不采用自适应算法的智能天线系统

考虑迭代过程，为系统最终稳态结果.

图4　-10dB、-20dB等旁瓣针状波束方向图

本文仿真均假设CDMA系统具有理想的功率控制，系统的扩频系数为128，无话音激励.小区内除用户外无其它干扰，无邻近小区干扰，无多径干扰.系统的门限值Eb/N=6dB.根据上述假设一个采用全向天线的基站可支持的最大用户数为32.

图 5给出了一个门限值为6dB的32用户CDMA系统中，在基站引入四种不同智能天线后，系统Eb/N的累积概率分布.图5中每条曲线都是10000 次随机用户分布的统计结果.由图5可以看出，采用智能天线以后，系统的Eb/N得到了显著的提高.这表明，在不增加用户数目的条件下，采用智能天线可以减少系统所需信号功率、增加基站覆盖面积。当出界概率为0.01时，采用自适应方向图、-10dB等旁瓣针状波束方向图、-15dB等旁瓣针状波束方向图、 -20dB等旁瓣针状波束方向图的四种智能天线系统，分别比采用全向天线的系统提高5.25dB、4.75dB、5.05dB、4.45dB.

图5　32用户时四种智能天线系统的累积概率分布

图 6分别给出了利用四种智能天线扩容的系统，在不同用户数时系统Eb/N低于门限值 (6dB)的出界概率分布.图6曲线中每一个点都是10000次随机用户分布的统计结果.在0.01的出界概率下，采用自适应方向图、-10dB等旁瓣针状波束方向图、-15dB等旁瓣针状波束方向图、-20dB等旁瓣针状波束方向图的四种智能天线系统的扩容能力分别为采用全向天线系统的6.81、 4.81、6.62、5.66倍.

图6　四种智能天线扩容时的出界概率

图 7给出了一个8单元等旁瓣针状波束方向图智能天线，当Eb/N＜6的出界概率取0.01时，采用不同旁瓣电平方向图的智能天线系统所能支持的用户数曲线. 图中虚线为自适应智能天线所能支持的用户数：218.由图7可见，当旁瓣电平为-20dB时，系统可以支持的用户数为181.随着针状波束方向图旁瓣电平的升高，系统容量增加，当旁瓣电平为-15dB时，系统可以支持的用户数达到最大值：213，仅比采用自适应智能天线的系统少5个.当旁瓣电平超过 -15dB以后，系统容量将随着针状波束方向图旁瓣电平的升高而减小，当旁瓣电平为-10dB时，系统可以支持的用户数为 153.

图7　智能天线扩容用户数比方向图旁瓣电平

从图6、图7还可以发现，采用-15dB等旁瓣方向图的智能天线系统和采用自适应智能天线有着近似的扩容能力.为了解释这一现象，在图8中给出了当所需信号来向为180度，其它200个干扰用户随机分布时，自适应算法得出的方向图.由图8可知，在干扰数目远大于阵列单元数时，自适应算法得到的方向图(图8) 和-15等旁瓣方向图(图3)具有相似的主瓣宽度及旁瓣电平.这一现象可以用自适应算法的原理来解释，当干扰数目少于阵列单元数时，自适应算法可以产生凹点将干扰完全抑制掉.当干扰数目远大于阵列单元数时，因为干扰已遍布于圆周各方向，此时自适应算法已无法通过形成凹点来进行干扰抑制，它只能通过形成较低的旁瓣电平来抑制干扰.这一结论很重要，这表明在利用智能天线扩容时，可能无需采用自适应算法，只需要选取合适的等旁瓣方向图就可以达到与自适应算法近似的扩容能力.

图8　用户数为200的自适应方向图

图 6、图7中还可以看到，采用-15dB方向图和-10dB、-20dB方向图的智能天线系统性能相差很多，这表明选取不同的等旁瓣方向图，会显著影响智能天线的扩容能力.比较图3、图4中的三种等旁瓣方向图，可以看到当阵列结构一定时，旁瓣电平与主瓣宽度成反比.-10dB反向图虽然具有较窄的主瓣，但是它的旁瓣较高，系统性能下降；-20dB方向图虽然具有较低的旁瓣，但由于它的主瓣宽度较宽，系统性能也同样下降.所以在实际应用中无需追求过窄的主瓣或过低的旁瓣，应选取与自适应算法所得方向图具有相似主瓣宽度、旁瓣电平的等旁瓣方向图，此时针状波束智能天线的性能接近最佳.

四、结论

本文研究了采用自适应方向图、等旁瓣针状波束方向图的两种不同智能天线系统.给出了这两类智能天线对现有CDMA系统的扩容能力的模拟结果.模拟结果表明，在利用智能天线扩容时，可能无需采用自适应算法，只需要选取合适的等旁瓣方向图就可以达到与自适应算法近似的扩容能力.模拟结果还表明选取不同的等旁瓣方向图，会显著影响智能天线的扩容能力.所以在实际应用中应选取与自适应算法所得方向图具有相似主瓣宽度、旁瓣电平的等旁瓣方向图，使智能天线的性能接近最佳.