一種抗干擾且低復雜度的混合型智能天線系統設計

王 剛，何明華

（福州大學 物理與信息工程學院，福建 福州350002）

在無線通信系統中，智能天線可以用于改善覆蓋范圍、鏈路質量、數據速率和系統能力，通過整合優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導致符號間干擾(ISI)，降低系統的性能。傳統的智能天線系統利用不同的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，一個智能天線系統可以形成多個波束，每個波束對應多徑信道中的不同方向的信號，極大地降低符號間干擾，但傳統的智能天線利用全方位數字波束形成抑制干擾，計算量較大。

為了解決計算復雜的問題，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。仿真結果證實，該設計方案的混合智能天線系統可以在存在ISI的多路徑衰落信道下表現出良好的性能，相比利用定向天線以及多徑分集增益的傳統智能天線系統毫不遜色。

1 混合型智能天線模型

與傳統的采用全方位陣列單元的智能天線系統不同，混合型智能天線系統融合了模擬波束轉換和數字波束，形成二者共同的優勢。

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。其結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、模數轉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。

2 混合型智能天線系統接收機的設計

混合型智能天線系統結構如圖2所示，首先傳輸信號通過L條瑞利衰落的多徑信道，第n個天線陣元接收的基帶信號可以表示為：

假設接收機是理想的，對第n個陣列單元接收的信號進行i次采樣，則：

其中：

以第i次采樣為例，天線陣元的接收信號可以用下列向量式來表示：

接下來，在第二支路存在ISI干擾的作用下，最優權向量可以用來合并重疊區域的接收信號：

其中n(i)是優化后的合并輸出噪聲，優化的權向量可以根據最大信干噪比準則推出：

最后，結合兩路輸出信號式(4)和式(6)，傳輸信號s(i)可以由下式得到：

3 數據仿真

對混合型智能天線與8陣元的傳統智能天線在頻率選擇性衰落信道中進行仿真對比，在傳統的智能天線系統中，在所有的仿真條件下，通過延遲 T1(0-ts之間)，產生l=2兩條獨立的瑞利衰落信道，αl路徑增益假設為復隨機變量與單位方差比值，傳輸信號經過16 QAM調制生成[3]，輸出對應的誤碼率與信噪比關系圖都是在進行50 000次蒙特-卡洛試驗基礎上得出的，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的信道模型將呈現平坦衰落[4]，如圖3所示，仿真結果表明當波束帶寬為180°時，混合型智能天線的性能與傳統智能天線基本相當。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智能天線系統。所以在頻率選擇性衰落信道中，低復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，與采用定向天線陣列來抑制干擾的傳統智能天線相比，混合型智能天線系統所采用的數字波束形成技術具有更低的復雜度。而且，運用MRC可以結合沒有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。仿真結果證實本文提出的混合智能天線方案接近傳統的智能天線系統的性能，而且在頻率選擇性多徑衰落信道條件下性能更佳。

[1]金榮洪，耿軍平，范瑜.無線通信中的智能天線[M].北京：北京郵電大學出版社，2006：150-151.

[2]GROSS K，著.智能天線(MATLAB版)[M].何業軍，桂良啟，譯.北京：電子工業出版社，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.