CN1235391A - 用于码分多址系统的预先优化成形波束的自适应阵列天线 - Google Patents

Abstract

一种自适应阵列天线,在自适应处理时,其复数权值的计算被分解为两个部分,即初始权设计和运行权处理。其中初始权设计在天线系统构成时完成,实现对自适应天线方向图的成形和优化;天线在运行时只需进行运行权相位的计算,将优化后的方向图主瓣旋转至有用信号来向,干扰落入低电平副瓣区,就能有效抑制干扰,保持良好的接触效果。由于上述的改进方法,天线在运行过程中只需要进行少量的计算工作,计算速度快,可以实时跟踪用户的移动,而且能对抗多个干扰。

Description

用于码分多址系统的预先优化成形波束的自适应阵列天线

本发明涉及一种可用于码分多址移动通信系统基站中的自适应阵列天线。

本发明是针对传统的和目前应用于码分多址系统的其他自适应天线存在的问题而设计的。在传统的自适应天线技术中，多采用最小均方误差、递推最小二乘法等算法，进行复数加权系数的分析计算。

图1是应用传统的最小均方误差算法的自适应天线方框图，其中线阵天线单元数以N=8为例。

图1中01,02,…08是天线阵单元，通常均采用半波天线。11,12,…18为乘法器，21,22为加法器。从天线阵列接收到的信号为s(t)，包括有用信号X(t)、干扰I(t)和噪声N(t)，即：

S(t)=X(t)+I(t)+N(t)

X^T(t)=[u,ue^jβdcosθ,…,ue^{jβ(N-1)dcosθ}]e^jωx=ue^jωxU^T(θ)其中U(θ)为有用信号的天线响应矢量。根据有用信号和干扰的来向，用自适应算法实时计算得到的加权系数为则加权后天线阵列的输出为： $Y\left(t\right)=W^{T}X\left(t\right)+W^T[N\left(t\right)+\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{I}_j\left(t\right)]$

其中m为干扰的个数。

阵列输出Y(t)以信号-干扰噪声比SINR性能量度表示。按最大信-干噪比准则，即SINR=SINR_max时，最优加权系数为 $W=W_{\mathrm{opt}}=\mathrm{\μ}\frac{U^{*}}{E\left[{\mathrm{II}}^T\right]+E\left[{\mathrm{NN}}^T\right]}$

上式中，μ为常数。在最优加权系数的作用下，自适应天线阵的方向图如图2所示。其特征为在有用信号来向31上形成一个主瓣，在干扰来向32上形成零陷，而输出信-干噪比达到最大，即SINR_out=[SINR_out]_max。

传统的自适应阵列天线的自适应处理流程如图3所示。天线投入运行以后，某用户与基站建立联系，自适应处理装置进行复数加权系数的迭代计算，形成一个零陷对准干扰，此用户信号的来向落入主瓣的方向图。当干扰移动，或此用户移动时，都需重新计算复数加权系数，产生新的方向图，使零陷对准干扰，主瓣对准此用户。

传统的自适应阵列天线是在运行中根据有用信号和(一个或多个)干扰来向进行复数加权系数的迭代计算。对蜂窝移动通信系统来说，当小区内的用户快速移动时，有用信号和干扰的幅度、相位和到达方向均以很快的速度变化，就对计算机和自适应算法提出很高以至于难以实现的要求，由此产生很多困难，具体为：

(1)自适应处理中关于矩阵求逆的运算量达1.5N³+5N²次复数乘法。当天线阵元数N较大时，对计算量和计算时间的要求，现行微机硬件实现方面存在困难。

(2)N个天线单元可能实现N-1个零陷，即可对消N-1个干扰，而移动通信系统小区内平均用户数比阵元数大得多，难以抑制所有干扰。

(3)移动用户运动，尤其是高速运动时，自适应处理的运算速度跟不上用户的移动速度。

中国发明专利申请公开说明书CN-1198045对传统的自适应阵列天线提出了一种改进方法。该专利在保持传统方法所需要的设备组成和运行步骤以外，增加了一套用来估计移动用户移动方向的第二控制信号所需的设备。该发明方案可能改善天线的性能，但它存在的缺点为：因循了传统方案中对复数加权系数的计算，不能减轻对计算机的计算速度的高要求；需要额外增加与第二控制信号有关的设备，如基站中增加移动方向估计器和辐射方向图旋转器，在移动台增加GPS接收机等设备。

本发明的目的是解决传统自适应阵列天线设计和应用中遇到的困难，提出一种在运行时计算量小、计算速度快、可以实时跟踪用户的快速移动并且可以对抗多个干扰的自适应阵列天线。

为达此目的，本发明推出一种自适应阵列天线：

它包括天线阵列和自适应处理装置。天线阵列可以是线阵或圆阵。

其中，自适应处理装置将传统自适应处理中对复数加权系数W_k的计算工作分解为两部分，称之为初始权设计和运行权处理，即W_k=A_k·B_k,(k=0…N-1),A_k为初始权，B_k为运行权。初始权设计在自适应天线系统运行之前预先完成，在初始权设计中进行波束成形和优化。初始权在天线进行自适应运行时不再改变。运行权处理使方向图主瓣在水平方向旋转，扫描。令B_k=e^jk，只需用一个实数来控制，是本自适应天线在运行时唯一需要进行实时处理的参数。通过计算实数相移量来使优化后的方向图在水平面内旋转，扫描。因为在初始权设计中进行了方向图的优化，所以只要使主瓣最大值对准用户方向，干扰来向落入副瓣区，就可以有效抑制干扰，达到最大信号接收，获得良好的接收效果。

在初始权设计中不仅实现波束成形而且实现波束优化，即通过选择天线阵列的单元类型、数量，以及初始权A_k的取值，得到一个优化的方向图，此方向图中，有一个(或两个)宽度可按需设计的窄主瓣；主瓣区以外均为低副瓣；副瓣区的接收电平较主瓣最大值低至少30dB。

本发明的自适应阵列天线的自适应处理流程如图4所示。在天线系统投入运行以前，先进行初始权设计，即选择天线阵列单元的类型、数量，以及初始权A_k的取值，得到一个窄主瓣、低副瓣的优化的方向图。在天线投入运行之后，若有某用户与基站建立联系，基站天线系统将方向图主瓣最大值对准此用户，当此用户不移动时，方向图保持不变；当此用户移动时，接收到的有用信号电平会下降，这时系统进行运行权处理，具体为：改变值，使方向图旋转，跟随此用户移动，使主瓣最大值仍指向此用户，保持良好的接收效果。

本发明针对传统自适应天线在码分多址系统中应用时存在的困难，提出了一种与传统方法截然不同的技术方案。将复数加权系数的大部分计算工作提前到初始设计中，天线在工作过程中只需要进行少量的实数计算和控制工作，从而解决了前述传统方法遇到的困难。具体优点体现在：

(1)将N个复数权系数的复杂运算分解为“初始权”和“运行权”两部分进行。初始权设计在天线系统运行之前预先完成，余下的部分作为“运行权处理”在运行中进行。由于前一部分占据了计算的大部分工作量，这样在天线运行过程中只需要进行少量的计算工作，从而大大降低了对计算机的要求。

(2)由于上述的改进方法，计算量减少，计算速度就相应提高，天线方向图的旋转完全可以跟上用户的移动并保持良好的接收效果，这样就解除了用户快速移动时对自适应处理计算速度的压力，普通微机即可满足要求。

(3)作为一种空间滤波器，传统自适应天线是通过自适应处理，将天线方向图的零陷方向对准干扰方向，方向图主瓣朝向有用信号方向，以达到最大信干噪比(SINR)接收。移动用户以随机方向、随机速度移动，就必然出现计算量和计算时间的难以满足和可对消干扰的数量有限。本发明通过方向图波束成形和优化，构成只有一个(或两个)宽度可按需设计的窄主瓣，且副瓣区电平比主瓣电平最大值低至少30dB。天线在实际运行时无需通过复数权系数的计算确定方向图的零陷方向，而只需要使主瓣旋转至有用信号方向，干扰来向落入副瓣区，而不必与零陷对准，就可以获得最大信号接收。因而它对干扰的数量及来向均没有限制，也就解除了对小区内用户数量的限制，克服了传统自适应阵列天线的不足。

(4)初始权设计预先进行自适应天线波束的成形和优化，通过选择天线单元的类型、数量以及初始权的取值，形成需要的方向图，这样，可以根据基站的规模和需求设计相应规模的天线阵，从而适应不同的系统。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明。

图1是应用传统的最小均方误差算法的自适应阵列天线方框图。

图2是传统自适应阵列天线的方向图。

图3是传统的自适应阵列天线的自适应处理流程。

图4是本发明的自适应阵列天线的自适应处理流程。

图5是本发明的方框图。

图6是根据本发明的实施例的蜂窝小区内的线阵天线空间布局图。

图7是根据本发明的实施例的用户移动时自适应阵列天线的方向图。

图8是根据本发明的组合式多用户预优自适应天线系统的方框图。

目前，蜂窝小区内多采用定向天线，将一个小区分为三个扇区。据此，本发明可做如图6所示的天线空间布局。天线阵列由三组线阵单元组成，即第一组101-108，第二组201～208和第三组301～308，每组天线扫描120度的空间范围。下面以第一组天线的工作状况为例来阐述本发明。

本发明的方框图如图5所示。天线辐射单元101,102,…,108用来接收电波信号。接收信号与初始权A_k在乘法器301,302,…,308相乘，实现波束的成形和优化，形成副瓣区电平比主瓣电平低至少30dB的方向图，然后再与运行权处理中产生的实数相移量B_k在乘法器501,502,…,508相乘，从而使方向图旋转，达到主瓣对准用户，干扰来向落入副瓣区，使有用信号获得高增益，干扰信号受到抑制。所有的信号最后在加法器701中叠加，得到输出信号Y(t)。控制信号是接收到的有用信号电平，用它来控制旋转方向图，使主瓣最大值对准用户信号，达到最大信号接收。 $Y\left(t\right)=\underset{k=1}{\overset{8}{\mathrm{\Σ}}}{y}_k\left(t\right)=\underset{k=1}{\overset{8}{\mathrm{\Σ}}}(A_k\·B_k)\·s_k\left(t\right)$

天线单元101,102,…,108可采用垂直极化的全向天线单元或定向天线单元两种形式。本实施例中采用定向天线单元。

在天线系统投入运行以前，进行初始权设计。应用天线综合理论，初始权A_k可以有多种不同选择，相应地获得不同的成形波束，如：

(1)初始权A_k全部取相同常数时，方向图具有最窄的主瓣，但副瓣电平较高。

(2)初始权A_k采用二项式(1+x)ⁿ的系数时，方向图具有最低的副瓣电平，但主瓣宽度较大。

(3)初始权A_k采用三角形或正、余弦等形状的幅度分布时，方向图具有适中的主瓣宽度和较低的副瓣电平。

应用上述方法，选择初始权值，形成较窄的主瓣，并且副瓣电平比主瓣最大值低至少30dB，得到优化的方向图。

在天线投入运行以后，方向图的旋转是由运行权处理完成的。令B_k=e^jk，则只需要计算一个常数。改变值，方向图主瓣最大值的指向也随之改变。参考图7，当有用信号从位置a移动到位置b时，接收到的有用信号电平降低，控制信号将这个信息反馈回来，进行运行权处理，改变实数相移量，使方向图左右旋转，同时判断有用信号的电平变化，使方向图向着接收到的有用信号电平增大的方向旋转，从而方向图主瓣的指向也跟随用户的移动，从a移到b。这样，使主瓣最大值始终指向有用信号，干扰落入低电平副瓣区，使有用信号获得高增益，干扰信号受到抑制。

传统的自适应阵列天线中单元间距为半波长时，N元线阵最多只有N-1个零陷，用户数量依赖于零陷数量而受到限制。本发明的初始权设计在波束成形的同时也实现了波束的优化，使主瓣较窄，副瓣区电平较主瓣最大值低至少30dB，所以天线在运行时只要其它用户构成的干扰落入副瓣区，就可以受到抑制，对干扰的数量和来向没有限制。图8是根据本发明的组合式多用户预优自适应天线系统的方框图。其中用户单元模块的数量M应根据小区内可能同时通话用户的数量设置，天线阵列的组数及每组内单元数量与图6中所用的相同。

Claims (2)

1．一种自适应阵列天线，包括天线阵列和自适应处理装置，其特征在于：其自适应处理装置将自适应处理中关于复数加权系数的计算工作分解为两部分，即初始权设计和运行权处理，其中初始权设计在天线系统构成时完成，在初始权设计中进行波束成形和优化，初始权在天线进行自适应运行时不再改变；运行权处理是通过改变实数相移量来使优化后的方向图在水平面内旋转，扫描，将主瓣最大值对准有用信号方向，干扰落入低电平副瓣区，使天线系统输出的有用信号最大，干扰受到抑制。

2．如权利要求1所述的自适应阵列天线，其特征在于在初始权设计中不仅实现波束成形而且实现波束优化，即通过选择天线阵列的单元类型和数量，以及初始权的取值，得到优化的方向图，在此方向图中，有一个(或两个)宽度可按需设计的窄主瓣；主瓣区以外均为低副瓣；副瓣区的接收电平较主瓣最大值低至少30dB。

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