一,、引言
隨著移動(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(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限的.智能天線［1～6］從一個(gè)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(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(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.
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(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)可以完成對一個(gè)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(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路信號的加權(quán)值,；φm(θ)是信號從空間角度到達(dá)陣列單元m時(shí)的相位差.
圖2是一個(gè)陣元間距為半波長的8元圓形自適應(yīng)陣列在1用戶,、10干擾用戶的一種隨機(jī)分布通信環(huán)境下對應(yīng)的方向圖.由圖2可見，系統(tǒng)在干擾方向形成凹點(diǎn),，并在所需信號方向形成峰值.通常自適應(yīng)算法在無干擾信號的其它角度上也可能出現(xiàn)峰值.
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.
圖3 -15dB等旁瓣針狀波束方向圖
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(shí)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(shí)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(kuò)頻系數(shù)為128,，無話音激勵(lì).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(gè)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(gè)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(jī)用戶分布的統(tǒng)計(jì)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(shí),，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(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,。
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，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-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)所需信號來向?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)算法已無法通過形成凹點(diǎn)來進(jìn)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(kuò)容時(shí),，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(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(shí)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(kuò)容能力的模擬結(jié)果.模擬結(jié)果表明，在利用智能天線擴(kuò)容時(shí),，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(dá)到與自適應(yīng)算法近似的擴(kuò)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(kuò)容能力.所以在實(shí)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.