不采用自適應算法的智能天線系統分析

三、智能天線系統對照仿真結果
　　本節分別給出了采用自適應方向圖(Applebaum算法［11］)、-10dB等旁瓣針狀波束方向圖(如圖4虛線)、-15dB等旁瓣針狀波束方向圖(如圖3)、-20dB等旁瓣針狀波束方向圖(如圖4實線)的四種智能天線系統性能的仿真結果.仿真所用系統采用相鄰陣元間距為半波長的8元圓形陣列，假設陣列采用各向同性單元.仿真時對于自適應智能天線不考慮迭代過程，為系統最終穩態結果.

圖4　-10dB、-20dB等旁瓣針狀波束方向圖

　　本文仿真均假設CDMA系統具有理想的功率控制，系統的擴頻系數為128，無話音激勵.小區內除用戶外無其它干擾，無鄰近小區干擾，無多徑干擾.系統的門限值Eb/N=6dB.根據上述假設一個采用全向天線的基站可支持的最大用戶數為32.
　　圖5給出了一個門限值為6dB的32用戶CDMA系統中，在基站引入四種不同智能天線后，系統Eb/N的累積概率分布.圖5中每條曲線都是10000次隨機用戶分布的統計結果.由圖5可以看出，采用智能天線以后，系統的Eb/N得到了顯著的提高.這表明，在不增加用戶數目的條件下，采用智能天線可以減少系統所需信號功率、增加基站覆蓋面積。當出界概率為0.01時，采用自適應方向圖、-10dB等旁瓣針狀波束方向圖、-15dB等旁瓣針狀波束方向圖、-20dB等旁瓣針狀波束方向圖的四種智能天線系統，分別比采用全向天線的系統提高5.25dB、4.75dB、5.05dB、4.45dB.

圖5　32用戶時四種智能天線系統的累積概率分布

　　圖6分別給出了利用四種智能天線擴容的系統，在不同用戶數時系統Eb/N低于門限值(6dB)的出界概率分布.圖6曲線中每一個點都是10000次隨機用戶分布的統計結果.在0.01的出界概率下，采用自適應方向圖、-10dB等旁瓣針狀波束方向圖、-15dB等旁瓣針狀波束方向圖、-20dB等旁瓣針狀波束方向圖的四種智能天線系統的擴容能力分別為采用全向天線系統的6.81、4.81、6.62、5.66倍.

圖7給出了一個8單元等旁瓣針狀波束方向圖智能天線，當Eb/N＜6的出界概率取0.01時，采用不同旁瓣電平方向圖的智能天線系統所能支持的用戶數曲線.圖中虛線為自適應智能天線所能支持的用戶數：218.由圖7可見，當旁瓣電平為-20dB時，系統可以支持的用戶數為181.隨著針狀波束方向圖旁瓣電平的升高，系統容量增加，當旁瓣電平為-15dB時，系統可以支持的用戶數達到最大值：213，僅比采用自適應智能天線的系統少5個.當旁瓣電平超過-15dB以后，系統容量將隨著針狀波束方向圖旁瓣電平的升高而減小，當旁瓣電平為-10dB時，系統可以支持的用戶數為153.

　　圖7　智能天線擴容用戶數比方向圖旁瓣電平

　　從圖6、圖7還可以發現，采用-15dB等旁瓣方向圖的智能天線系統和采用自適應智能天線有著近似的擴容能力.為了解釋這一現象，在圖8中給出了當所需信號來向為180度，其它200個干擾用戶隨機分布時，自適應算法得出的方向圖.由圖8可知，在干擾數目遠大于陣列單元數時，自適應算法得到的方向圖(圖8)和-15等旁瓣方向圖(圖3)具有相似的主瓣寬度及旁瓣電平.這一現象可以用自適應算法的原理來解釋，當干擾數目少于陣列單元數時，自適應算法可以產生凹點將干擾完全抑制掉.當干擾數目遠大于陣列單元數時，因為干擾已遍布于圓周各方向，此時自適應算法已無法通過形成凹點來進行干擾抑制，它只能通過形成較低的旁瓣電平來抑制干擾.這一結論很重要，這表明在利用智能天線擴容時，可能無需采用自適應算法，只需要選取合適的等旁瓣方向圖就可以達到與自適應算法近似的擴容能力.

圖8　用戶數為200的自適應方向圖

　　圖6、圖7中還可以看到，采用-15dB方向圖和-10dB、-20dB方向圖的智能天線系統性能相差很多，這表明選取不同的等旁瓣方向圖，會顯著影響智能天線的擴容能力.比較圖3、圖4中的三種等旁瓣方向圖，可以看到當陣列結構一定時，旁瓣電平與主瓣寬度成反比.-10dB反向圖雖然具有較窄的主瓣，但是它的旁瓣較高，系統性能下降；-20dB方向圖雖然具有較低的旁瓣，但由于它的主瓣寬度較寬，系統性能也同樣下降.所以在實際應用中無需追求過窄的主瓣或過低的旁瓣，應選取與自適應算法所得方向圖具有相似主瓣寬度、旁瓣電平的等旁瓣方向圖，此時針狀波束智能天線的性能接近最佳.

四、結　　論
　　本文研究了采用自適應方向圖、等旁瓣針狀波束方向圖的兩種不同智能天線系統.給出了這兩類智能天線對現有CDMA系統的擴容能力的模擬結果.模擬結果表明，在利用智能天線擴容時，可能無需采用自適應算法，只需要選取合適的等旁瓣方向圖就可以達到與自適應算法近似的擴容能力.模擬結果還表明選取不同的等旁瓣方向圖，會顯著影響智能天線的擴容能力.所以在實際應用中應選取與自適應算法所得方向圖具有相似主瓣寬度、旁瓣電平的等旁瓣方向圖，使智能天線的性能接近最佳.