单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,一副智能天线可发送的独立波束数研究,傅海阳,E-mail：,一副智能天线可发送的独立波束数研究 傅海阳,1,引 言,CDMA系统基站(BS)收发信使用智能天线（SA），用SA定向收发信形成空分多址,消除CDMA中的多重接入、多径干扰（MAI、MPI），提高频谱利用率（SE)，增加带宽的用户数、CDMA码道数。,引 言 CDMA系统基站(BS)收发信,2,引 言,收信：一副SA（不可分成子阵）可同时处理多个同频CDMA用户的独立波束。由此，许多资料给出错误结论：,1.利用天线互易定理证明上述结论对SA发信有效；,2.利用M副SA发送M个独立波束（简称多波束）的公式导出一副SA 用于CDMA同频、同时M个波束发送原理；,引 言 收信：一副SA（不可分成子阵）,3,引 言,3.现有资料：巴特勒天线阵同频同时可形成的独立波束数有错。,引 言 3.现有资料：巴特勒天线阵同频同,4,概述,1、CDMA中SA的工作原理、对多波束的要求；,2、SA的实现方法；,3、CDMA中SA的收发互易性研究；,4、巴特勒天线阵的独立多波束固定方向数。,概述1、CDMA中SA的工作原理、对多波束的要求；,5,1、CDMA中SA工作原理、对多波束的要求,MS和BS间是非视距传播，存在多条反射路径，设为r1、r2和r3。,理想的CDMA基站收信过程：,1.测出r1路径的来波方向；,2.用SA定向接收r1信号。,效果：只收r1信号，消除 MPI，减少MAI。,1、CDMA中SA工作原理、对多波束的要求,6,SA,的工作原理,用途：定向收发信、空分多址（,SDMA),原理：测出r1的来波方向（DOA),定向接收r1,并反向发到MS,消除多径干扰（MPI)r2和r3,或多用户干扰（MAI).,实现：相控阵天线=SA,SA的工作原理用途：定向收发信、空分多址（SDMA),7,CDMA基站收信考虑：,1.r1 DOA检测难度大；,2.TD-SCDMA一个时隙有8路CDMA语音，需8套DOA检测和定向接收，难度大；,3.定向接收基础上再实现3径信号的RAKE接收，复杂度需上升3倍，难度更大。,CDMA基站收信考虑：,8,CDMA BS发信：,收发信时间间隔小，可用收信的MS DOA,利用SA将信号定向发到MS。,效果：MS收信号中无MPI、MAI，CDMA的频谱利用率得到大幅提升。,CDMA自干扰,；即,MPI、MAI，,基带处理产生，只能用空分多址（SDMA）消除。,SDMA天线：抛物面，定向反射，偶极子阵,偶极子阵(SA),；非理想 SDMA,CDMA BS发信：,9,对理想同频CDMA系统多个用户的发信波束要求。,图1(a)要求的独立波束赋形,C,1,C,2,C,n,10,o,0,o,20,o,360,o,340,o,对理想同频CDMA系统多个用户的发信波束,10,假定8个用户处在与BS等距离的多个不同方向上，所以各独立波束的幅度相等。,独立波束:各波束上只载有各用户的语音信号C1、C2 C8。才能消除多用户干扰。,SA的多波束独立赋形：实现 SDMA，消除MAI。一副发信SA无法实现这种多波束独立赋形作用，可以用8副SA实现。,假定8个用户处在与BS等距离的多个不同方,11,图1(b)一副SA可实现的非独立波束赋形,下图给出一副发信SA 的多波束赋形图，主瓣和旁瓣上均有8个用户的CDMA信号，可增强某个方向的信号，但不可能是用户的要求方向，也不能产生SDMA作用。此副SA的作用比不用时更差，TD-SCDMA中SA的作用与此图类似。,图1(b)一副SA可实现的非独立波束,12,2、,SA的实现方法,圆形8阵元SA结构:圆周上以,/,2,为间隔，放置8根偶极子阵元。,阵元间距很小，各阵元上收相关信号，即各阵元收到的信号幅度基本相等；,各阵元几何位置不同，电波经波长,产生2,相移，所以各阵元收信号的相位不同。,2、SA的实现方法 圆形8阵元SA结构:,13,8阵元圆阵的主瓣指向 时，第n个阵元收信电流的相位为：,取,则有：,表示SA接收与BS为 方向的MS发信号时，第n个阵元收信电流的内在或固有相位;若存在多个方向收信号，则有多个 。,8阵元圆阵的主瓣指向 时，第n个阵元收,14,图2 智能天线工作原理,图2 智能天线工作原理,15,图2给出SA的收信原理。,改变外接移相器组中 的 值，当 ，各路收信号载波在M处同相迭加，定义为期望收信号载波的同相分集接收，取得SA的分集接收增益：,收信方向:由外接移相器组的值决定，与天线的内在相位无关。,图2给出SA的收信原理。,16,图3给出由图2的SA原理图得到的、某个处在180用户的收波束赋形图。,图3 8阵元180方向处MS的收波束赋形图,图3给出由图2的SA原理图得到的、某个处,17,图3：SA在180方向产生最强波束，180两侧存在一些旁瓣，旁瓣的位置和幅度固定，不可改变。,SA=非理想SDMA：也接收非180的入射波，幅度低，产生小的CDMA自干扰。,图3中的波束赋形：利用波干涉产生，不可能产生图1(a)的理想波束。,抛物面、定向反射天线：产生图1(a)理想波束。,图3：SA在180方向产生最强波束，1,18,若收信号基带处理中引入其它波束赋形算法，可能得到比图3更好的波束赋形效果。,发信波束赋形:只能用波干涉原理实现。,8阵元SA:图3的收波束赋形图可用于发信。,无法引入收信的基带处理方法，欲取得9dB增益，则它的形状无法改变。,若收信号基带处理中引入其它波束赋形算法，可,19,3、,CDMA SA的收发互易性研究,资料：“前面提到的均为接收波束形成，由于天线的收发过程满足互易定理，故相关原理和方法同样可以适用于发送波束形成。”赞成此类说法的资料很多。,我们的研究结果：CDMA SA应用中不能无条件使用收发互易定理。,使用互易定理条件：同频1个发码道。,3、CDMA SA的收发互易性研究 资料：,20,4.1 2阵元SA的发信虚拟实验,图4 2阵元SA定向发信实验,4.1 2阵元SA的发信虚拟实验图4 2阵元SA,21,图4：CDMA BS对同频、不同方向2 MS利用2AE SA实现定向发送。,设 、与BS距离相等、处于不同的方向。,图4标识：,，:对应于 或 “+1”或“-1”的2PSK调制用数字序列；,，:载波移相器；,，:SA的耦极子阵元，相距约/2。,图4：CDMA BS对同频、不同方向,22,实验1：单路信号的SA定向发送实验,实验步骤:,1、合上 ,取 =1,调 使 处收到的发信电波 和 同相迭加，取得最大收信号 。,：给出载波 和 间的相位差为 。,决定发信方向，在发信期间应不变。,：收到的 、无法同相迭加，合成信号较小，,体现SA波束赋形的定向发送作用。,实验1：单路信号的SA定向发送实验,23,2、取 =-1时，,；,取 =1时，；,任意码元期间，和 间相差始终保持为 。,：两路收信号,T,1,和,T,2,保持同相迭加。,决定发信方向，波束赋形图与图3类似。,2、取 =-1时，,24,实验2：2路不同方向信号的SA定向发送,实验步骤：,1、合上 、，取 =1，有,合成载波 、的发信方向：由 决定。,实验2：2路不同方向信号的SA定向发送,25,取 =-1，此时 ，,期间，与 、的合成波 相比，有固定相差。,发信方向：由 决定。,取 =-1，此时,26,2、当 时，有,与 的相差是 ，,发信方向：由 决定。,2、当 时，有,27,实验结果：2码道的合成载波 和 的主瓣指向 ，使主瓣方向从应有方向偏移，比不用SA时更差。,波束赋形图：与图1(b)类似。,图1(b)：主瓣和旁瓣上都带有2个CDMA码道的信号，无空分多址作用。,多个码道工作：SA的发信主瓣指向多个码道应有方向的平均值，造成该方向上相邻小区的较大干扰。,实验结果：2码道的合成载波 和,28,实验结论：,SA的同频多码道收信：可用一副SA，多套加权电路，即移相电路实现多个码道的定向收信。,发信：不能用SA。,频分多址（FDMA）和时分多址（TDMA）：可用SA。,实验结论：,29,4.2 同载波2方向2路AM信号的定向发信,图4两路发信号 、为幅度调制AM信号，研究SA的多波束定向发信功能。和 的幅度应随时间变，简化标志起见，仍表示为 和 。,实验内容：,1、一路AM信号 输入图4中的SA定向发信电路时，有,4.2 同载波2方向2路AM信号的定向发信 图4两路,30,和 的载波相位差:不变，满足定向发信要求。,波束赋形图：类似图3，主瓣和旁瓣的幅度将随 的幅度改变，它们间的比例保持不变。,2、2路 AM信号输入图4的SA定向发送电路时，有,和 的载波相位差:,31,其中,和 在发信期间的相位差:随2路调制信号的幅度变化而变化。,其中,32,实验结论：,定向发送条件:载波 和 的相位差,在发信期间保持恒定，因此有2路AM信号,输入时无法实现定向发送。,QAM信号、有功率控制的QPSK信号等都,可以分解为2路正交的AM信号。根据上面的结,果，取任何调制信号时都必须在时分多址、频分多址的基础上才能用一副SA实现多路信号不同方向上的定向发送。,实验结论：,33,4、,巴特勒天线阵的独立多波束固定方向发送能力,图5(a)无源传输线网络 图5(b)巴特勒天线阵,4、巴特勒天线阵的独立多波束固定方向发送能力 图5(a),34,由无源传输线网络(图5(a)所示）和天线阵,（如图5(b)所示）组成的巴特勒天线阵具有一,种特殊的结构，可以使各阵元间的载波信号,具有固定的相位差，可同时用于同频2个独立多,波束的定向发送。,图7中给出4阵元巴特勒天线阵的结构，下,部的标记1、2、3、4用作已调载波信号的,输入、输出端。,由无源传输线网络(图5(a)所示）和天线阵,35,由它的阵列结构导得4阵元巴特勒天线阵对应于各路输入输出信号时、各阵元载波的相位，此,时假定各路输入,输出信号,的载波同频且相位相等，,见表1。表中还给出阵元间的相位差和波束方向。,阵元1,阵元2,阵元3,阵元4,波束方向,阵元间,相位,端口1,-45,-180,45,-90,138.6,-135,端口2,0,-45,-90,-135,104.5,-45,端口3,-135,-90,-45,0,75.5,45,端口4,-90,45,-180,-45,41.4,135,表1 4阵元巴特勒阵的阵元相位、阵元间相位差和波束方向,由它的阵列结构导得4阵元巴特勒天线阵对应于各路,36,考虑将该巴特勒阵用于固定方向的发信,时，从表1中可以发现：,1、就端口1和3对应的 和 这两个输入,信号而言，设 和 载波信号同频同相时，,则两路信号经巴特勒天线阵传输网络后到达各,阵元的2路信号载波正交，因此该天线阵可以同,时发出2路同频信号、两个固定方向的独立波,束，它们的波束赋形结果类似于图2(a)。就,和 信号的发信而言，具有相同的结论。,考虑将该巴特勒阵用于固定方向的发信,37,2、这两对信号不能同时使用，并且必,须配对使用。若取 和 同时发信时，则无,法形成定向发送波束，因为此时到达各阵元的2,路载波信号不是正交的，天线阵的发信方向将,由2路信号迭加后的载波相位决定。,因此有些资料称“各个端口权向量相互正交”,的说法不成立；事实上，它们只在配对间的端,口成立。而该资料中称“固定波束形成矩阵是,双向的，”这种说法也是不对的。,2、这两对信号不能同时使用，并且必,38,图6 8阵元巴特勒天线阵的结构,图6 8阵元巴特勒天线阵的结构,39,图6给出8阵元巴特勒天线阵的结构，根据该结构，表2（下页）列出相关参数，从表中可以发现它同时只能用于同载波2路固定方向的独立波束发信，例如端口1和端口2的信号经无源传输网络后在各天线阵元满足正交要求，可以形成空分多址作用。,图6给出8阵元巴特勒天线阵的结构，根据该结构，表,40,阵元1,阵元2,阵元3,阵元4,阵元5,阵元6,阵元7,阵元8,端口1,0,-22.5,-45,-67.5,-90,