)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(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. |
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(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.對于高速運(yùn)動的移動用戶，系統(tǒng)的性能也將受到影響.
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(dá)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(dá)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(dá)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. |
(1)
圖3 -15dB等旁瓣針狀波束方向 |
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