TD_SCDMA系統(tǒng)中智能天線技術(shù)的應(yīng)用

1、第25卷第5期2009年10月天津理工大學(xué)學(xué)報(bào)JOURNALOFTIANJINUNIVERSITYOFTECHNOLOGYVol.25No.5Oct.2009文章編號:16732095X(2009)0520004204TD2SCDMA系統(tǒng)中智能天線技術(shù)的應(yīng)用何穎,何宏,李麗,武藝(天津理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院,天津300384)摘要:智能天線對消除TD-SCDMA系統(tǒng)中用戶間相互干擾發(fā)揮著重要作用,號,消除干擾的技術(shù)特點(diǎn).,乘法(RLS),實(shí)現(xiàn)了智能天線在干擾消除中的設(shè)計(jì)與仿真,-SCDMA系統(tǒng)中干擾的有效性.關(guān)鍵詞:TD-SCDMA;.:AApplicationofsmartantennainte

2、rferencesuppressiontechniquesinTD2SCDMAsystemsHEYing,HEHong,LILi,WUYi(SchoolofElectricalEngineering,TianjinUniversityofTechnology,Tianjin300384,China)Abstract:TheSmartAntennaplaysanimportantroletosuppresstheinterferenceamongusersinTD2SCDMA,thesmartan2tennahasthefeaturesthatitcanadaptivetracktheusers

3、ignalsandsuppresstheinterference.Thesmartantennaadaptivebeam2formingalgorithmsareresearcheddeeplyinthethesis,especiallytheleastmeansquare(LMS)andleastsquares(RLS)algorithm,andcompareandanalyzetheresultthenprovetheadvantageanddisadvantageoftwoalgorithms.TheresultsprovethatitcansuppressinterferenceinT

4、D2SCDMAsystemwiththeeffectiveness.Keywords:TD2SCDMA;smartantenna;beam2forming;LMS;RLS1TD2SCDMA系統(tǒng)TD2SCDMA(TimeDivisionSynchronousCodeDi2visionMultipleAccess,時(shí)分同步的碼分多址)是我2智能天線技術(shù)2.1智能天線智能天線(SmartAntenna,SA)是一種具有測向和波束形成能力的天線陣列,利用數(shù)字信號處理技術(shù)判斷用戶信號到達(dá)方向(即DOA估計(jì)),并在此方向形成天線主波束,它根據(jù)用戶信號的不同空間傳輸方向提供不同的信道,等同于有線傳輸時(shí)的線纜

5、,從而可以有效的抑制干擾.2.2智能天線系統(tǒng)的構(gòu)成國首個(gè)擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的第三代移動(dòng)通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn).它與歐洲和日本的WCDMA、美國的CD2MA2000并列成為當(dāng)今世界第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)的3大主流標(biāo)準(zhǔn).TD-SCDMA采用了智能天線、聯(lián)合檢測、接力切換、動(dòng)態(tài)信道分配技術(shù)等一系列先進(jìn)技術(shù),其中智能天線技術(shù)是TD2SCDMA系統(tǒng)中的核心技術(shù).智能天線主要由天線陣列、模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)字波束收稿日期:2009203201.基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金(59493300);教育部博士點(diǎn)基金(9800462);天津市復(fù)雜系統(tǒng)控制理論及應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室資助.第一作者:何穎(1983),女,碩士研究生.通訊作者:何宏(

6、1960),女,教授,碩士生導(dǎo)師.2009年10月何穎,等:TD-SCDMA系統(tǒng)中智能天線技術(shù)的應(yīng)用5形成網(wǎng)絡(luò)和自適應(yīng)處理器4部分組成.1)天線陣列.天線陣列即在空間分開設(shè)置的一系列天線陣元,對各陣元接收到的信號作加權(quán)處理,通過改變陣列的權(quán)值,可使波束形狀發(fā)生改變.天線陣元數(shù)量和天線陣元的配置都對智能天線的性能有著直接的影響,通常設(shè)陣元數(shù)為M,在移動(dòng)通信中取M=8或M=16等.2)模數(shù)轉(zhuǎn)換器.考慮基站端的智能天線,在上行鏈路時(shí)天線將接收到的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號;而在下行鏈路時(shí)將處理后的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號.3)波束形成網(wǎng)絡(luò).1權(quán)權(quán)重.e(n)x(n)w(n+1)=w(n)+2(5)是步長因

7、子.e(n)x(n)的值影響著LMS其中算法的性能、值過小算法收斂速度慢;值過大則會導(dǎo)致算法不穩(wěn)定,甚至發(fā)散RLS)算法2.3.2遞歸最小二乘法(recursiveleastsquares,遞歸最小二乘法(RLS)算法是嚴(yán)格以最小二乘.,其.算法的具1)Pn和wn進(jìn),對Pn的初始化要注意保證其是一個(gè)非奇異矩陣,而設(shè)定wn為0矩陣.W(0)=X(0)=0P(0)(6)(7)調(diào)整權(quán)值系數(shù),.4)自適應(yīng)信號處理.自適應(yīng)信號處理是智能天線智能體現(xiàn)的一個(gè)重要方面,它以自適應(yīng)算法為核心,動(dòng)態(tài)地調(diào)整最優(yōu)加權(quán)系數(shù).Iw(0)=03自適應(yīng)波束形成算法LMS、RLS基于自適應(yīng)理論的任意天線陣型的2)算法進(jìn)入數(shù)據(jù)處

8、理階段之后,先后計(jì)算迭代增益Kn和絕對誤差e(n),由迭代增益和誤差計(jì)算權(quán)值wn的估計(jì)值,最后對Pn進(jìn)行修正e(n)=y(n)-x(n)w(n-1)k(n)=+x(n)P(n-1)x(n)TT3.(8)(9)波束賦形算法.通過將這兩種算法引入到對天線波束賦形的應(yīng)用,能夠解決對前面所遇到的一系列問題,同時(shí)進(jìn)一步優(yōu)化波束賦形收斂時(shí)間.降低計(jì)算的復(fù)雜度和提高算法的靈活性.隨后的計(jì)算機(jī)仿真驗(yàn)證了本文方法的有效性.3.1最小均方算法(leastmeansquarealgorithm,LMS)P(n)=P(n-1)-k(n)x(n)P(n-1)(10)T3)算法進(jìn)入后一個(gè)采樣數(shù)據(jù)u(n)的處理,這樣最小均

9、方算法是一種應(yīng)用最為廣泛的自適應(yīng)最優(yōu)化算法,它基于最陡下降算法,通過遞歸更新權(quán)向量,達(dá)到其誤差性能的頂點(diǎn)(即最優(yōu)值).自適應(yīng)算法包括兩個(gè)步驟.1)根據(jù)陣列信號及當(dāng)前權(quán)重算出波束賦形器的輸出值,并且求出賦形器的輸出與期望信號的差值.假設(shè)陣列天線所接收到的信號可以表示為x(n)=x1(n),x2(n),xM(n)H反復(fù)迭代最終得到最佳的權(quán)重值.w(n)=w(n-1)+k(n)e(n)(11)4智能天線的軟件仿真在MATLAB環(huán)境中編寫M文件對智能天線自適應(yīng)波束成形算法在干擾抑制中的應(yīng)用進(jìn)行設(shè)計(jì)和仿真,并對各種不同情況下算法性能進(jìn)行比較,驗(yàn)證算法的可行性.4.1基于LMS自適應(yīng)波束成形算法的智能天線

10、(1)(2)(3)(4)對接收加權(quán)系數(shù)為w=w1,w2,wMy(n)=w(n)x(n)e(n)=s(n)-y(n)HH仿真LMS的算法流程圖見圖1.根據(jù)以上算法流程圖,在MATLAB軟件中建立M文件,該文件既為LMS算法智能天線的實(shí)現(xiàn)文波束賦形器的輸出可以寫為賦形器的誤差,即輸出信號與期望信號的差值為2)根據(jù)求出的差值自動(dòng)調(diào)整波束賦形器的加件.天線陣采用8個(gè)陣元的均勻直線陣,2個(gè)陣元間距為/2,文件中各參數(shù)如下6天津理工大學(xué)學(xué)報(bào)第25卷第5期圖2天線方向圖Fig.24圖1LMS算法流程圖Fig.1LMSalgorithmflowchartM為天線陣元數(shù);mu為步長因子;lambda為對應(yīng)表達(dá)式

11、中;SNR為信噪比;INR為干擾噪聲比.其中LMS自適應(yīng)波束成形算法中權(quán)向量的更新表達(dá)式為w(n+1)=w(n)+2e(n)x(n)圖3迭代次數(shù)與誤差關(guān)系圖Fig.3Relationalgraphoftheiterativetimesanderror(12)4.2基于RLS自適應(yīng)波束成形算法的智能天線更新表達(dá)式在M文件中的實(shí)現(xiàn)代碼為%initializeweightmatrixandassociatedparame2仿真RLS的算法流程圖見圖4.tersforLMSpredictor);de=s(1,mu=0.0001;w=zeros(m,1);fork=1N%predictnextsampl

12、eanderrory(k)=w3Y(,k);e(k)=de(k)-y(k);%adaptweightmatrixandstepsizew=w+mu3Y(,k)3conj(e(k);end調(diào)用繪圖函數(shù),得到基于LMS自適應(yīng)波束成形算法的智能天線在干擾消除應(yīng)用的仿真結(jié)果圖2為天線的方向圖,由圖2可見LMS算法能在期望信號方向形成主瓣,在干擾方向形成很深的零陷.達(dá)到了消除干擾的效果.圖3是迭代次數(shù)與誤差的關(guān)系,可見在進(jìn)行一定次數(shù)的迭代運(yùn)算后,LMS算法達(dá)到收斂,參考信號圖4RLS算法流程圖Fig.4RLSalgorithmflowchart根據(jù)以上表達(dá)式,在MATLAB軟件中建立M文件,該文件既為R

13、LS算法智能天線的實(shí)現(xiàn)文件.天線2009年10月何穎,等:TD-SCDMA系統(tǒng)中智能天線技術(shù)的應(yīng)用7陣采用8個(gè)陣元的均勻直線陣,2陣元間距為/2,文件中各參數(shù)如下lambda為對應(yīng)表達(dá)式中.delta為對應(yīng)表達(dá)式中.該函數(shù)有兩個(gè)返回值,分別為w和e,其意義如下w為濾波器的權(quán)系數(shù);e為濾波器的輸出信號.其中RLS自適應(yīng)波束成形算法中權(quán)向量的更新表達(dá)式為P(n)=-1圖6Fig.6tionaltimesanderrorP(n-1)-1k(n)x(n)P(n-1)T更新表達(dá)式在M文件中的實(shí)現(xiàn)代碼為%initializeweightmatrix4.tersforRLS;de=s(w=zeros(m,;

14、lambda=0.75;delta=1e-2;P=1/delta3eye(m);fork=1Nv=P3Y(,k);u=1/lambda3v/(1+1/lambda3Y(,k)3v);e(k)=de(k)-w3Y(,k);w=w+u3conj(e(k);)3P;P=1/lambda3(eye(m)-u3Y(,k)endRLS算法在干擾信號角度形成的零陷較LMS算法要深,LMS算法零陷小.比較圖3和圖6得RLS算法的收斂速度大于LMS算法,對非平穩(wěn)信號適應(yīng)也要更強(qiáng),但是RLS賦形算法矩陣迭代更新公式的計(jì)算量大,復(fù)雜度高,難于實(shí)現(xiàn),所以減少運(yùn)算量是對算法進(jìn)行改進(jìn)的一個(gè)主要方面.基于LMS賦形算法具有算法簡單、穩(wěn)定性高的優(yōu)點(diǎn).5結(jié)論智能天線技術(shù)是是第三代移動(dòng)通信TD-SCD2MA系統(tǒng)采用的抗干擾關(guān)鍵技術(shù).智能天線技術(shù)研究的核心是自適應(yīng)波束賦型算法,本文所提出的方法調(diào)用繪圖函數(shù),得到基于RLS自適應(yīng)波束成形在陣列天線的波束賦形設(shè)計(jì)和干擾抑制中是十分有效的,具有相當(dāng)大的應(yīng)用前景,對工程指導(dǎo)具有十分重要的意義.參考文獻(xiàn):1楊松,曹型兵.TD2SCDMA中的關(guān)鍵技術(shù)2智能天線J.電腦知識與技術(shù),2007(3):6542655.2張靜.智能天線技術(shù)及在移動(dòng)通信中的應(yīng)用J.信算法