一種改進(jìn)的智能天線盲波束形成算法

摘要：將空分多址技術(shù)引入無線通信系統(tǒng)中，針對無線電信號普遍具有的循環(huán)平穩(wěn)特性，提出了非線性條件下的改進(jìn)盲波束形成算法。通過對算法的權(quán)向量進(jìn)行再次優(yōu)化，改善了方向圖零陷的位置和深度，提高了輸出SINR。優(yōu)化算法的輸出SINR對導(dǎo)引向量隨機(jī)誤差具有穩(wěn)健性，對期望信號的功率變化表現(xiàn)出不敏感的特性， 算法具有很好的理論價值以及應(yīng)用前景。理論分析與計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)都證明了算法的有效性。

關(guān)鍵詞： 循環(huán)平穩(wěn)信號； 盲波束形成； 智能天線

中圖分類號：TN911.23； TP301文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1001-3695(2008)05-1355-02

為了提高無線通信網(wǎng)絡(luò)的信道容量，先后采用了時間復(fù)用技術(shù)、頻率復(fù)用技術(shù)。采用智能天線技術(shù)，不僅通過空分多址(spatial division multiple access，SDMA)提高系統(tǒng)容量，而且能夠降低多徑傳輸帶來的影響，逐漸受到人們的關(guān)注[1~3]。

無線電信號往往是循環(huán)平穩(wěn)信號，即它的統(tǒng)計(jì)特性隨時間的變化不是任意的，而是呈現(xiàn)出一定的周期性。這類信號的周期平穩(wěn)性蘊(yùn)涵著接收數(shù)據(jù)的相關(guān)性。這個特點(diǎn)是周期平穩(wěn)信號所特有的。所以，周期平穩(wěn)信號都具有譜自相干性，它的一階(均值)、二階(相關(guān)函數(shù))和高階統(tǒng)計(jì)量都隨時間變化且呈現(xiàn)一定的周期性。根據(jù)這個性質(zhì)可以構(gòu)造出盲波束形成器[4~6]。

由于期望信號導(dǎo)引向量誤差的存在，會導(dǎo)致所求的噪聲子空間存在誤差，結(jié)果體現(xiàn)為魯棒周期自適應(yīng)波束形成算法的方向圖零陷不深或無法對準(zhǔn)干擾信號方向[7]。本文結(jié)合非線性約束條件對現(xiàn)有算法的權(quán)向量進(jìn)行了進(jìn)一步優(yōu)化。優(yōu)化算法對于導(dǎo)引向量隨機(jī)誤差具有一定的穩(wěn)健性， 且對期望信號的功率變化表現(xiàn)出不敏感的特性，改善了智能天線的輸出SINR。

由表1、2可以看出，優(yōu)化算法在干擾信號距離期望信號較近時，優(yōu)化算法能提供比R－CAB算法更高的輸出SINR。顯然，提高干擾信號距離期望信號較近時陣列的輸出SINR也應(yīng)該是所有自適應(yīng)波束形成算法需要解決的主要問題。 當(dāng)取其他信源方位組合及信源信噪比時，優(yōu)化算法同樣可以不同程度地改善R－CAB算法的輸出SINR，但改善效果不如干擾信號靠近期望信號時那樣明顯。

圖1給出了表1條件下當(dāng)期望信號的信噪比從-15變化到20 dB時，兩種算法的輸出SINR對比。可以看出，當(dāng)期望信號信噪比增大時，R－CAB算法由于期望信號導(dǎo)引向量存在誤差，導(dǎo)致了它們均存在誤差。R－CAB算法的零陷位置可能無法對準(zhǔn)干擾信號，造成了輸出SINR的惡化。

圖2給出了表1條件下，當(dāng)期望信號的信噪比從-15變化到20 dB時，優(yōu)化算法中參數(shù)λ隨信噪比變化的關(guān)系。常數(shù)ε是由非線性約束條件引入的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，它只能由人為設(shè)定。從以上仿真可以看出，通過非線性約束繼續(xù)對R－CAB算法的權(quán)向量進(jìn)行優(yōu)化可以調(diào)整零陷的位置及深度，從而更好地抑制干擾。參數(shù)λ的計(jì)算會相應(yīng)增加一定運(yùn)算量，但由于該計(jì)算屬于一元函數(shù)求根問題，運(yùn)用牛頓迭代法可以快速解出。此外，由于參數(shù)在算法中的作用相當(dāng)于對角加載，權(quán)向量對的小幅變化是不敏感的。

4結(jié)束語

在非線性約束條件下，對R－CAB算法的權(quán)向量進(jìn)行二次優(yōu)化，得出了自適應(yīng)方向圖權(quán)向量的優(yōu)化解w0，R－CAB算法方向圖零陷的位置和深度得到了優(yōu)化。優(yōu)化算法對于導(dǎo)引向量隨機(jī)誤差具有一定的穩(wěn)健性， 且對期望信號的功率變化表現(xiàn)出不敏感的特性，改善了陣列天線的輸出SINR。

參考文獻(xiàn)：

[1]MIYAMOTO R Y， KEVIN M K H. LEONG S S J， et al. Digital wireless sensor server using an adaptive smart－antenna－retrodirective array[J]. IEEE Trans on Vehicular Technology，2003，52(5):1181－1188.

[2]程偉，左繼章，許悅雷.基于軟件無線電技術(shù)的智能天線在CDMA系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2004，21(3):205-207.

[3]劉雨，望育梅，張惠民. 一種提高無線傳感器網(wǎng)絡(luò)容量的方案[J]. 計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2006，23 (1):221-223.

[4]龔耀寰.自適應(yīng)濾波：時域自適應(yīng)濾波和智能天線[M].2版.北京:電子工業(yè)出版社，2004.

[5]MANOLAKIS D G， INGLE V K. 統(tǒng)計(jì)與自適應(yīng)信號處理[M].北京:清華大學(xué)出版社，2003.

[6]HAYKIN S.自適應(yīng)濾波器原理[M].鄭寶玉，譯.4版.北京:電子工業(yè)出版社，2003.

[7]VOROBYOV S A， GERSHMAN A B， LUO Z Q. Robust adaptive beamforming using worst case performance[J]. IEEE Trans on Signal Processing， 2003，51(2):313-323.

[8]王永良， 陳輝，彭應(yīng)寧，等.空間譜估計(jì)理論與算法[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社， 2005.

[9]何振亞. 自適應(yīng)信號處理[M]. 北京: 科學(xué)出版社， 2002.

[10]STOICA P， MOSES R L. Introduce to spectral analysis[M]. Englehood Cliffs， NJ: Pretice－Hall， 1997.

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