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智能天线及其应用

   2005-12-31 2380

一个门限值为6dB的32用户CDMA系统中,在基站引入采用自适应、-15dB等旁瓣针状波束、-20dB等旁瓣针状波束和简单同相叠加方向图四种不同智能天线后,系统Eb/N的累积概率分布。可以看出,采用智能天线以后,系统的Eb/N得到了显着的提高。图5给出了分别利用四种智能天线扩容的系统,在不同用户数时系统Eb/N低于门限值(6dB)的出界概率分布。在0.01的出界概率下,采用上述四种智能天线系统的扩容能力分别为6.56、6.41、5.47、4.9倍。

时空信号联合处理技术

智能天线实际上是一种空间信号处理技术。如果它和时间信号处理技术相结合,就会获得更大的好处。在时间信号处理方面,如均衡技术,时、频域分集接收,RAKE接收,最大似然接收等已在通信中得到广泛应用。它们本身也常用于克服多径衰落,提高通信质量。把两种信号处理技术结合起来,产生一种新的统一的算法,可以更有效地提高通信性能和处理效率。有的文献称之为两维或三维RAKE接收。图6给出一种空间滤波RAKE接收机的框图, 它包括N个天线单元、三套形成空间波束的加权器和一个三指RAKE接收机。除此之外,还需一个实时DOA探测器和相应的控制器,用以产生加权数。

图7给出了一个用于DSCDMA系统的时空域联合处理系统结构框图。它除了有智能天线部分,还有多用户联合检测部分。在多用户联合检测部分,如我们需要先得到用户0的信号。Demi和Modi (i=1,2,…,M)分别将来自第i个用户的扩频干扰解调后重新扩频,自适应数字滤波器ADFi用来识别包括无线信道和天线阵列的参数,以产生对干扰的复制。从智能天线输出端的信号y(k)中减去干扰信号,得到的u(k)经过自适应滤波器ADF0得到用户0的信号。再通过Dem0解调后得到基带信息,把它重新扩频、调制再与ADF0的输出相减,就得到了用于控制ADFi(i=0,1,…,M)的误差信号。

我们进行了计算机仿真,假设有两个用户同时在工作,每个用户的信号到达接收端都有两径,针状波束智能天线的主瓣指向为180°,以第一位用户的DOA=180°的信号为有用信号,对全向天线(无多用户联合检测)、全向天线(有多用户联合检测)、智能天线(无多用户联合检测)、智能天线(有多用户联合检测)四种情况。

多径信号干扰的影响。全向天线误码率为50%左右;采用多用户联合检测的全向天线使误码率下降到10-2到10-4左右;无多用户联合检测的智能天线在干扰小于信号时,误码率极低(小于10-10),但当干扰来向接近天线主瓣最大值时,此时干扰强于有用信号,误码率迅速提高到50%左右;采用多用户联合检测的智能天线在干扰来向接近天线主瓣最大值时,仍能极大地压制干扰,但在干扰弱于有用信号时,由于时域均衡造成的误差在此时成为误差主要来源而导致误码率高于无多用户联合检测的智能天线,因此在实际使用中,可以控制ADFi(i=0,1,…,M)使其在干扰高于有用信号时工作,用来消除通信盲区。

图9是其他用户信号干扰的影响,可以看出,全向天线误码率为50%左右;采用多用户联合检测的全向天线误码率下降到10-2.5到10-4左右;无多用户联合检测的智能天线在其他用户的干扰小于有用信号时,误码率极低(小于10-10),但当其他干扰强于有用信号时,误码率迅速变大到50%左右;采用多用户联合检测的智能天线在干扰来向接近天线主瓣最大值时,仍能保证误码率低于10-3,但在干扰弱于有用信号时,误码率高于无多用户联合检测的智能天线。

动态信道分配

在通信中,信道的分配是保障通信质量,有效利用信道的关键技术之一。当空分信道引入系统后,空、频、时、码分信道的动态分配算法成为新的技术难点。后三种信道分配技术是确定性的,在小区内它与环境无关,可以由系统根据用户情况实施动态分配。但空分信道分配与他们不同,它基于信干比情况,可以归纳为两个基本条件。即在基台处接收功率相差不大和用户方向角度相差大于天线主波瓣的用户可以分享同一时、频域信道。这样,信道分配成为一个动态的条件组合问题,并且,随着用户空间位置的移动,空分信道必须相应变化,随时进行动态分配,以跟踪用户。它必须与时、频信道的分配和切换结合起来。这需要一种高效算法,以适应快速移动用户的要求。此外,它还必须保证信道的切换不能过于频繁,切换和接入时间要足够短等。对于CDMA系统,由于其容量是一个软容量,其信道分配相对简单。

由于智能天线本身具有功率控制功能,其性能要优于现有的功率控制技术。所谓波束跟着用户走还包含着功率控制。现有的功率控制是一维的,而智能天线的功率控制是两维,甚至三维的。采用智能天线,基地台间的越区切换可以采用更为灵活的方法,更好地克服CDMA系统中的呼吸现象。

结束语

天线技术是当前移动通信发展的瓶颈之一,是目前最有活力、最富有挑战性的学术和技术领域。一方面,对天线的各种要求,如小体积、宽频带、多频段、高方向性及低副瓣等不断提出;因此新的材料,如陶瓷介质材料、超导天线等不断出现;新的天线形式,如金属介质多层结构、复合缝隙阵、各种阵列天线等不断产生。另一方面,在目前电磁环境日益恶化的情况下,将空间信号和时间信号处理结合,采用智能天线和软件无线电技术是解决需求和可能矛盾的根本出路。自适应天线已经历了40多年的发展历史,有了长足的进步。但是,智能天线的发展必将在更高层次上、更广泛的内涵上将无线通信带入新的时代。

 
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