基于波束形成技術(shù)的集中器設(shè)計(jì)

摘要：針對(duì)無(wú)線遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的集中器在居民小區(qū)匯聚采集器上傳數(shù)據(jù)時(shí)面對(duì)擁擠復(fù)雜的現(xiàn)實(shí)環(huán)境頻譜發(fā)生信號(hào)微弱、中斷甚至丟失的問(wèn)題，文章分析了信號(hào)中斷及丟失的原因，并基于自適應(yīng)波束形成技術(shù)提出了一種基于波束形成技術(shù)的集中器設(shè)計(jì)方法，通過(guò)利用波束形成技術(shù)來(lái)提高集中器的通信質(zhì)量及覆蓋范圍，保證復(fù)雜環(huán)境下集中器的正常通信。

關(guān)鍵詞：智能電網(wǎng)；無(wú)線遠(yuǎn)抄；集中器；自適應(yīng)波束形成；抄表系統(tǒng) 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TN974 文章編號(hào)：1009-2374（2016）34-0008-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.34.004

隨著無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)前絕大多數(shù)居民小區(qū)內(nèi)都被基站信號(hào)、Wi-Fi、廣播信號(hào)以及工業(yè)科學(xué)醫(yī)用ISM頻段所覆蓋，受現(xiàn)實(shí)環(huán)境頻譜資源擁擠復(fù)雜情況的影響，當(dāng)前的無(wú)線遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)面臨著工作范圍重疊的城區(qū)內(nèi)基站干擾、高樓林立的建筑物阻擋、工作范圍距離有限等許多問(wèn)題。這些問(wèn)題已經(jīng)影響到了無(wú)線遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，甚至使得人工抄表方式不得不再次出現(xiàn)，浪費(fèi)大量資源。現(xiàn)存解決方法主要是增加中繼器，通過(guò)中繼采集器的信號(hào)來(lái)增大集中器工作范圍，加強(qiáng)信號(hào)傳輸功率。該方法的缺點(diǎn)是，需要在小區(qū)內(nèi)尋找合適的地點(diǎn)安裝中繼器，某些小區(qū)難以找到合適的地點(diǎn)，同時(shí)在城郊及偏遠(yuǎn)農(nóng)村很難架設(shè)中繼器。如何高效地降低集中器所受干擾，并保證其工作覆蓋范圍，已經(jīng)成為一個(gè)亟需解決的問(wèn)題。

1 基于波束形成技術(shù)的集中器設(shè)計(jì)

1.1 自適應(yīng)波束形成技術(shù)

近些年伴隨著移動(dòng)通信技術(shù)的突飛猛進(jìn)以及電波傳播、天線技術(shù)等方面研究的深入，自適應(yīng)天線技術(shù)逐漸成為移動(dòng)通信領(lǐng)域的研究焦點(diǎn)，具有能夠高效解決頻率資源緊缺、降低通信干擾、提高系統(tǒng)容量與通信質(zhì)量的優(yōu)勢(shì)。相比較傳統(tǒng)的時(shí)分復(fù)用（TDMA）、頻分復(fù)用（FDMA）或碼分復(fù)用（CDMA）技術(shù)，自適應(yīng)天線采用空間維度的空分多址（SDMA）技術(shù)，當(dāng)信號(hào)的時(shí)隙、頻率及編碼方式都相同時(shí)，空分多址技術(shù)可以使信號(hào)以不同的路徑傳播來(lái)避免干擾，因此自適應(yīng)天線技術(shù)越來(lái)越多地被應(yīng)用于復(fù)雜頻譜環(huán)境下的無(wú)線通信中。

自適應(yīng)波束形成天線系統(tǒng)由天線陣列及饋電網(wǎng)絡(luò)、射頻收發(fā)信機(jī)以及先進(jìn)的數(shù)字波束形成及控制算法構(gòu)成。其基本原理可以概括為：通過(guò)調(diào)節(jié)天線陣列各個(gè)陣元上信號(hào)的幅度及相位的加權(quán)值，來(lái)控制調(diào)整天線陣列的方向圖，實(shí)現(xiàn)對(duì)干擾信號(hào)的抑制及目標(biāo)信號(hào)的加強(qiáng)，從而提高目標(biāo)信號(hào)的信干噪比，同時(shí)可以節(jié)省天線發(fā)射功率，延長(zhǎng)電池使用壽命。

傳統(tǒng)的波束形成算法需要進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)處理算法來(lái)提取信號(hào)源的位置信息，而在一個(gè)居民區(qū)中集中器與采集器的相對(duì)位置固定，只需在初次進(jìn)行計(jì)算或手工錄入即可獲得位置信息，能夠大大減小算法復(fù)雜度，降低硬件成本，因此更適合將其應(yīng)用在無(wú)線遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)中。

1.2 集中器抄表鏈路的波束形成設(shè)計(jì)

針對(duì)集中器到采集器間的抄表鏈路，在集中器的接收端，通過(guò)空間選擇性分集可大大提高自適應(yīng)天線的接收靈敏度，降低安裝在不同位置利用相同信道傳信的采集器的干擾，從而有效合并多徑分量，抵消多徑衰落，提高上行容量；同時(shí)調(diào)整天線陣列的權(quán)值將波束的零陷對(duì)準(zhǔn)干擾信號(hào)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)信號(hào)的高效接收。

數(shù)據(jù)模型為：集中器抄表模塊的天線為由個(gè)各項(xiàng)同性的陣元組成的均勻線陣，陣元間距為。假設(shè)集中器工作范圍之內(nèi)有（）個(gè)采集器，各自發(fā)射的信號(hào)分別以的波達(dá)方向入射到天線陣列，集中器同一時(shí)刻收集一個(gè)采集器的信號(hào)，則該采集器的信號(hào)為期望信號(hào)，其余波達(dá)方向?yàn)榈牟杉骷盎緸閭€(gè)干擾源。

以第一個(gè)陣元為參考點(diǎn)，則天線陣列的接收信號(hào)模型為：

（1）

式中：，表示第個(gè)陣元在時(shí)刻的接收數(shù)據(jù)，表示矩陣或向量的轉(zhuǎn)置；、、分別是統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的期望信號(hào)向量、干擾信號(hào)向量與天線陣列上的高斯白噪聲向量；期望信號(hào)向量，其中是天線陣列對(duì)來(lái)自方向信號(hào)的響應(yīng)向量，為期望信號(hào)的復(fù)包絡(luò)；為干擾信號(hào)向量；噪聲向量，表示第個(gè)陣元在時(shí)刻的噪聲數(shù)據(jù)，其中。

天線陣列輸出到集中器核心處理單元的波束為：

（2）

式中：是陣列輸出的加權(quán)向量；表示復(fù)向量或復(fù)向量的共軛轉(zhuǎn)置。

波束采用最小方差無(wú)畸變響應(yīng)波束形成器（MVDR），使得噪聲以及來(lái)自非方向的干擾功率最小，同時(shí)保證期望方向的信號(hào)功率不變，可以表達(dá)成如下數(shù)學(xué)優(yōu)化問(wèn)題：

（3）

式中：為天線陣列接收信號(hào)協(xié)方差矩陣；表示數(shù)學(xué)期望。

前期研究中給出了式（3）的最優(yōu)權(quán)向量為：

式中：表示矩陣的逆。

式（3）的松弛半定規(guī)劃形式為：

（4）

考慮到小區(qū)內(nèi)電磁環(huán)境復(fù)雜多變，干擾及噪聲信號(hào)存在抖動(dòng)情況，給出了干擾源抖動(dòng)情況的約束條件，假設(shè)第個(gè)干擾源的干擾抖動(dòng)角度范圍為。令近似表示干擾區(qū)域，采用以下約束條件：

可以將式（4）改寫為：

（5）

優(yōu)化問(wèn)題可以通過(guò)CVX軟件進(jìn)行求解。

1.3 集中器發(fā)射天線的波束形成設(shè)計(jì)

在集中器的發(fā)送端，對(duì)應(yīng)集中器到基站的上行鏈路，自適應(yīng)天線根據(jù)已知的采集器以及基站的位置信息，調(diào)整天線陣列的權(quán)值從而有效地生成波束賦形，將波束的主瓣對(duì)基站，將波束零陷以及副瓣對(duì)準(zhǔn)小區(qū)內(nèi)的移動(dòng)終端，這樣不僅保證了上行鏈路的通信容量，同時(shí)也減少了對(duì)其他GPRS用戶的共道干擾。

2 仿真實(shí)驗(yàn)

由于集中器到采集器間的抄表鏈路工作頻率為414.57～445.904MHz，在以下仿真實(shí)驗(yàn)中，接收天線陣列均假設(shè)為等距線性陣列，天線陣列由10根0.4m長(zhǎng)的等向同性的天線單元構(gòu)成，陣元間距為半波長(zhǎng)0.35m。

首先考慮集中器到采集器間的抄表鏈路精確已知的情況，假設(shè)集中器工作范圍內(nèi)共有A、B、C、D四個(gè)采集器及一個(gè)基站，且某一時(shí)刻集中器正在匯聚采集器A的信號(hào)，則采集器A的信號(hào)為期望信號(hào)，入射方向角為；采集器B、C、D以及基站信號(hào)為干擾信號(hào)，入射方向角為。期望信號(hào)以及干擾信號(hào)的信噪比為5、10、10、10和15dB，快拍數(shù)為512次。圖1給出了精確已知信道響應(yīng)條件下的波束模式：

然后考慮集中器到采集器間的抄表鏈路存在干擾抖動(dòng)的情況，假設(shè)期望信號(hào)的入射方向角為，干擾源基站信號(hào)的入射方向角為，信噪比分別為5和10dB，快拍數(shù)為512。假設(shè)干擾源的抖動(dòng)范圍為，零陷水平因子。圖2給出了干擾抖動(dòng)下的波束模式，從仿真圖中可以看出，在整個(gè)干擾源角度抖動(dòng)范圍內(nèi)，都形成了低于

-30dB的深零陷，從而有效地抑制了對(duì)基站信號(hào)的干擾。

在集中器收發(fā)端采取自適應(yīng)天線的優(yōu)點(diǎn)可以歸納為：（1）在不增加天線發(fā)射功率的前提下，自適應(yīng)天線可以通過(guò)提高集中器接收天線的信干噪比而增加集中器的覆蓋范圍；（2）自適應(yīng)天線通過(guò)調(diào)整接收天線的權(quán)值方向圖來(lái)填補(bǔ)空白，提高穿透障礙物的能力；（3）居民小區(qū)內(nèi)的通信環(huán)境復(fù)雜，接收端接收到的電波往往經(jīng)過(guò)反射、折射、散射等多種途徑才能到達(dá)，這樣會(huì)形成信號(hào)的多徑衰落，通過(guò)采用自適應(yīng)天線來(lái)控制接收天線方向圖，天線自適應(yīng)地在用戶方向形成波束，并對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行自適應(yīng)加權(quán)處理，使有用接收信號(hào)的增益最大，延遲波方向的增益最小，減小信號(hào)衰落的影響；（4）借助有用信號(hào)和干擾信號(hào)在入射角度上的差異，選擇恰當(dāng)?shù)募訖?quán)參數(shù)，形成正確的天線接收模式，即將主瓣對(duì)準(zhǔn)有用信號(hào)，零陷和低增益副瓣對(duì)準(zhǔn)主要的干擾信號(hào)，從而更有效地抑制干擾。

3 結(jié)語(yǔ)

將自適應(yīng)波束形成技術(shù)運(yùn)用在無(wú)線遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)中，通過(guò)調(diào)整天線陣列中各陣元的權(quán)值來(lái)改變天線方向圖，能夠增強(qiáng)集中器上下行鏈路的通信質(zhì)量，并增加其覆蓋范圍，有效地解決了當(dāng)前居民小區(qū)無(wú)線抄表系統(tǒng)中，集中器所面臨的信號(hào)微弱、中斷甚至丟失的問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：董源（1989-），男，河南南陽(yáng)人，國(guó)網(wǎng)河南省電力公司平頂山供電公司工程師，碩士，研究方向：智能電網(wǎng)、電力通信、光纖通信。

（責(zé)任編輯：黃銀芳）