不采用自適應算法的智能天線(xiàn)系統分析
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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(xiàn).為了與采用自適應算法的智能天線(xiàn)進(jìn)行對比，本文分別模擬了這兩種不同智能天線(xiàn)用于CDMA系統時(shí)的擴容能力.模擬結果表明，在CDMA系統中無(wú)需采用自適應算法，只需用等旁瓣針狀波束智能天線(xiàn)，就可以達到與自適應智能天線(xiàn)相似的擴容性能.等旁瓣針狀波束智能天線(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)是：無(wú)需迭代、響應速度快、魯棒性好.
關(guān)鍵詞:智能天線(xiàn)；圓形陣列；CDMA系統
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(zhù)移動(dòng)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.但是它們擴展容量的能力并不是無(wú)限的.智能天線(xiàn)［1～6］從一個(gè)嶄新的角度來(lái)研究通信擴容問(wèn)題，它利用空間分集進(jìn)行擴容，它可以和傳統的復用技術(shù)相結合，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、擴大基站覆蓋區域、減少輻射功率.
智能天線(xiàn)以擴容原理分可以分為兩類(lèi)：
1.軟容量的擴容［1～3］.如CDMA系統，在這類(lèi)系統中，由于可用信道數足夠多，系統的容量決定于系統的信噪比.智能天線(xiàn)可以提高系統的信噪比，對于給定的信噪比門(mén)限值，采用智能天線(xiàn)的系統可以容納更多的用戶(hù)，達到擴容的目的.
2.硬容量的擴容［4～6］.如FDMA,TDMA等系統，在這類(lèi)系統中智能天線(xiàn)利用其空間分集的能力，使空間角度不同的多個(gè)用戶(hù)使用同一傳統信道(頻分信道、時(shí)分信道).硬容量擴容實(shí)際是將一個(gè)傳統信道再分為若干個(gè)空分信道，從而成倍地提高系統容量.
智能天線(xiàn)以實(shí)現形式分類(lèi)，也可分為兩類(lèi)：
1.自適應算法形成方向圖.自適應算法通常以輸出信號的信噪比最大作為目標函數，用迭代算法使系統信噪比最佳.
2.等旁瓣針狀波束方向圖.它通過(guò)測向確定用戶(hù)信號的到達方向(DOA)，然后將等旁瓣方向圖的主瓣指向用戶(hù)方向，從而提高用戶(hù)的信噪比.該方案中的DOA檢測是一個(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)驗結果也已見(jiàn)報道［9］.
將智能天線(xiàn)按擴容原理、實(shí)現形式進(jìn)行聯(lián)合分類(lèi)可得表1.已有的工作已對自適應軟擴容、自適應硬擴容、針狀波束方向圖硬擴容進(jìn)行了研究.本文將比照自適應軟擴容智能天線(xiàn)，對針狀波束軟擴容智能天線(xiàn)進(jìn)行研究.
表1
| 自適應方向圖 | 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、自適應智能天線(xiàn)和針狀波束智能天線(xiàn) 圖1是智能天線(xiàn)波束控制系統的原理框圖.智能天線(xiàn)是一種陣列天線(xiàn)，所有智能天線(xiàn)系統都是通過(guò)改變陣列天線(xiàn)中各陣元信號的加權然后將其疊加，來(lái)完成信號的空間處理的.對于一個(gè)有N個(gè)單元的智能天線(xiàn)系統，處理每一個(gè)用戶(hù)需要N個(gè)等效的加權器，若共有M個(gè)用戶(hù)，則需N*M個(gè)等效加權器.在實(shí)際系統中，多個(gè)等效加權器的工作可由一個(gè)高性能的處理芯片完成，從而大大地減少系統的復雜程度.圖1中給出的系統可以完成對一個(gè)用戶(hù)信號的處理.智能天線(xiàn)的不同實(shí)現形式，主要體現圖1框圖的波束控制模塊的實(shí)現形式上，下面將分別進(jìn)行討論. |
圖1 智能天線(xiàn)波束控制原理框圖 自適應智能天線(xiàn)系統，通過(guò)迭代來(lái)獲得一組加權矢量，從而使陣列輸出信號S(t)中所需信號對所有其它用戶(hù)信號的比最大，即信號干擾比最大.采用這種實(shí)現方式，系統具有最高的信干比.但是由于采用迭代方式，系統的響應速度受到限制.對于高速運動(dòng)的移動(dòng)用戶(hù)，系統的性能也將受到影響.
當加權信號已知時(shí)，陣列天線(xiàn)方向圖可由式(1)算出.式中g(shù)(θ)為陣列方向圖；ωm為第m路信號的加權值；φm(θ)是信號從空間角度到達陣列單元m時(shí)的相位差.
圖2 自適應方向圖 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方向圖的不同在于加權信號產(chǎn)生的方式不同，等旁瓣方向圖的加權值是預先計算好的.等旁瓣智能天線(xiàn)系統工作時(shí)，首先需要通過(guò)測向算法測定信號的到達角度(DOA)，然后通過(guò)選取合適的加權，將方向圖的主瓣指向用戶(hù)到達方向.這類(lèi)智能天線(xiàn)對于處于非主瓣區域的干擾，是通過(guò)低的等旁瓣電平來(lái)確保抑制的.對于處于主瓣區域內的干擾，采用等旁瓣針狀智能天線(xiàn)系統將無(wú)法抑制.由于系統方向圖主瓣寬度是由天線(xiàn)陣列口徑?jīng)Q定的，所以自適應智能天線(xiàn)對于主瓣內的干擾信號抑制能力也是很有限的.與自適應智能天線(xiàn)相比，等旁瓣智能天線(xiàn)無(wú)需迭代，響應速度快，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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