一、引言

　　隨著移動(dòng)通信在中國(guó)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(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(kuò)容問(wèn)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(wèn)題、擴(kuò)大基站覆蓋區(qū)域、減少輻射功率.

　　智能天線(xiàn)以擴(kuò)容原理分可以分為兩類(lèi)：

　　1.軟容量的擴(kuò)容［1～3］.如CDMA系統(tǒng)，在這類(lèi)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(xiàn)可以提高系統(tǒng)的信噪比，對(duì)于給定的信噪比門(mén)限值，采用智能天線(xiàn)的系統(tǒng)可以容納更多的用戶(hù)，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(lèi)系統(tǒng)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(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(xiàn)以實(shí)現(xiàn)形式分類(lèi)，也可分為兩類(lèi)：

　　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(hào)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(guò)測(cè)向確定用戶(hù)信號(hào)的到達(dá)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(cè)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(jiàn)報(bào)道［9］.

　　將智能天線(xiàn)按擴(kuò)容原理、實(shí)現(xiàn)形式進(jìn)行聯(lián)合分類(lèi)可得表1.已有的工作已對(duì)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(xiàn)，對(duì)針狀波束軟擴(kuò)容智能天線(xiàn)進(jìn)行研究.

　　二、自適應(yīng)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(tǒng)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(tǒng)都是通過(guò)改變陣列天線(xiàn)中各陣元信號(hào)的加權(quán)然后將其疊加，來(lái)完成信號(hào)的空間處理的.對(duì)于一個(gè)有N個(gè)單元的智能天線(xiàn)系統(tǒng)，處理每一個(gè)用戶(hù)需要N個(gè)等效的加權(quán)器，若共有M個(gè)用戶(hù)，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(duì)一個(gè)用戶(hù)信號(hào)的處理.智能天線(xiàn)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(xiàn)波束控制原理框圖

　　自適應(yīng)智能天線(xiàn)系統(tǒng)，通過(guò)迭代來(lái)獲得一組加權(quán)矢量，從而使陣列輸出信號(hào)S(t)中所需信號(hào)對(duì)所有其它用戶(hù)信號(hào)的比最大，即信號(hào)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(duì)于高速運(yùn)動(dòng)的移動(dòng)用戶(hù)，系統(tǒng)的性能也將受到影響.

　　　(1)

　　當(dāng)加權(quán)信號(hào)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(hào)的加權(quán)值；φm(θ)是信號(hào)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(zhǎng)的8元圓形自適應(yīng)陣列在1用戶(hù)、10干擾用戶(hù)的一種隨機(jī)分布通信環(huán)境下對(duì)應(yīng)的方向圖.由圖2可見(jiàn)，系統(tǒng)在干擾方向形成凹點(diǎn)，并在所需信號(hào)方向形成峰值.通常自適應(yīng)算法在無(wú)干擾信號(hào)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(hào)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(xiàn)系統(tǒng)工作時(shí)，首先需要通過(guò)測(cè)向算法測(cè)定信號(hào)的到達(dá)角度(DOA)，然后通過(guò)選取合適的加權(quán)，將方向圖的主瓣指向用戶(hù)到達(dá)方向.這類(lèi)智能天線(xiàn)對(duì)于處于非主瓣區(qū)域的干擾，是通過(guò)低的等旁瓣電平來(lái)確保抑制的.對(duì)于處于主瓣區(qū)域內(nèi)的干擾，采用等旁瓣針狀智能天線(xiàn)系統(tǒng)將無(wú)法抑制.由于系統(tǒng)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(yīng)智能天線(xiàn)對(duì)于主瓣內(nèi)的干擾信號(hào)抑制能力也是很有限的.與自適應(yīng)智能天線(xiàn)相比，等旁瓣智能天線(xiàn)無(wú)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(xiàn)系統(tǒng)對(duì)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(xiàn))、-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(xiàn))的四種智能天線(xiàn)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(zhǎng)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(duì)于自適應(yīng)智能天線(xiàn)不考慮迭代過(guò)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(wú)話(huà)音激勵(lì).小區(qū)內(nèi)除用戶(hù)外無(wú)其它干擾，無(wú)鄰近小區(qū)干擾，無(wú)多徑干擾.系統(tǒng)的門(mén)限值Eb/N=6dB.根據(jù)上述假設(shè)一個(gè)采用全向天線(xiàn)的基站可支持的最大用戶(hù)數(shù)為32。

　　圖5給出了一個(gè)門(mén)限值為6dB的32用戶(hù)CDMA系統(tǒng)中，在基站引入四種不同智能天線(xiàn)后，系統(tǒng)Eb/N的累積概率分布.圖5中每條曲線(xiàn)都是10000 次隨機(jī)用戶(hù)分布的統(tǒng)計(jì)結(jié)果.由圖5可以看出，采用智能天線(xiàn)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(hù)數(shù)目的條件下，采用智能天線(xiàn)可以減少系統(tǒng)所需信號(hào)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(xiàn)系統(tǒng)，分別比采用全向天線(xiàn)的系統(tǒng)提高5.25dB、4.75dB、5.05dB、4.45dB。

圖5　32用戶(hù)時(shí)四種智能天線(xiàn)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(xiàn)擴(kuò)容的系統(tǒng)，在不同用戶(hù)數(shù)時(shí)系統(tǒng)Eb/N低于門(mén)限值 (6dB)的出界概率分布.圖6曲線(xiàn)中每一個(gè)點(diǎn)都是10000次隨機(jī)用戶(hù)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(xiàn)系統(tǒng)的擴(kuò)容能力分別為采用全向天線(xiàn)系統(tǒng)的6.81、 4.81、6.62、5.66倍。

圖6　四種智能天線(xiàn)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(xiàn)，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(xiàn)系統(tǒng)所能支持的用戶(hù)數(shù)曲線(xiàn).圖中虛線(xiàn)為自適應(yīng)智能天線(xiàn)所能支持的用戶(hù)數(shù)：218.由圖7可見(jiàn)，當(dāng)旁瓣電平為-20dB時(shí)，系統(tǒng)可以支持的用戶(hù)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(hù)數(shù)達(dá)到最大值：213，僅比采用自適應(yīng)智能天線(xiàn)的系統(tǒng)少5個(gè).當(dāng)旁瓣電平超過(guò)-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(hù)數(shù)為 153.

圖7　智能天線(xiàn)擴(kuò)容用戶(hù)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(xiàn)系統(tǒng)和采用自適應(yīng)智能天線(xiàn)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(hào)來(lái)向?yàn)?80度，其它200個(gè)干擾用戶(hù)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(lái)解釋?zhuān)?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(wú)法通過(guò)形成凹點(diǎn)來(lái)進(jìn)行干擾抑制，它只能通過(guò)形成較低的旁瓣電平來(lái)抑制干擾.這一結(jié)論很重要，這表明在利用智能天線(xiàn)擴(kuò)容時(shí)，可能無(wú)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(hù)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(xiàn)系統(tǒng)性能相差很多，這表明選取不同的等旁瓣方向圖，會(huì)顯著影響智能天線(xiàn)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(wú)需追求過(guò)窄的主瓣或過(guò)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(xiàn)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(xiàn)系統(tǒng).給出了這兩類(lèi)智能天線(xiàn)對(duì)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(xiàn)擴(kuò)容時(shí)，可能無(wú)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(huì)顯著影響智能天線(xiàn)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(xiàn)的性能接近最佳.