圖1　智能天線波束控制原理框圖

　　自適應(yīng)智能天線系統(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，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、10干擾用戶的一種隨機(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到達(dá)方向.這類智能天線對(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陣列口徑?jīng)Q定的，所以自適應(yīng)智能天線對(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)智能天線相比，等旁瓣智能天線無(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)、-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)的四種智能天線系統(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)話音激勵(lì).小區(qū)內(nèi)除用戶外無(wú)其它干擾，無(wú)鄰近小區(qū)干擾，無(wú)多徑干擾.系統(tǒng)的門限值Eb/N=6dB.根據(jù)上述假設(shè)一個(gè)采用全向天線的基站可支持的最大用戶數(shù)為32.
　　圖5給出了一個(gè)門限值為6dB的32用戶CDMA系統(tǒng)中，在基站引入四種不同智能天線后，系統(tǒng)Eb/N的累積概率分布.圖5中每條曲線都是10000次隨機(jī)用戶分布的統(tǒng)計(jì)結(jié)果.由圖5可以看出，采用智能天線以后，系統(tǒng)的Eb/N得到了顯著的提高.這表明，在不增加用戶數(shù)目的條件下，采用智能天線可以減少系統(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系統(tǒng)，分別比采用全向天線的系統(tǒng)提高5.25dB、4.75dB、5.05dB、4.45dB.

圖5　32用戶時(shí)四種智能天線系統(tǒng)的累積概率分布

　　圖6分別給出了利用四種智能天線擴(kuò)容的系統(tǒng)，在不同用戶數(shù)時(shí)系統(tǒng)Eb/N低于門限值(6dB)的出界概率分布.圖6曲線中每一個(gè)點(diǎn)都是10000次隨機(jī)用戶分布的統(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系統(tǒng)的擴(kuò)容能力分別為采用全向天線系統(tǒng)的6.81、4.81、6.62、5.66倍.

圖6　四種智能天線擴(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，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系統(tǒng)所能支持的用戶數(shù)曲線.圖中虛線為自適應(yīng)智能天線所能支持的用戶數(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)可以支持的用戶數(shù)達(dá)到最大值：213，僅比采用自適應(yīng)智能天線的系統(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)可以支持的用戶數(shù)為153.

　　圖7　智能天線擴(kuò)容用戶數(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系統(tǒng)和采用自適應(yīng)智能天線有著近似的擴(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，當(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系統(tǒng).給出了這兩類智能天線對(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，使智能天線的性能接近最佳.