頻分雙工智能天線系統(tǒng)的下行波束形成算法概要

1、歡迎訪問 Freekaoyan 論文站頻分雙工智能天線系統(tǒng) 的下行波束形成算法歡迎訪問 Freekaoyan 論文站摘 要 ：研究了在頻分雙工智能天線系統(tǒng)中基站與移動臺之間上下行 信道的協(xié)方差矩陣。根據(jù)不隨頻率變化的上下行信道特性，得到下行的協(xié)方差 矩陣，以使期望用戶接收的信干噪比最大為準(zhǔn)則確定下行波束形成的權(quán)矢量。 不需要估計用戶的DOA和平均信號強(qiáng)度的信息。計算機(jī)仿真進(jìn)一步顯示了算法 的性能。關(guān)鍵詞 ：頻分雙工；智能天線；信道協(xié)方差矩陣；最大信干噪比在無線通信中，基站使用智能天線進(jìn)行下行波束形成發(fā)射時需要知道下行信道的信息1對于時分復(fù)用 (TDD) 系統(tǒng)，由于上下行信道使用相同的頻率，所以

2、下行信道的信息可以從基站接 收的上行信號中提取。但是對于頻分復(fù)用 (FDD) 系統(tǒng)，上下行頻率間隔較大，因此下行信道的信 息不能從上行信號來獲取。文獻(xiàn) 2中利用信道反饋法，基站通過獲取移動臺的反饋信息來估 計發(fā)送信道的狀態(tài)，但同時也降低了信道利用率，而且當(dāng)移動臺運(yùn)動較快時需要較高的反饋速 率。本文通過對頻分雙工 (FDD) 系統(tǒng)的上下行信道協(xié)方差矩陣進(jìn)行分析，研究了基于接收端最大 信干噪比 (SINR) 的智能天線下行波束形成算法。1 上下行鏈路信道模型假設(shè)一個蜂窩分為 3個扇區(qū)，每個扇區(qū)安裝一個 m元均勻線天線陣列，每個移動用戶采用 單天線與基站進(jìn)行通信。假設(shè)同一扇區(qū)有N個移動用戶，第 k個

3、用戶有Lk條多徑，上下行載波頻率分別為 入u和入d。則上行鏈路基站收到的信號為：其中： su，k(t) 為第 k 個用戶的發(fā)射信號，nu(t) 為天線接收到的加性高斯白噪聲。為用戶 k 的上行信道響應(yīng)。對于下行鏈路，設(shè)w，k為用戶k的下行波束形成權(quán)矢量，則用戶 k接收到的信號可以表示為：其中：H代表共軛轉(zhuǎn)置，Sd, k(t)代表發(fā)射給第k個用戶的信號，Uk(t)為用戶k接收到的加性高 斯白噪聲。h(l) d，k為用戶k第丨條路徑的下行信道響應(yīng)：(3)是發(fā)射時第 k 個用戶的其中： 為發(fā)射時第 k 個用戶的第 l 條路徑的復(fù)路徑衰落， 第 l 條多徑信號的行陣列響應(yīng)矢量。2 不隨頻率變化的信道特

4、性設(shè)Ru和Rd分別表示第個用戶的上行信道協(xié)方差矩陣和下行信道協(xié)方差矩陣，分別定義為：由于在無線電傳播中主要的反射體的體積都比較大，因此可以認(rèn)為在頻分雙工系統(tǒng)中主要路徑 的數(shù)目(L)以及他們的角度(e i)都是不變的。從式(6) 和式(7) 可以看出，主要存在 3 個因素使上下行信道協(xié)方差矩陣不同3(1) 式(6) 中的噪聲項使上下行協(xié)方差矩陣不同，但是由于所考慮的系統(tǒng)都是容量有限的， 所以可以忽略他的影響。(2) 平均路徑強(qiáng)度 E | a i(t)丨1在上下行時可能是不相等的。(3) 陣列響應(yīng)矢量 au( e i)和ad( e i)是不相等的。 對于大部分無線信道，復(fù)路徑強(qiáng)度可以寫為：其中：K

5、u和Kd是上行和下行傳播常數(shù)。基站到用戶的距離為d, n是路徑衰減常數(shù)。r i(t)描述慢衰落隨機(jī)過程。B i(t)為快衰落隨機(jī)過程。所以可以假設(shè) r i(t)是不隨時間變化的。對于小的頻移，r i(t)也可視為是不變的，同樣對于大多數(shù)信道模型來源，快衰落變量的平均強(qiáng)度對于小的頻率改變也是不敏感的，所以可以得到：(6) 來代替式 (7) 。在這里考慮一種如果能夠使上下行的陣列響應(yīng)矢量也相等，那么就可以用式雙工陣列 3的方法，設(shè)上行陣列響應(yīng)矢量為：其中：e為信號的doa di是陣元1到陣元i的距離。對于小的頻率變化，可以認(rèn)為下行陣列響應(yīng)矢量是上行陣列響應(yīng)矢量的線性擾動形式：3 下行波束形成算法3

6、1 基于最大信噪比 (SNR) 算法 考慮使期望用戶接收到信號時的信噪比最大，假設(shè)用戶 k 是期望用戶，即權(quán)矢量要滿足：其中：Rd k是期望用戶(第k個用戶)的下行信道協(xié)方差矩陣，即式 (14)。32 基于最大信干噪比 (SINR) 算法為了得到下行發(fā)射權(quán)矢量，采用了基于最大信干噪比(SINR)的波束形成算法的思想。要使期望用戶接收到的信干噪比 (SINR) 最大，即權(quán)矢量要滿足：4 實驗仿真(1) 設(shè)在頻分雙工(FDD)系統(tǒng)中，一個蜂窩分為3個扇區(qū)，每個扇區(qū)基站天線陣列采用雙工線天線陣列或全向天線，陣元數(shù)均為8，陣元間距d二入u/2，入u為上行鏈路載波波長，入d為下行鏈路載波波長，入d= 1

7、 . 06入u。在每個扇區(qū)內(nèi)均勻分布著3個用戶，每個用戶有 2條多徑，角度擴(kuò)展為 5。假設(shè) 3 個用戶中只有一個期望用戶。圖 1 是采用全向天線和雙工天線陣列進(jìn) 行下行發(fā)射時的波束圖。期望用戶的 2條多徑分別為： 54. 903 0和 52. 964 4。從圖 1 可以看出采用雙工陣列也同樣能夠在發(fā)射時形成波束指向期望用戶的方向。(2) 設(shè)在每個扇區(qū)中均勻分布 3 個用戶，每個用戶有 3條多徑，角度擴(kuò)展為 5。同樣 3 個 用戶中只有一個期望用戶。上行載波頻率為1. 8 GHz,下行載波頻率為 2 GHz。分別采用基于最大信噪比的算法和基于最大信干噪比的算法來計算下行發(fā)射的權(quán)矢量。利用下行發(fā)射

8、的權(quán)矢 量,可以計算出期望用戶接收的信干噪比。通過 1 000 次計算機(jī)仿真獲得的數(shù)據(jù),可以計算出 期望用戶接收的信干噪比的累計分布函數(shù) (CDF) 。如圖 2 所示為期望用戶接收到的信干噪比的累計分布函數(shù)。其中圖2(a) 為最大信噪比算法和最大信干噪比算法得到的信干噪比的累計分布函數(shù),可以看出最大信干噪比算法與最大信噪 比算法相比,能夠使期望用戶接收到的信干噪比提高20 dB 左右。同樣如圖 2(b) 所示,雙工陣列與全向天線相比，也能使期望用戶接收的信干噪比提高1820 dB左右。5 結(jié)語本文研究了在頻分雙工(FDD)智能天線系統(tǒng)中，上下行信道協(xié)方差矩陣的特點，根據(jù)其不隨頻率變化的信道特性

9、，研究了使期望用戶接收的信干噪比最大的下行波束形成算法。并且通過 計算機(jī)仿真表明，在下行時不僅能形成波束對準(zhǔn)期望用戶，而且能夠使期望用戶接收的信干噪 比提高 20 dB 左右。參考文獻(xiàn)1LibertiJC ， RappaportTS Smart antenna forwireless communicationM NewJersey ： Prentice Hall， 19992Gerlach D ， PaulrajA Spectrumreuse usingtransmitting antenna arrays with feedback A Proc ICASSP， April ， 1994： 97-100 3 Raleigh GG ， DiggaviSN Ablind adaptive transmit antenna algorithm for wirelesscommu ni catio n A. Proc . IEEESSAP 95,1995: 1494-1499 .4 RappaportTS Wi reless communi