摘 要： 提出了一種低復(fù)雜度的混合型智能天線，用來解決頻率選擇性衰落信道中的符號間干擾（ISI）的問題。仿真結(jié)果證實，該低復(fù)雜度的混合智能天線系統(tǒng)可以在具有ISI多路徑信道衰落下具有良好的性能，并且優(yōu)于利用定向天線以及多徑分集增益的智能天線系統(tǒng)。
關(guān)鍵詞： 混合型智能天線；碼間干擾；數(shù)字波束形成器
在無線通信系統(tǒng)中，智能天線可以用于改善覆蓋范圍、鏈路質(zhì)量、數(shù)據(jù)速率和系統(tǒng)能力，通過整合優(yōu)化算法的性能檢測期望信號（SOI）以及抑制干擾(如多徑信號)。通常，在頻率選擇性的多徑衰落信道中，多徑信號到達天線接收陣列的角度(AOA)和時間(TOA)不同。在多徑信道中，不同的TOA導(dǎo)致符號間干擾(ISI)，降低系統(tǒng)的性能。傳統(tǒng)的智能天線系統(tǒng)利用不同的AOAs來抑制ISI的影響[1]。通過靈活地使用智能天線的多個陣列單元，一個智能天線系統(tǒng)可以形成多個波束，每個波束對應(yīng)多徑信道中的不同方向的信號，極大地降低符號間干擾，但傳統(tǒng)的智能天線利用全方位數(shù)字波束形成抑制干擾，計算量較大。
為了解決計算復(fù)雜的問題，在平坦衰落信道中，天線陣列僅采用最大信干噪比的合并算法[2]，在頻率選擇性信道中，采用混合智能天線系統(tǒng)來抑制多徑傳播下的ISI干擾。其基本思想是考慮到信號沿多徑傳播以及天線單元的幾何陣列，將傳統(tǒng)的智能天線陣列分成兩組子陣列。第一組陣列中不含ISI，可以用相對較簡單的最大比合并(MRC)來進行處理。第二組陣列包含ISI間干擾，需要利用減少尺寸的最佳波束形成來抑制干擾。最后，將兩組輸出信號融合來檢測傳輸信號。仿真結(jié)果證實，該設(shè)計方案的混合智能天線系統(tǒng)可以在存在ISI的多路徑衰落信道下表現(xiàn)出良好的性能，相比利用定向天線以及多徑分集增益的傳統(tǒng)智能天線系統(tǒng)毫不遜色。
1 混合型智能天線模型
與傳統(tǒng)的采用全方位陣列單元的智能天線系統(tǒng)不同，混合型智能天線系統(tǒng)融合了模擬波束轉(zhuǎn)換和數(shù)字波束，形成二者共同的優(yōu)勢。
本文主要針對傳輸符號周期比信道延遲周期小很多的寬帶通信系統(tǒng)。其結(jié)果在傳播信道模型中，存在不同的AOA和TOA組成的頻率選擇性信道。如在具有8陣元的智能天線系統(tǒng)中，對于90°波束寬度的情況，所有陣元的波束在360°覆蓋范圍內(nèi)將會有部分重疊。如圖1所示，對于 TOA不同的兩路30°波束寬度的信號傳播模型，兩組天線陣列單元將同時接收多徑信號，其中陣元1和4接收的信號沒有ISI干擾，而陣元2和3將會接收包含ISI的信號。這種情形下，混合型智能天線系統(tǒng)會利用頻率選擇性分集增益并抑制ISI干擾。混合型智能天線由多個定向天線單元、高/中頻變頻器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器及兩個接收分支組成。其中第一分支是沒有ISI干擾的子陣列單元，另一分支則存在ISI干擾。
3 數(shù)據(jù)仿真
對混合型智能天線與8陣元的傳統(tǒng)智能天線在頻率選擇性衰落信道中進行仿真對比，在傳統(tǒng)的智能天線系統(tǒng)中，在所有的仿真條件下，通過延遲T1(0-ts之間)，產(chǎn)生l=2兩條獨立的瑞利衰落信道，αll路徑增益假設(shè)為復(fù)隨機變量與單位方差比值，傳輸信號經(jīng)過16 QAM調(diào)制生成[3]，輸出對應(yīng)的誤碼率與信噪比關(guān)系圖都是在進行50 000次蒙特-卡洛試驗基礎(chǔ)上得出的，為了對其性能進行充分的比較，在不同的AOA、TOA以及信號在不同的主波束帶寬條件下對混合型智能天線與傳統(tǒng)智能天線進行仿真。
以縱軸表示誤碼率，橫軸表示信噪比，對不同的波束帶寬的陣元在不同的AOA以及TOA信號下進行仿真，陣元模型如圖2所示，混合型智能天線系統(tǒng)分別在45°、90°、135°、180°波束寬度下對具有不同AOA和TOA的30°信號波束寬度進行仿真，具有相同AOA和TOA的信道模型將呈現(xiàn)平坦衰落[4]，如圖3所示，仿真結(jié)果表明當波束帶寬為180°時，混合型智能天線的性能與傳統(tǒng)智能天線基本相當。當智能天線的波束為135°時，由于更高的天線增益以及多路分集增益，混合型智能天線超越傳統(tǒng)智能天線系統(tǒng)。所以在頻率選擇性衰落信道中，低復(fù)雜度的混合型智能天線能夠有更加良好的抗干擾能力。
本文提出了一種新型的適用于頻率選擇性衰落信道下的混合型智能天線接收系統(tǒng)，與采用定向天線陣列來抑制干擾的傳統(tǒng)智能天線相比，混合型智能天線系統(tǒng)
所采用的數(shù)字波束形成技術(shù)具有更低的復(fù)雜度。而且，運用MRC可以結(jié)合沒有ISI的輸出信號。兩路接收信號分別進行處理以消除不同AOA以及TOA帶來的干擾，該方法具有更好的效果。仿真結(jié)果證實本文提出的混合智能天線方案接近傳統(tǒng)的智能天線系統(tǒng)的性能，而且在頻率選擇性多徑衰落信道條件下性能更佳。
參考文獻
[1] 金榮洪，耿軍平，范瑜.無線通信中的智能天線[M].北京：北京郵電大學(xué)出版社，2006：150-151.
[2] GROSS K，著.智能天線(MATLAB版)[M].何業(yè)軍，桂良啟，譯.北京：電子工業(yè)出版社，2009：215-218.
[3] CELIK N，ISKANDER M F，ZHANG Z.Experimental verification of the hybrid smart antenna algorithm with modulated waveforms[C].IEEE Antennas Wireless Propag.Lett.，2009(8)：236-239.
[4] ZHANG Z，ISKANDER M F，YUN M F，et al.Hybrid smart antenna system using directional elements—performance analysis in flat Rayleigh fading[J].IEEE Trans. Antennas Propag.，2003，51(10)：2926-2935.