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1、自适应阵列天线波束方向增益特性的研究孟维晓 张乃通(哈尔滨工业大学通信技术研究所 哈尔滨150001)摘 要 介绍了一种适用于时分双工蜂窝移动系统、 基于非线性判决反馈均衡器和递归 最小平方算法的环形自适应阵列天线。研究了阵列波束对期望信号的增强和对干扰信号 的抵消的形成过程,并分析了方向增益的收敛属性与训练序列的关系。计算机仿真结果表明了波束形成与接收信号到达角度之间的联系,发现了波束收敛所需训练序列的最佳 长度。 关键词 自适应阵列天线,波束形成,训练序列,时分双工,蜂窝移动通信0 引言自适应阵列天线(Adaptive Array Antenna ,简称AAA) ,即智能天线(Smart
2、Antenna) ,或又称为软件 天线(Software Antenna)1,指由一组相关的天线元 素在空间构成一定的几何形状,根据期望信号和干扰信号到达阵列的各个元素的角度和相位不同,通 过相应的自适应算法和高速数字信号处理技术,自 动形成对期望方向信号增益的加强和对干扰方向信 号增益的削弱甚至抵消的天线1 ,2。研究表明:M 个天线元素最多可以形成M- 1个零信号点或抵消点(NULL) ,随着天线元素数量的增加,阵列对接收 信干比的改善呈对数增加的趋势3,其抗干扰性能 明显优于全向天线和分集天线。 本文提出一种适用于时分多址/时分双工(TD2MA/ TDD)系统的8元素环形自适应阵列天线。
3、该阵列天线仅用于基站,移动台采用全向天线。对于 上行链路信号,阵列通过期望和干扰信号到达角度 (Direction of Arrival ,简称DOA)的不同和训练序列 的正交性为特征背景,判决反馈均衡器(DecisionFeedback Equalizer ,简称DFE)通过递归最小平方( Recursive LeastSquare ,简 称RLS)算法,逐码元(Symbol)对各 天线元素的加权因子进行优化逼 近,使阵列整体在期望信号到达 方向上形成增强,在干扰信号的到达方向上对同信道干扰(CCI)形成抵消的波束方向增益图样(Beam Pattern)。对于下行链路,本研究的无线传输考虑短
4、突发序列、 收 发紧密相连的时分双工结构,利用收发转换时间相 对信道的变化速度足够短的条件下,下行的信道参 数和特征可以通过上行接收来建立的特点4,在下 行信道参数未知情况下,使得阵列对其它移动台产 生最小干扰为前提,将信号传给期望的移动台。本文还研究了波束增益与DOA之间的关系和正交的 训练序列对波束生成的均衡和收敛规律。1 自适应天线阵列模型1. 1 阵列接收相位模型假定系统内均为全向小区,基站位于各个小区 的中央,所以选择环形的阵列结构。每个基站采用8个天线元素,等距离分布于一个圆周上,这样相邻 两个元素与基站中心的夹角为/ 4 ;空间距离为d=/ 2 ,为射频的波长。天线阵列信号接收相
5、位模型如图1所示,8个天线元素均匀分布在同一个圆 上。本文计算的基站接收信号,从宏观意义上看,实 际上是圆心O点的信号,而从微观上分析,各个天 线元素的空间结构决定了它们对信号接收相位各不 相同。移动通信电波的传播,当距离较远时,可以认为是平面波,这样,DOA和与其平行接近的DOA1 具有相同的相位,即圆心与DOA1的垂线,交DOA1 于A点,该点的接收相位与圆心O一致。而A点 到天线各元素间的距离很容易得到,这样,各个天线 元素的接收相位就可以分别计算出来。具体推导过程如下:54孟维晓等:自适应阵列天线波束方向增益特性的研究 男,1968年生,博士生,讲师;研究方向:智能天线,动态信息分配,
6、数字集群;联系人。 (收稿日期:2000201210 ;修订日期:2000206207)哈尔滨工业大学与日本NTT移动通信网株式会社间国际合作研究项目。转载http:/中国中国科技论文在线 科技论文在线 是天线阵列中任意元素i的相位角2Ni ,是任意一条多径信号的入射角,=-,是相邻天 线元素的夹角的一半为/ N , N为阵列中天线元素 的数量。由于任意相邻天线元素之间的距离为d= /2,可以得到圆环的半径:R =/4 sin=/4 sin(/ N)= 4sin(/ N)(1)圆心的等相位接收点A与天线元素之间的距 离L为:L = Rcos=cos2 Ni -4sin(/ N)(2)由于距离为
7、时,相位变化2;距离为l时,有 2=L ,可以得到:( i ,) =2l =cos2 Ni -2sin(/ N)(3)这里,相位变化是i和的函数。图1 天线阵列接收信号相位模型1. 2 相位等圆坐标变换 作者认为,基站接收信号的平均功率是指圆心 点O ,而由于平面电波特性,使得A点具有与O点 相同的幅度和相位;又由于天线元素与圆心点O的 距离相对整个传播距离可以忽略不计,所以,转换到 各个天线元素上的信号只有相位的变化,没有幅度 的变化。 为此,假设了坐标变化圆图,如图2所示,圆心 点O与等相位点A的坐标为(x , y) ,该点相位为 1,而任意天线元素的坐标为( x, y) ,相位为2, 而
8、两点的相位差:( i ,) =2-1=cos2 Ni -2sin(/ N)(4)由于是等圆坐标变换,坐标变化可以用如下矩 阵的乘积来表示,它代表该点接收QPSK信号的同 相信号和正交信号:xy=cos-sinsin cosxy(5)由于是i和的函数,转移矩阵定义为:T( i ,) =cos( i ,) -sin( i ,)sin( i ,) cos( i ,)(6)图2 坐标变化圆图2 递归均衡反馈算法2. 1 空间均衡原理空间自适应均衡技术原理如图3所示,根据TDMA/ TDD突发序列的帧结构,自适应均衡器可 以利用接收数据序列前,已知的训练序列的正交性, 逐码元修正加权因子,使得在数据序列
9、到达前基本 收敛,形成对同波道干扰的抵消核对期望信号的加强。为了方便计算,减小因运算量过大而导致的时 延,采用Hadamard正交方阵,它的任意两行或两列 都是互相正交的。 在接收有用数据时,靠过零判决误差信号的负 反馈继续调整加权因子的重量,达到最优化,最终形成接收信号的方向增益图样,该图样代表均衡器对 不同的到达入射角的期望的增益和干扰信号的抑制 的大小。这种递归算法适合于短时隙、 上下行结合 紧密的TDMA/ TDD帧结构的关键在于:在上下行 突发时隙转换速度远大于时变信道参数的变化速度时,该图样在瞬间可以转化为发射信号在相应方向 的阵列增益,这样就方便地找到了下行链路的空间 选择特征4
10、,而这种对下行链路空间滤波的预均衡 技术,是FDD体制难以做到的。64高技术通讯 2000. 09中国科技论文在线http:/图3 空间均衡原理示意图2. 2 递归最小平方算法任何一种信号均衡技术都基于一种算法,本研究针对DFE非线性均衡技术,选择了RLS算法。这种递归算法适合TDMA/ TDD的原因是:位于时分多址的突发序列前面的训练序列是正交的,具有良好的自相关特性。RLS算法依靠误差信号来调整抽头系统,使接收信号加权的平方误差达到最小5。递归动态算法如下:假设阵列天线的输出向量,即RLS算法的输入向量为U ( n) ,忘却系数为,相关矩阵的逆矩阵为P( n- 1) ,可以得到:X( n)
11、 =1 P( n -1) U ( n) (7)Kalmann序列为:K( n) =X( n) 1+ UH( n) X( n)(8)按码元进行修正的加权因子重量为:W( n) = W( n -1) + K( n)3( n)(9)重新修正的相关矩阵的逆矩阵为:P( n) =1 P( n -1) -K( n) XH( n)(10)由于加权因子重量可正可负,因此假设初始值为W ( n)=0,0T。相关矩阵的逆矩阵初始值为P(0)= 00,式中,为较大实数,本文选择=10000.0。 = 1 -,P0( n) = 00(11)误差信号( n)为: ( n) = y( n) -WH( n -1) U (
12、n)(12)变化的Kalmann序列为:K( n) = P0( n) U ( n) (13)按码元t进行修正的W是复向量,作用于各个天线元素,因此, W是i和t的函数,表示为W ( i ,t) ,而最佳加权因子重量仅是i的函数,表示为Wopt( i)。同样应用相位等圆坐标变换原理,得到阵列在任意角度上的增益为:G() =6Ni =1W3 opt( i)T( i ,) (14)当取值足够小时,生成连续的G()就代表自适应阵列天线的波束方向增益曲线,可以从中看 出其增强和抑制的程度。3 系统仿真及性能评估3. 1 仿真参数 对仿真所需的主要系统和传播参数进行设置, 蜂窝小区采用正六边形全向结构,半
13、径1. 5km ,QP2SK的调制方式。为了适应未来的个人移动通信,射 频确定为5GHz ,传输速率为12M/ s码元。接收信 号强度由根据奥村经验公式得来的路径衰耗,服从 对数正态分布的阴影衰落(= 6. 5dB)以及瑞利衰 落等组成。认为电波传播的有效多径为随机最大5条,DOA服从正态分布,通常由于期望移动台距离 基站较近,标准方差为60;而干扰移动台距离基站 较远,标准方差为30 。每条传播路径上有效反射 体为随机最大2个,而且每个反射体损耗的吸收损 耗为10dB。3. 2 波束方向增益特性分析 当基站采用8元素阵列,期望与干扰信号同步 接收,从以下三方面讨论自适应阵列天线波束方向 特性
14、,并根据已知期望信号的训练序列和它与其它 干扰信号的训练序列的正交性,通过仿真,得到波束 方向增益的收敛规律。(1)干扰数量远小于阵列元素数量若阵列接收到4路信号,其中1路期望信号和3路干扰信号,最佳波束生成如图4所示 。 在期望图4 3个干扰时的最佳波束形成74孟维晓等:自适应阵列天线波束方向增益特性的研究中国科技论文在线http:/信号方向上,阵列形成了3dB的处理增益,而在干 扰路径上却均形成了强于- 40dB的深衰耗负增益。 原本期望信号的接收强度要大于干扰信号,加上这 样大的增益差足以抵消干扰信号的能量。如图5所示波束方向增益随训练序列的变化规律。1路期望 信号方向上的增益在接收训练
15、序列的第二个码元以 后达到稳定收敛,3路干扰信号方向上的增益随训 练序列的连续接收或者持续降低,或者震荡下降,在 第27个码元以后达到稳定收敛,收敛后的期望增益 远大于干扰增益。图5 3个干扰时波束形成的收敛属性(2)干扰数量刚小于阵列元素数量若接收到9路信号,其中2路期望信号和7路 干扰信号,最佳波束生成如图6所示。 在期望信号图6 7个干扰时的最佳波束形成路径1上,阵列形成了1dB的处理增益。在期望信 号路径2上,由于DOA与多个干扰路径接近,阵列 无法对该路径形成理想增强。在6个干扰路径上形 成了强于- 40dB的衰落负增益,另外一个为- 10dB ,这也可以抵消掉大部分干扰信号的能量。 如图7所示波束方向增益随训练序列的变化规律。一路期望信号方向上的增益在训练序列的第18个码 元以后达到稳定收敛,另一路期望信号的增益先减小 后增加并在第27个码元以后达到稳定收敛;7路干 扰信号方向上的增益随训练序列的连续接收基本持 续震荡降低,个别出现先底后高现象,但在第27个码元后都达到稳定收敛。收敛后的一路期望增益远大 于干扰增益,另一路期望增益也大于多数干扰增益。图7 7个干扰时波束形成的收敛属性(3)干扰数量大于阵列元素数量若阵列接收到15路信号,其中3路期望信号和12路干扰信号,最佳波束生成如
