第四章基于软件无线电中的智能天线.ppt

第四章软件无线电的智能天线技术 自适应天线阵的概念软件无线电的智能天线 信息化的发展使得信号频谱密度越来越高 如何有效利用有限的频谱资源称为重要问题传统的方法 TDMA FDMA CDMA还有其他方法吗 空域分集 从空域提高频谱利用率的设想 诞生了智能天线 SmartAntenna 系统 特点 通过对多个天线阵元输出信号进行幅相加权获得所需要的天线方向图 实现空间分离 关键技术 阵元结构 信号定位 波束成形算法 1自适应天线阵的概念 单一天线的波束很宽 在复杂的无线电环境下 不能有效的接收信号 并且屏蔽其它的干扰和多径干扰 天线阵列 为了将方向图的波束压窄 并将波束集中到需要接收的信号方向 可以将若干个传感器组成一个传感器陈列 4 1 1阵元配置理论 1 二元阵 什么是二元阵 两个相同的无方向性阵列 相距为d 二元阵的信号输出x t 为接收信号 为阵元 和 间的接收信号延迟 v为传播速率 设x t 是一个中心频率为f 的窄带信号 则信号的波长为 时间延迟 所对应的信号相位偏移 二元阵的输出 天线阵方向图 在给定的频率下各方向的响应信号的相对灵敏度 上式变形得 方向增益归一化 当时增益取极大值 因 当时增益取极值 因 当 二元阵波束图 图N元阵 直线阵 对于一个含有N个相同阵元的直线阵 阵元之间的作用距离相同 则信号输出 为阵元之间接收的信号差 N阵元的阵因子函数为 阵因子最大的情况 有 同时有同时考虑到 综合考虑有 以L表示天线的长度 L N 1 d 则可以得到第一个零点的位置 结论当保持d不变 增大阵元个数N时 第一个零点接近于90 当增大阵元个数N时 在 到90 之间的零点个数增加 即旁瓣个数增多 归一化的增益 从式分析 由N个全向阵元组成的等距离直线阵 方向图的主瓣在90 即信号垂直入射的接收信号最大 主瓣方位调整研究 合成的阵输出 阵因子函数为 主瓣方位可通过下式求得 考虑 那么 调整阵响应加强信号接收 阵列天线较单一的全向天线优势 阵列天线可加强所需信号的接收 同时可以抑制不需要的干扰 阵列天线提供了一些可变因素去调整天线方向图的形关 问题 实际应用系统不现实 不可能去排 列好的阵元天线 阵元 相位及距离已固定 如何解决 调整阵响应 图具有复数加权的二元整 如图所示的二元整 阵元均为无方向性传感器 阵元间隔为 所需信号为垂直入射二元阵 干扰信号 设干扰和所需信号的具有相同的频率 并设在阵的中点干扰信号和所需信号的相位为零 所需信号 干扰信号 天线阵对有用信号S t 的接收 有用信号经复数加权后的合成输出为 为了使阵列输出的有用信号等于S t 必须使阵列 接收的干扰信号具有超前的相位 阵列 具有一个滞后的相位 因此入射的干扰信号产生的阵输出 则阵的输出可合成为 为了使阵输出的干扰信号为零 联立求解可以得到 仍然存在问题 如何解决 1 2自适应阵的优化处理 采用自适应阵的起因和组成在无线电的信号环境中 不可避免的存在不需要的各种噪声信号 而通信电台的日益增多 无线频带起来起拥挤 通信中的抗干扰问题越来越严重 自适应天线具有自动感知干扰源的存在 同时具有增加有用信号的能力 自适应天线由天线阵和自适应信号处理器组成 它能自动调整天线阵的方向图 自适应天线的组成 传感器阵 方向图形成网络和自适应处理器 最优化处理优化处理处理算法准则 基于均方误差度量最小准则 MSE 基于信噪比度量的最大信噪比准则 SNR 基于最大似然最大准则 LH 基于噪声方差度量的最小噪声准则 NV 最终通过对每一个阵元上的复加权进行调整 得到一组最佳权矢量 图已知信号的基本自适应阵结构 参考信号与输出信号之差得到一个误差信号e t 其中那误差的平方 取期望值 其中求解上式 4 1 3自适应算法 梯度法是调整自适应权系数的通用算法 当选定的性能度量是权矢量的二次函数时 性能曲线可看成一个碗面 这样自适应处理器的是不断向最低点靠近 特性曲面上任一点的梯度值 利用迭代的关系得到权矢量向最优矢量逼近 如果知道相关的统计量特性 就可以用计算梯度的方法得到取优的权矢量 基于LMS处算法用估计的精度去代替精确的梯度 从而进行权矢量的迭代 其中 表示对梯度的估计值 对梯度的估计值从对均方误差的梯度改变为对误差平方单个时间取样的梯度 即 权矢量的迭代公式为 采用LMS算法逼近最优权矢量 大大简化了计算的复杂度 和的是相关和相关计算 而且随着时间的变化 而且随时间变化 需要反复计算 难以在线调节 智能天线实际上就是一种多波束天线 而多波束的形成可以采用模拟方法实现也可以采用数字方法实现 随着微电子技术和高速数字信号处理技术的迅速发展 多波束形成的数字方法实现已成为主流 软件无线电概念的出现 把软件无线电与智能天线有机地结合在一起 大大地促进智能天线特别是通信中的智能天线的实用化 4 2软件无线电中的智能天线 智能天线可以有效解决频谱资源不足的问题 频谱资源是移动通信中最宝贵的资源之一 个人移动用户数量的急剧增加 导致通信容量不足 通信质量下降和频谱资源紧张等问题 若从多址的角度出发 传统的方法有频 时域两个方面 出现了FDMA和TDMA两种体制 为了进一步提高频谱利用率 又提出了码域的CDMA体制 它可以成倍的提高系统容量 但依然存在一定问题 为了进一步提高用户服务容量 90年代初提出了从空域来提高频谱利用率的设想 它使位于不同空域的用户分配同一时隙信道 码址 利用电波信号的空间间隔来消除用户间的干扰 智能天线就是基于这种设计思想的新式天线 它依托于软件无线电技术 从自适应天线阵列发展而来 智能天线下耳究的意义 提高系流容量在蜂窝系统中 用户的干扰主要来自于其他用户 而智能天线将波束零点对准其他用户 从而减少了对系统的影响 由于系统提高了接收信号信噪比 因此减少了频谱资源的复用距离 从而获得了更大的系统容量 增大覆盖范围智能天线相对于全方位或扇行天线更具有方向性 在同样的发射功率下 信号达到的距离比上述2种天线远的多 进一步扩大了基站的通信距离 减少多径干扰智能天线在接收信号时可利用多个天线单元的接收信息和分集技术 可以将多径衰落和其他多径效应最小化 下行时定向发射信号 大大减轻了多径反射 降低系统成本智能天线利用多种技术优化了信号的接收 从而能够显著降低放大器成本和功率损耗 提高系统的可靠性 实现系统的低成本 提供新的业务在智能天线操作的过程中 必须要对移动用户的空间信息进行估计 这种空间信息提供用户的实际位置 为此可提供基于位置信息的服务 扩大系统的业务范围 更好的安全性使用智能天线后 用户的通话将更加安全 因为窃取者需要进入到用户对应的波束范围或者和用户处于相同的通信 同道复用为了提高频率的利用率 第隔一定距离后 重复使用相同的信道 同道复用的距离越近 同道干扰越大 因此在移动通信中 提高频率利用率 设定信道利用距离 取决于系统对同道干扰的抑制能力 载波干扰比特定条件下 在接收机输入端 有用信号载波功率与干扰信号功率之比 4 2 1使用自适应波束形成技术实现空间利用 智能天线的每一个波束可以动态地跟踪用户 另外智能天线对于干扰和多径信号提供可变的增益 通过在这些方向设置零点 可以抑制干扰和强的多径信号 波束形成算法在中频和基带完成 因此非常适合软件无线电实现 利用空间和时间分集减小同道干扰和符号间干扰 考虑一个带有自适应阵的天线阵 天线阵有M个阵元组成 天线阵的自适应阵波束形成能力可以在所需方向上保持一个固定的增益 同时调节零点去抑制同道干扰 考虑一组J个同信道发射机的情况 令sj k j 1 2 J 表示第j个发射机的信号 假设J个信号中的每个信号到达基站接收机有最多N 个多径信号 考虑时延 n 以及不同的衰减 n 因此基站接收可表示为 其中 n k 表示接收到的随机信号噪声 表示第j个用户的第n个多径信号的到达到方向 是第j个信号的第n条路径的衰减数 是多径信号到达方向的阵列响应 空间分集接收 在空间分集接收系统中 每一个阵元接收的信号通过加权求和后形成输出信号 见图 输出信号可表示为 其中 表示权矢量 上标H表示矢量的共轭转置 是接收信号通过下变频后的采样 可以采用不同的自适应算法调节矢量 使得波束形成器将主波束调整到J个信号中的某一个需要的信号方向上 同时将方向图零点放置在所有J 个同信道干扰以及强多径信号的方向上 几种常用的自适应调节算法 最小方差无失真算法这个算法要保持有用信号无失真响应 同时对其它信号最小化 平均信号的平均输出功率由下式计算 平均输出功率包括 有用功率和干扰信号功率 上式可进一步变形 此算法的目的是保留不变的情况下 最大限度减小 对于干扰功率的最小化得 到一个最优的权矢量 以这个最矢量对信号接收 可以将需要接收 i个信号 最大化 同时抑制多径 同道和噪声干扰 最小均方差误差 MMSE 如果有用信号的特性以及入射方向未知 我们可以使用一个训练序列d对阵列进行训练 这个训练要求与需要接收的有用信号相同 调整波束形成器的权矢量 使得波束形成器输出与训练序列之差的均方值最小 得到最佳权矢量 空间 时间分集接收 窄带信号可以用一组复数权矢量加权进行波束调整 而宽带信号则不能用简单的权矢量加权 需要一级宽频带的权矢量 MMSE的空间 时间分集宽带信号的接收信号可以表示为 其中 权矢量 其中 权矢量表示在阵元m上接收的信号经过不同的时延后的信号矢量 MMSE算法同样是对训练信号与波束形成器的输出之差的均方值最小 得到一个最优的权矢量 在CDMA系统中的空间 时间分集接收 在码分多址系统中 所有的用户共享一个物理信道 使每个用户有不同的伪噪声 比如J个用户使用一个物理信道 每个用户发射的信号又经过多次反射后进入接收机 即每个用户有N个多径信号被接收 接收天线共有M个天线阵元连接M个可变权矢量 即每一个阵元接收到的信号是所有J个用户信号及每一个用户的N个多径信号被接收到的组合 权矢量之前的CF是一个码字滤波器 它对每一个用户所独有的伪噪声序列进行匹配 因此伪噪声序列是相互正交的 4 2 2使用智能天线的软件无线电体系结构 这样一个软件无线电结构可以动态的升级而不改变结构和硬件 可在信道的基带处理部分加入合适的编码方法提高比特差错率 信道的个数就是物理信道的个数不能自动跟踪用户和自动抑制干扰的技术 图使用智能天线的软件无线电基站功能框图 天线由M个全向天线阵元组成的天线阵 每一个天线阵有它自已的下变频和宽带AD采样 每一个接收的信号经过信道的分离 分别得到L个信道的信号 每一个信道的信号都有M个阵元 每一个信道使用一个波束形成模块 这种方法说明 使用智能天线 可以提高信号的质量 有效抑制干扰 图使用智能天线的软件无线电基站功能框图 形成KL个信道 两图比较 将简单的波束形成算法改为波束形成与信道分配算法 它充分利用智能天线可以任意调节矢量 任意放置主瓣方向和零点位置的特点 可以在同一信道中 调节方向图主瓣对准K个方向 可以在同一信道中同时接收K个用户的信号 信道11 至 信道1K 代表在信道1中扩充的K个信道 这K个信道由信道分配算法形成不同的主瓣来构成 如果在信道1中同时有K个用户在通话 而每个用户在基站的不同方向 在同一个信道上同时产生K个信道 即一个具有L个物理信道的系统可以为最多KL个用户服务 显示在K 4的情况下 以一个蜂窝基站为例 4个用户在使用同一个信道 分别对准不同的方向 因此基站可以利用智能天线分别将主波束对准每一个用户 对每一个用户而言 相当于独占一个信道 相对系统来讲 系统容量增加了四倍 由于宽带采样之后的处理是由软件完成的 因此这样一个具有智能天线的软件无线电是可以升级的 4 2 3智能天线的应用 用智能天线提高网络的通信流量在移动通信中组网中遇到的一对矛盾就是通信流量和呼损率 为了使系统提供最大的用户容量 提高系统通信流量 在有限的物理信道数量下 用户容量越大 通信流量越大 但用户发起呼叫受到拒绝的概率就越大 利用智能天线分集接收的能力 在有限的物理信道个数的基础上 可以成倍地扩充信道个数 也就成倍地提高了系统的用户容量 同时可以保证通信质量不受影响 前面已经介绍了在基站采用智能天线将系统容量扩大K倍的原理图 下面详细介绍KL个信道如何进行分配 首行信道分配有二种 一种是在用户发起呼叫时 另一种是当正在通话的移动用户从相邻小区进入本小区的覆盖范围时 这两种情况都需要基站为用户分配信道 信道分配流程 首先判断是本小区用户发起的呼叫还是越区切换 因为对于这两种情况首先要保证能够有足够的信道为越区切换服务 不使通话中断 如果是发起呼叫 检查现有的空闲信道是否小于给定的门限个数 如果是的话 阻塞这个发起呼叫 如果有较多的空闲信道 直接进入信道分配程序 在信道分配程序中 首先对信道组 I1 I2 IL 进行搜索 其中1 L表示L个物理信道 Ii的取值为1 K个信道 它表示第i个物理中由智能天线的1 K个信道 由第一个物理信道开始搜索 如果搜索完所有的物理信道 没有空闲信道 则阻塞该呼叫 如果有空闲信道 则分配信道和运行波束形成算法 检测信道的质量 如果通话质量太差 即误差大于固定的误差值 则放弃这一信道 重新进入信道分配流程 如果系统中没有多径信号 对于L信道和每信道个K波束形成 系统最多可容纳KL个用户 另一方面 如果存在多径信号 并且每个用户有 个有效路径 天线必须对这些多径方向置零 信道的有效个数降为KL 采用智能天线可以动态地跟踪用户 同于智能天线自适应的调节主瓣对准用户 因此用户在移动时 方向图的主瓣始终跟踪用户 系统可以自动检测通信质量 即计算误差值即计算误差值 当计算误差值大于门限时 通话质