《巴特勒天線陣的獨立多波束固定方向數(shù)CDMA中SA工作原理課件》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《巴特勒天線陣的獨立多波束固定方向數(shù)CDMA中SA工作原理課件（43頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

1、單擊此處編輯母版標題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,*,一副智能天線可發(fā)送的獨立波束數(shù)研究,傅海陽,E-mail：,引 言,CDMA系統(tǒng)基站(BS)收發(fā)信使用智能天線（SA），用SA定向收發(fā)信形成空分多址,消除CDMA中的多重接入、多徑干擾（MAI、MPI），提高頻譜利用率（SE)，增加帶寬的用戶數(shù)、CDMA碼道數(shù)。,引 言,收信：一副SA（不可分成子陣）可同時處理多個同頻CDMA用戶的獨立波束。由此，許多資料給出錯誤結(jié)論：,1.利用天線互易定理證明上述結(jié)論對SA發(fā)信有效；,2.利用M副SA發(fā)送M個獨立波束（簡稱多波束）的公式導(dǎo)出一副SA 用于CDMA同頻、同時

2、M個波束發(fā)送原理；,引 言,3.現(xiàn)有資料：巴特勒天線陣同頻同時可形成的獨立波束數(shù)有錯。,概述,1、CDMA中SA的工作原理、對多波束的要求；,2、SA的實現(xiàn)方法；,3、CDMA中SA的收發(fā)互易性研究；,4、巴特勒天線陣的獨立多波束固定方向數(shù)。,1、CDMA中SA工作原理、對多波束的要求,MS和BS間是非視距傳播，存在多條反射路徑，設(shè)為r1、r2和r3。,理想的CDMA基站收信過程：,1.測出r1路徑的來波方向；,2.用SA定向接收r1信號。,效果：只收r1信號，消除 MPI，減少MAI。,SA,的工作原理,用途：定向收發(fā)信、空分多址（,SDMA),原理：測出r1的來波方向（DOA),定向接收r

3、1,并反向發(fā)到MS,消除多徑干擾（MPI)r2和r3,或多用戶干擾（MAI).,實現(xiàn)：相控陣天線=SA,CDMA基站收信考慮：,1.r1 DOA檢測難度大；,2.TD-SCDMA一個時隙有8路CDMA語音，需8套DOA檢測和定向接收，難度大；,3.定向接收基礎(chǔ)上再實現(xiàn)3徑信號的RAKE接收，復(fù)雜度需上升3倍，難度更大。,CDMA BS發(fā)信：,收發(fā)信時間間隔小，可用收信的,MS DOA,利用,SA,將信號定向發(fā)到,MS,。,效果：,MS,收信號中無,MPI,、,MAI,，,CDMA,的頻譜利用率得到大幅提升。,CDMA,自干擾,；即,MPI,、,MAI,，,基帶處理產(chǎn)生，只能用空分多址（,SDM

4、A,）消除。,SDMA,天線：拋物面，定向反射，偶極子陣,偶極子陣,(SA),；非理想,SDMA,對理想同頻CDMA系統(tǒng)多個用戶的發(fā)信波束要求。,圖1(a)要求的獨立波束賦形,C,1,C,2,C,n,10,o,0,o,20,o,360,o,340,o,假定8個用戶處在與BS等距離的多個不同方向上，所以各獨立波束的幅度相等。,獨立波束:各波束上只載有各用戶的語音信號C1、C2 C8。才能消除多用戶干擾。,SA的多波束獨立賦形：實現(xiàn) SDMA，消除MAI。一副發(fā)信SA無法實現(xiàn)這種多波束獨立賦形作用，可以用8副SA實現(xiàn)。,圖1(b)一副SA可實現(xiàn)的非獨立波束賦形,下圖給出一副發(fā)信SA 的多波束賦形圖

5、，主瓣和旁瓣上均有8個用戶的CDMA信號，可增強某個方向的信號，但不可能是用戶的要求方向，也不能產(chǎn)生SDMA作用。此副SA的作用比不用時更差，TD-SCDMA中SA的作用與此圖類似。,2、,SA的實現(xiàn)方法,圓形8陣元SA結(jié)構(gòu):圓周上以,/,2,為間隔，放置8根偶極子陣元。,陣元間距很小，各陣元上收相關(guān)信號，即各陣元收到的信號幅度基本相等；,各陣元幾何位置不同，電波經(jīng)波長,產(chǎn)生2,相移，所以各陣元收信號的相位不同。,8陣元圓陣的主瓣指向 時，第n個陣元收信電流的相位為：,取,則有：,表示SA接收與BS為 方向的MS發(fā)信號時，第n個陣元收信電流的內(nèi)在或固有相位;若存在多個方向收信號，則有多個 。,

6、圖2 智能天線工作原理,圖2給出SA的收信原理。,改變外接移相器組中 的 值，當(dāng) ，各路收信號載波在M處同相迭加，定義為期望收信號載波的同相分集接收，取得SA的分集接收增益：,收信方向:由外接移相器組的值決定，與天線的內(nèi)在相位無關(guān)。,圖3給出由圖2的SA原理圖得到的、某個處在180用戶的收波束賦形圖。,圖3 8陣元180方向處MS的收波束賦形圖,圖3：SA在180方向產(chǎn)生最強波束，180兩側(cè)存在一些旁瓣，旁瓣的位置和幅度固定，不可改變。,SA=非理想SDMA：也接收非180的入射波，幅度低，產(chǎn)生小的CDMA自干擾。,圖3中的波束賦形：利用波干涉產(chǎn)生，不可能產(chǎn)生圖1(a)的理想波束。,拋物面、定

7、向反射天線：產(chǎn)生圖1(a)理想波束。,若收信號基帶處理中引入其它波束賦形算法，可能得到比圖3更好的波束賦形效果。,發(fā)信波束賦形:只能用波干涉原理實現(xiàn)。,8陣元SA:圖3的收波束賦形圖可用于發(fā)信。,無法引入收信的基帶處理方法，欲取得9dB增益，則它的形狀無法改變。,3、,CDMA SA的收發(fā)互易性研究,資料：“前面提到的均為接收波束形成，由于天線的收發(fā)過程滿足互易定理，故相關(guān)原理和方法同樣可以適用于發(fā)送波束形成?！辟澇纱祟愓f法的資料很多。,我們的研究結(jié)果：CDMA SA應(yīng)用中不能無條件使用收發(fā)互易定理。,使用互易定理條件：同頻1個發(fā)碼道。,4.1 2陣元SA的發(fā)信虛擬實驗,圖4 2陣元SA定向發(fā)

8、信實驗,圖4：CDMA BS對同頻、不同方向2 MS利用2AE SA實現(xiàn)定向發(fā)送。,設(shè) 、與BS距離相等、處于不同的方向。,圖4標識：,，:對應(yīng)于 或 “+1”或“-1”的2PSK調(diào)制用數(shù)字序列；,，:載波移相器；,，:SA的耦極子陣元，相距約/2。,實驗1：單路信號的SA定向發(fā)送實驗,實驗步驟:,1、合上 ,取 =1,調(diào) 使 處收到的發(fā)信電波 和 同相迭加，取得最大收信號 。,：給出載波 和 間的相位差為 。,決定發(fā)信方向，在發(fā)信期間應(yīng)不變。,：收到的 、無法同相迭加，合成信號較小，,體現(xiàn)SA波束賦形的定向發(fā)送作用。,2、取 =-1時，,；,取 =1時，；,任意碼元期間，和 間相差始終保持為

9、 。,：兩路收信號,T,1,和,T,2,保持同相迭加。,決定發(fā)信方向，波束賦形圖與圖3類似。,實驗2：2路不同方向信號的SA定向發(fā)送,實驗步驟：,1、合上 、，取 =1，有,合成載波 、的發(fā)信方向：由 決定。,取 =-1，此時 ，,期間，與 、的合成波 相比，有固定相差。,發(fā)信方向：由 決定。,2、當(dāng) 時，有,與 的相差是 ，,發(fā)信方向：由 決定。,實驗結(jié)果：2碼道的合成載波 和 的主瓣指向 ，使主瓣方向從應(yīng)有方向偏移，比不用SA時更差。,波束賦形圖：與圖1(b)類似。,圖1(b)：主瓣和旁瓣上都帶有2個CDMA碼道的信號，無空分多址作用。,多個碼道工作：SA的發(fā)信主瓣指向多個碼道應(yīng)有方向的平

10、均值，造成該方向上相鄰小區(qū)的較大干擾。,實驗結(jié)論：,SA的同頻多碼道收信：可用一副SA，多套加權(quán)電路，即移相電路實現(xiàn)多個碼道的定向收信。,發(fā)信：不能用SA。,頻分多址（FDMA）和時分多址（TDMA）：可用SA。,4.2 同載波2方向2路AM信號的定向發(fā)信,圖4兩路發(fā)信號 、為幅度調(diào)制AM信號，研究SA的多波束定向發(fā)信功能。和 的幅度應(yīng)隨時間變，簡化標志起見，仍表示為 和 。,實驗內(nèi)容：,1、一路AM信號 輸入圖4中的SA定向發(fā)信電路時，有,和 的載波相位差:不變，滿足定向發(fā)信要求。,波束賦形圖：類似圖3，主瓣和旁瓣的幅度將隨 的幅度改變，它們間的比例保持不變。,2、2路 AM信號輸入圖4的S

11、A定向發(fā)送電路時，有,其中,和 在發(fā)信期間的相位差:隨2路調(diào)制信號的幅度變化而變化。,實驗結(jié)論：,定向發(fā)送條件:載波 和 的相位差,在發(fā)信期間保持恒定，因此有2路AM信號,輸入時無法實現(xiàn)定向發(fā)送。,QAM信號、有功率控制的QPSK信號等都,可以分解為2路正交的AM信號。根據(jù)上面的結(jié),果，取任何調(diào)制信號時都必須在時分多址、頻分多址的基礎(chǔ)上才能用一副SA實現(xiàn)多路信號不同方向上的定向發(fā)送。,4、,巴特勒天線陣的獨立多波束固定方向發(fā)送能力,圖5(a)無源傳輸線網(wǎng)絡(luò) 圖5(b)巴特勒天線陣,由無源傳輸線網(wǎng)絡(luò)(圖5(a)所示）和天線陣,（如圖5(b)所示）組成的巴特勒天線陣具有一,種特殊的結(jié)構(gòu)，可以使各陣

12、元間的載波信號,具有固定的相位差，可同時用于同頻2個獨立多,波束的定向發(fā)送。,圖7中給出4陣元巴特勒天線陣的結(jié)構(gòu)，下,部的標記1、2、3、4用作已調(diào)載波信號的,輸入、輸出端。,由它的陣列結(jié)構(gòu)導(dǎo)得4陣元巴特勒天線陣對應(yīng)于各路輸入輸出信號時、各陣元載波的相位，此,時假定各路輸入,輸出信號,的載波同頻且相位相等，,見表1。表中還給出陣元間的相位差和波束方向。,陣元1,陣元2,陣元3,陣元4,波束方向,陣元間,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

13、,45,-180,-45,41.4,135,表1 4陣元巴特勒陣的陣元相位、陣元間相位差和波束方向,考慮將該巴特勒陣用于固定方向的發(fā)信,時，從表1中可以發(fā)現(xiàn)：,1、就端口1和3對應(yīng)的 和 這兩個輸入,信號而言，設(shè) 和 載波信號同頻同相時，,則兩路信號經(jīng)巴特勒天線陣傳輸網(wǎng)絡(luò)后到達各,陣元的2路信號載波正交，因此該天線陣可以同,時發(fā)出2路同頻信號、兩個固定方向的獨立波,束，它們的波束賦形結(jié)果類似于圖2(a)。就,和 信號的發(fā)信而言，具有相同的結(jié)論。,2、這兩對信號不能同時使用，并且必,須配對使用。若取 和 同時發(fā)信時，則無,法形成定向發(fā)送波束，因為此時到達各陣元的2,路載波信號不是正交的，天線陣的

14、發(fā)信方向?qū)?由2路信號迭加后的載波相位決定。,因此有些資料稱“各個端口權(quán)向量相互正交”,的說法不成立；事實上，它們只在配對間的端,口成立。而該資料中稱“固定波束形成矩陣是,雙向的，”這種說法也是不對的。,圖6 8陣元巴特勒天線陣的結(jié)構(gòu),圖6給出8陣元巴特勒天線陣的結(jié)構(gòu)，根據(jù)該結(jié)構(gòu)，表2（下頁）列出相關(guān)參數(shù)，從表中可以發(fā)現(xiàn)它同時只能用于同載波2路固定方向的獨立波束發(fā)信，例如端口1和端口2的信號經(jīng)無源傳輸網(wǎng)絡(luò)后在各天線陣元滿足正交要求，可以形成空分多址作用。,陣元1,陣元2,陣元3,陣元4,陣元5,陣元6,陣元7,陣元8,端口1,0,-22.5,-45,-67.5,-90,-112.5,-135,

15、-157.5,端口2,-90,67.5,-135,22.5,-180,-22.5,-225,-67.5,端口3,-67.5,-180,67.5,-45,-157.5,-270,67.5,-135,端口4,-157.5,-90,-22.5,45,-247.5,-180,-22.5,-45,端口5,-45,-22.5,-180,-247.5,45,-22.5,-90,-157.5,端口6,-135,67.5,-270,-157.5,-45,67.5,-180,-67.5,端口7,-67.5,-225,-22.5,-180,22.5,-135,67.5,-90,端口8,-157.5,-135,-11

16、2.5,-90,-67.5,-45,-22.5,0,表2 8陣元巴特勒陣的陣元相位（單位為）,結(jié)束語,在偶極子天線陣同載波多用戶獨立波束的賦形問,題中一直存在許多模糊認識。首先應(yīng)清楚的一個概念,是在CDMA系統(tǒng)中多個用戶（多個碼道）使用同一載,波，只有在同一載波上實現(xiàn)多個獨立波束，才具有空,分多址作用；獨立波束的含義是每個波束上只載有一,個碼道的信號。相對應(yīng)的情況則是多個碼道的信號在,波束賦形圖中的主瓣和旁瓣上同時存在，這種情況則,不能形成空分多址作用，也不能隔離碼道間的干擾。,相反，由于主瓣方向確定，則多數(shù)用戶不能收到較強,的信號，會帶來更壞的效果。,結(jié)束語,從上面的論證可以看出，用一副SA是不可,能同時實現(xiàn)一個載波上多個CDMA碼道的自適,應(yīng)定向發(fā)射的，此處自適應(yīng)的含義是跟蹤MS方,位的定向發(fā)射。使用巴特勒天線陣時可以實現(xiàn),同載波2個固定方向用戶的定向發(fā)送，但無法做,到跟蹤各個用戶方位的定向發(fā)送。,根據(jù)本文的結(jié)論，可以判定TD-SCDMA標,準和大唐移動通信設(shè)備公司SA發(fā)信波束形成方,案的不合理性。,