無線通信中陣列信號處理的應用

無線通信中陣列信號處理的應用

0陣列信號編碼技術在真實的傳播場景中，對于每條曲面上的不同直徑分量，有必要消耗大量的矩陣自治活動，占用大量資源，這將顯著降低性能。因此，如何正確管理不同領域的多徑矩陣，是相關算法實現(xiàn)中的一個重要問題。一般認為,移動通信領域中的陣列信號處理技術從其技術復雜度出發(fā)至少可以分為3個實現(xiàn)層面:其一,是在基站臺采用陣列天線的形式而實現(xiàn)上行鏈路信號的空間分集處理,這在當前移動通信系統(tǒng)中已經(jīng)得到普遍應用。其二,是基站臺陣列天線波束掃描技術,可以分別進行波束俯仰角和方位角掃描——前者可用于基站天線輻射波束下傾角的電調整,后者則可以實現(xiàn)基站臺和移動臺無線通信鏈路的定向傳輸。其三,即自適應陣列天線處理技術。自適應天線是一種能根據(jù)環(huán)境變化,通過自行調整對天線陣中各陣元的加權值以改善其輸出特性的一類重要的天線技術。它基于使天線陣列輸出某一方面的性能指標為最優(yōu),而實現(xiàn)天線性能對信號環(huán)境的響應。出于上述認識,嘗試利用不同的空間信號處理技術,考察將一個來波簇作為單一來波進行處理時所引入的性能差異。1多徑分量簇仿真空間分集技術是利用相距足夠遠的不同天線產(chǎn)生的電場相互獨立這一特性而構成的分集技術,通常,接收天線之間的間隔應足夠大,以保證每個接收天線接收到的信號的衰落特性是相互獨立的。若空間分集天線接收到的信號為單一來波,且每一路信號衰落到門限電平以下的概率為p,那么L路信號同時衰落到門限電平以下的概率就為pL,當L較大時,顯然pL<<p,但是,當空間分集天線接收到的信號為來波多徑簇時,由于多徑分量簇是由不同特性的來波所組成,因而其輸出信號衰落到門限電平以下的概率將會受到多種因素的影響。例如,來波分量在多徑簇內的分布、各射線路徑之間的相關性以及陣列處理性能如采樣快拍數(shù)等。這就使得L路輸出信號同時衰落到門限電平以下的概率呈現(xiàn)出某種動態(tài)變化的特征,也就是說,如果一個分集支路的簇信號為深度衰落,而另一個分集支路的簇信號較強,若強信號簇之路徑功率大于弱信號簇支路功率,則總輸出信號就可能不會衰落到門限電平以下。為了進一步得到確切的關系,在此以兩分支空間分集接收天線為例,分別計算來波簇和單一來波情形下的空間分集增益。選擇的仿真參數(shù)為:每天線來波簇個數(shù)N=2,來波簇平均來波角φ1=-φ2,取值為30°和60°,來波簇角擴展Δ1=Δ2=10°,簇內來波角概率密度函數(shù)服從均勻分布,每天線的陣元數(shù)n=10,合并方式為最大比合并,中斷率Pout=10-2。利用蒙特卡羅仿真方法可得2種情形下的分集增益與天線間距的關系,在單一來波情形下的分集增益隨分集間距的增加平坦增加,而來波簇情形下的分集增益隨分集間距的增加呈現(xiàn)出振蕩增加的特征,且來波簇的平均來波角越大,振蕩特性就越明顯,但是,來波簇情形下的最大分集增益與單一來波情形下的最大分集增益基本相同,這與實測的結果相吻合。2采樣陣風方向估計結果的數(shù)值分析基于以上的分析,嘗試用波束掃描技術考察將一個來波簇內的信號作為單一來波信號加以處理時,所引入的來波方向估計結果誤差。由文獻可知,該誤差受到多種因素的影響。例如,多徑簇內來波分量的分布,來波簇入射中心角、來波簇角域范圍、來波簇內射線相關性以及陣列處理性能如采樣快拍數(shù)等。在此以全向陣元構成的三元均勻直線陣模型為例,利用數(shù)值分析,來分別考察連續(xù)采樣和離散采樣情況下各種因素不同影響下,由2個自相關矩陣差異所引入的來波方向估計結果的變化。其中,陣列輸出數(shù)據(jù)矢量的各分量間具有線性的相位關系,在計算中,選擇陣元間距d為0.5λ,λ為工作波長。(1)數(shù)值計算及分析選取的仿真參數(shù)為:多徑簇來波中心角度為30°,角域范圍為10°,在角域范圍內隨機等概地確定各方向入射射線數(shù)目(n=10,20,30,40,50,80,100,200),每根射線的幅值服從均值為0,方差為1的復高斯分布,且多徑簇內任2根射線間的相關系數(shù)依次服從模值為0,0.2,0.3,相位在區(qū)間[0,2π]內均勻分布。對陣列輸出進行連續(xù)采樣以得到陣列輸出自相關矩陣,通過特征分解,可以基于數(shù)值計算來進一步分析。在圖1所給出的結果中,為得到統(tǒng)計平均結果,已分別進行了500次獨立計算。圖中結果表明,隨著來波多徑簇內射線數(shù)目的增加,來波方向估計誤差是逐漸減小的,然而,在射線數(shù)目相同時,隨著多徑來波簇內射線相關性的增強,來波方向估計誤差變大,需要更少的射線就能使得來波方向估計誤差收斂。(2)射線相關系數(shù)計算選取的仿真參數(shù)為:多徑簇來波中心角度為30°,角域范圍為5°和10°,每個簇內射線的數(shù)目為50根且服從均勻分布,每根射線的幅值服從均值為0,方差為1的復高斯分布,射線相關系數(shù)服從幅值為0.3,相位在[0,2π]內均勻分布。圖2中給出一組數(shù)值計算結果。圖中結果表明,隨著多徑簇角域范圍的增大,對多徑簇中心角的估計誤差隨之而增大。(3)數(shù)值計算及計算結果選取的仿真參數(shù)為:多徑簇來波中心角為30°,角域范圍在2°～10°范圍內取值,射線分布規(guī)律為均勻分布和高斯分布,每個簇內射線的數(shù)目為50根,每根射線的幅值服從均值為0,方差為1的復高斯分布,射線相關系數(shù)服從幅值為0.3,相位在[0,2π]內均勻分布。圖3中給出一組數(shù)值計算結果。圖3中結果表明,多徑簇內來波入射角不同的分布規(guī)律對多徑簇中心角估計誤差的影響不大。(4)射線的數(shù)目、屬性選取的仿真參數(shù)為:多徑簇來波中心角為10°和30°,角域范圍為10°,每個簇內射線的數(shù)目為50根且服從均勻分布,每根射線的幅值服從均值為0,方差為1的復高斯分布,射線相關系數(shù)服從幅值為0.3,相位在[0,2π]內均勻分布。利用上文的仿真方法,其仿真結果表明,多徑簇的中心角度不同時,多徑簇中心角估計誤差會也隨著變化。(5)仿真結果分析選取的仿真參數(shù)為:多徑簇來波中心角為30°,角域范圍為10°、20°、30°,快拍數(shù)為10、20、30、40、50、80、100,每個簇內射線的數(shù)目為50根且服從均勻分布,每根射線的幅值服從均值為0,方差為1的復高斯分布,射線相關系數(shù)服從幅值為0.3,相位在[0,2π]內均勻分布。利用上文的仿真方法,其仿真結果表明,隨著快拍數(shù)的增大,來波多徑簇中心角度的估計誤差呈現(xiàn)出不斷減小的規(guī)律。綜合以上分析可以看出:①將來波多徑簇作為單一來波處理,可以得到一個視在來波角度,這一角度和實際多徑來波簇的中心角度存在一定偏差;②隨著多徑來波簇內射線數(shù)目的增大,視在來波角度和實際多徑簇中心角度的誤差快速減小。這一效果同樣出現(xiàn)在增大陣列輸出采樣快拍數(shù)的情形下?？紤]到二者都是以更多的樣本數(shù)目來實現(xiàn)陣列輸出結果趨近于真實結果,這表明,增加處理樣本的數(shù)量可以得到對來波中心角度的更準確的估計;③相同來波簇中心角度和角域范圍下,隨著來波簇角域范圍內射線相關性的增強,誤差角度隨之而增大,且誤差收斂所需射線數(shù)目也隨之減少;④多徑簇內來波入射方向的分布規(guī)律沒有對視在來波角度和實際多徑簇中心角度誤差產(chǎn)生明顯影響;⑤不同來波簇中心角度下,隨著來波簇角域范圍的增大,誤差角度隨之而快速增大。⑥對誤差角度均方擴展的數(shù)值計算結果表明,該指標同誤差角度的變化表現(xiàn)出相同的規(guī)律。3波束形成的自適應算法事實上,移動通信環(huán)境是隨機變化的,從而導致來波角在不斷的改變,另外,相干干擾、多徑、噪聲的存在,使得每個到達陣列的信號參數(shù)都在隨機變化,恒加權的波束掃描無法自動改變波束方向以適應信號環(huán)境的變化,從而可能導致陣列輸出中有用信號被干擾信號掩蓋。要降低干擾的影響,最好的方法是使其天線方向圖零點位置始終指向干擾方向,同時保持主瓣對準所需信號的來波方向。然而,干擾信號和有用信號的來向都是未知的,這就要求天線方向圖能自動地改變,換句話說,天線方向性必須具有自適應能力。通常,自適應陣列的輸出是對各陣元的接收信號向量X(n)在各陣元分量上的加權和,令權向量W=[w1,w2,…,wM],即輸出可寫作:Y(n)=WHX(n)=∑m=1Mw?mxm(n)Y(n)=WΗX(n)=∑m=1Μwm*xm(n)。(1)可見自適應天線通過改變式(1)的權向量,便能對來自不同方向的來波多徑簇做出不同的響應,從而形成不同方向的空間波束。目前,波束形成的自適應算法主要有以下6種:①最小方差無畸變響應MVDR;②采樣數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣求逆SMI;③最陡梯度法SDM;④最小均方誤差