1、一副智能天线可发送的独立波束数研究 傅海阳E-mail：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 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 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。概述1、CDM
2、A中中SA的工作原理、对多波束的工作原理、对多波束的要求；的要求；2、SA的实现方法；的实现方法；3、CDMA中中SA的收发互易性研究；的收发互易性研究；4、巴特勒天线阵的独立多波束固定方、巴特勒天线阵的独立多波束固定方向数。向数。1、CDMA中中SA工作原理、工作原理、对多波束的要求对多波束的要求 MS和BS间是非视距传播，存在多条反射路径，设为r1、r2和r3。理想的理想的CDMA基站收信过程：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。SA的工作原理的工作原理 用途：定向收发信、空分多址（用途：定向收发信、空分多址（
3、SDMA)原理：测出原理：测出r1的来波方向（的来波方向（DOA),定向接收定向接收r1,并反向并反向发到发到MS,消除多径干扰（消除多径干扰（MPI)r2和和r3,或多用户干或多用户干扰（扰（MAI).实现：相控阵天线实现：相控阵天线=SA CDMA基站收信考虑：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 BS发信：发信：1.收发信时间间隔小，可用收信的MS DOA 2.利用SA将信号定向发到MS。效果：MS收信号中无MPI、
4、MAI，CDMA的频谱利用率得到大幅提升。3.CDMA自干扰；即MPI、MAI，基带处理产生，只能用空分多址（SDMA）消除。4.SDMA天线：抛物面，定向反射，偶极子阵5.偶极子阵(SA)；非理想 SDMA 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C1C2Cn10o0o20o360o340o 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。图1(
5、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。2、SA的实现方法的实现方法 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。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
6、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 。0,00sincos()innaka 0,1,2,.7n02/,/2,/2,2/4nkan Nn 0cos()innaina0ina图图2 智能天线工作原理智能天线工作原理 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：收信方向收信方向:由外接移相器组的值决定，由外接移相器组的值决定，与天线的内在相位无关。与天线的内在相位无关。*017,.,WWW10lg89SRGdB*ninWa 图3给出由图2的SA原理图得到的、某个处在180用户的
7、收波束赋形图。050100150200250300350-30-25-20-15-10-50DOA (degree)power pattern (dB)Ka=8图3 8阵元180方向处MS的收波束赋形图 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。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
8、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。3、CDMA SA的收发互易性研究的收发互易性研究 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。4.1 2阵元阵元SA的发信虚拟实验的发信虚拟实验图4 2阵元SA定向发信实验 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
9、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。1MS2MS1s2s2MS1MS1PS2PS 2AE1AE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。11k21k1s1PS1MS1T2T1MS1R1PS11x21xnana2MS1T2T2、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T1和T
10、2保持同相迭加。决定发信方向，波束赋形图与图3类似。1scos()111xw tcos()211nxw ta111cos()xwt211cos()nxwta1s21x11xna1MSna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。11k21k12k22k1s2s12cos,ywt122cos()cos()nnywtawta12122cos()cos()22nnnnaaaawt1y2y122nnaa 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。1s2s12cos ywt122cos()cos()
11、nnywtawta12122cos()cos()22 nnnnaaaawt12ss2y11x12x1y12()2nnaa2、当 时，有 与 的相差是 ，发信方向：由 决定。12ss1coscos()2cos()cos()22ywtwtwt122cos()cos()nnywtawta12122cos()cos()222nnnnaaaawt1y2y122nnaa122nnaa 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
12、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。1y2y12/2nnaa实验结论：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。4.2 同载波同载波2方向方向2路路AM信号的定向发信信号的定向发信 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：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1S2S1S2S1S2S1S 和 的载波相位差:不变，满足定向发信要求。波束赋形图
13、：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cos211nySwta2y1y1na()1S tcos,11ySwtcoscoscos11212ySwtSwtSSwt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。coscos21122nnySwtaSwtasinsin1122nnnSaSacoscos1122nncSaSa(/)arctgcn2y1ycos()222cnwtsin()22cnwt实验结论：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。
14、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。2y1y4、巴特勒天线阵的独立多波束巴特勒天线阵的独立多波束固定方向发送能力固定方向发送能力 图5(a)无源传输线网络 图5(b)巴特勒天线阵 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
15、。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1-45-18045-90138.6-135端口20-45-90-135 104.5-45端口3-135-90-45075.545端口4-9045-180-4541.4135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 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
16、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。1S3S2S4S1S3S 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。1S2S图6 8阵元巴特勒天线阵的结构 图6给出8阵元巴
17、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。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 0-22.5-45-67.5-90-112.5-135-157.5端口2-9067.5-13522.5-180-22.5-225-67.5端口3-67.5-18067.5-45-157.5-27067.5-135端口4-157.5-90-22.545-247.5-180-22.5-45端口5-45-22.5-180-247.545-
18、22.5-90-157.5端口6-13567.5-270-157.5-4567.5-180-67.5端口7-67.5-225-22.5-18022.5-13567.5-90端口8-157.5-135-112.5-90-67.5-45-22.5 0表2 8阵元巴特勒阵的阵元相位（单位为）结束语 在偶极子天线阵同载波多用户独立波束的赋形问题中一直存在许多模糊认识。首先应清楚的一个概念是在CDMA系统中多个用户（多个码道）使用同一载波，只有在同一载波上实现多个独立波束，才具有空分多址作用；独立波束的含义是每个波束上只载有一个码道的信号。相对应的情况则是多个码道的信号在波束赋形图中的主瓣和旁瓣上同时存在，这种情况则不能形成空分多址作用，也不能隔离码道间的干扰。相反，由于主瓣方向确定，则多数用户不能收到较强的信号，会带来更坏的效果。结束语 从上面的论证可以看出，用一副SA是不可能同时实现一个载波上多个CDMA码道的自适应定向发射的，此处自适应的含义是跟踪MS方位的定向发射。使用巴特勒天线阵时可以实现同载波2个固定方向用户的定向发送，但无法做到跟踪各个用户方位的定向发送。根据本文的结论，可以判定TD-SCDMA标准和大唐移动通信设备公司SA发信波束形成方案的不合理性。
