智能天线系统中空间分域虚拟阵列的DOA估计算法研究

维普资讯 http://www.cqvip.com ｎｆｏｒ　ｌａｔｉｏｎ＆ｅ　　奠　冀　能　中空间分域　ｏＡ估计算法研究　●丁朴／兰州交通大学电信工程学院（兰州・７３００３０）　摘要：在即将商用的３Ｇ移动通信系统中，智能天线技　图１所示。该阵列是位于ｘ轴上阵元间距为ｄ　的Ｍ个阵元　术成为研究的热点．本文是以智能天线技术中ＤＯＡ估计　构成的均匀线阵。　为基础，研究一种可提高估计能力的虚拟阵列ＤｏＡ估计　算法。介绍了虚拟阵列变换技术，根据智能天线系统的　特点．采用空问分域的子阵思想．结合虚拟阵列变换技　～　术．实现空间分域的虚拟阵列ＤｏＡ估计。　关键词：智能天线；Ｄ０Ａ估计；空间分域：虚拟阵列　０　１　２　・・　Ｍ—ｌ　中图分类号：ＴＮ８２ｌ　文献标识码：Ａ　图ｌ阵列结构模型　文章编号：ｌ　６７３—１　ｌ　３　ｌ（２００７）０６—０２８—０３　假设有Ｄ个已知波长为　的窄带信号源以ＤｏＡ｛ａ　，ａ　ａ。的平面波入射到阵列上，则各阵元线阵上的观测信　在智能天线系统中，单个全向天线无法分辨空间信号　号为：　的波达方向估计（ＤＯＡ），因此在通常的一维角ＤＯＡ估　计算法中，　个天线只能估计个ＤｏＡ。而因为在复杂的　）＝　Ｄ（＝１　　）ｅｘｐ［－ｊ－￣（ｉ－１）ｄｘｃｏｓａ￣Ｊ　（ｆ）｜（ｆ　－，　（１）　通信环境中，用户数量很大，而且同一用户会有很多的　其中Ｓ　（ｔ）为参考阵元ｘ，上接收的第ｋ个信号；ｎ　（ｔ）代　多径信号，这就要求增加天线阵列的阵元数，但阵元数　表均值为零，方差为　的加性高斯白噪声。假设ｓ　（ｔ）之　的增加不仅成本会急剧上升，而且会给系统带来很大的　问互不相关，各阵元问的噪声ｎ　（ｔ）与Ｓ　（ｔ）之问互不相关。　复杂度。这在今天成为智能天线发展的一个重要障碍。　１．２虚拟阵列变换方法　一、虚拟阵￣ＩＪＤＯＡ估计　■叶　－－二＿　Ｉｒ一１　＿Ｉ●　Ｉｆ｛　１．１阵列信号模型　Ｄ０Ａ估计的基本原理是利用信号源入射到各阵元之　斗～一ｆ一　－－－：　一Ｊ　间的相位差来获得信源的Ｄ０Ａ估计信息，其阵列结构如　图２虚拟阵列变换示意图　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｆ　ｓｐａｃｅ　ｄｏｍａｉｎ　ｖｉｒｔｕａｌ　ａｒｒａｙ　ＤｏＡ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ　一　●　　Ｉ１ｎ　Ｓｍａｒｔ　ａｎｔｅｎｎａ　ｓＶｓｔｅｍ　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｔｈｅ　３Ｇ　ｍｏｂｉｌｅ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅ　ｓｍａｒｔ　ａｎｔｅｎｎａ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｉｓ　ａ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｆｏｃｕｓ，ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｉｓ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｄ０Ａ　ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｓｍａｒｔ　ａｎｔｅｎｎａ．ｒｅｓｅａｒｃｈ　ａ　ｖｉｒｔｕａｌ　ａｒｒａｙ　Ｄ０Ａ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ　ｗｈｉｃｈ　ｗｉｌｌ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ　ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ．Ｆｉｒｓｔ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｉｎｇ　ｔｈｅ　ｖｉｒｔｕａｌ　ａｒｒａｙ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｔｈｅｎ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ　ｏｆ　ｓｍａｒｔ　ａｎｔｅｎｎａ，ｕｓｉｎｇ　ｓｐａｃｅ　ｄｏｍａｉｎ　ａｒｒａｙ　ｅｌｅｍｅｎｔｓ　ｍｅｔｈｏｄ，ｃｏｍｂｉｎｅ　ｔｈｅ　ｖｉｒｔｕａｌ　ａｒｒａｙ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｒｅａｌｉｚｅ　ｖｉｒｔｕａｌ　ａｒｒａｙ　Ｄ０Ａ　ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｓｐａｃｅ　ｄｏｍａｉｎ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｍｅｔｈｏｄ　ｃａｎ　ｅｓｔｉｍａｔｅ　ｓｉｇｎａｌ　ｗｈｉｃｈ　ｉｓ　ｍｏｒｅ　ｔｈｅｎ　ａｒｒａｙ　ｅｌｅｍｅｎｔｓ　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｓｍａｒｔ　Ａｎｔｅｎｎａ；Ｄ０Ａ　Ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ：ｓｐａｃｅ　ｄｏｍａｉｎ：Ｖｉｒｔｕａｌ　ａｒｒａｙ　２８　－Ｆ朴／，智能天线系统中空间　域虚拟阵列的ＤＯＡ估计算法研窜　际火线维普资讯 http://www.cqvip.com 维普资讯 http://www.cqvip.com ＆ｅ。　…　∽一　换区间外，会给估计带来很大的偏差，整个算法不再适　８０。，９０。，１００。，１１０。）入射，信噪比为１０ｄＢ，变换后　用。而在移动通信的通信环境中，用户的ＤｏＡ是随机分　子阵间距为０．３５个波长，变换后的子阵个数为１０。ＤＯＡ　布的，所以如果采用空域预滤波虚拟阵列变换方法则可　估计结果如图５所示。从图中可以看出，对于位于变换区　以消除由此带来的问题。　域外的干扰已经滤掉了，获得了很好的分辨率。　二、空域预滤波虚拟阵列变换的思想　四、结论　空域预滤波虚拟阵列变换的思想如图４所示。利用线　空域预滤波虚拟阵列变换方法首先将整个空间分为　性阵列的特性，将天线阵列分为几个子阵，如阵元个数　几个区间，然后将阵列分为几个子阵，对每一个区间用　为Ｍ，构成子阵的阵元数为Ｐ，则第一个子阵由阵元（１，　遗传算法综合出用于空域滤波的权值赋给各个子阵，这　２…，，Ｐ），第二个子阵为（２，３，…，Ｐ，Ｐ＋１），依次下　样首先从空间将入射信号分开，此时期望区间外的信号　去最后一个子阵为（Ｍ—Ｐ＋１。…，Ｍ）。在进行虚拟阵列　就被滤掉了。最后对该区间用虚拟阵列变换方法进行　变换之前将整个区间分为几个子区间作为不同的变换区　ＤＯＡ估计。该方法一方面去掉干扰使得虚拟阵列变换技　域，对应于不同的变换区域，采用不同的一组固定权赋　术的估计更加精确．同时让每次需要估计的信号数降　给每一个子阵，该组权由遗传算法综合得到，这样可以　低，缩小了谱峰搜索的区间，使算法计算量减小。该算　滤掉变换区域以外的信号。这样做可以根据实际需要进　法可以估计超过阵元数的信号。　行调整，让变换区域变小，改善变换精度。　参考文献　［１】Ｊｏｓｅｐｈ　Ｃ．Ｌｉｂｅｒｔｉ，Ｔｈｅｏｄｏｒｅ　Ｓ．Ｒａｐｐａｐｏ￣，马　凉等译．无线通信中的智能天线：Ｉｓ－９５￣ｕ第３代ｃＤＭＡ　应用．机械工业出版社．２００２　［３】张贤达．信号处理中的线性代数．科学出版社，　１９９７　［４】　金梁，殷勤业．Ｉ￣ＤＯＡ矩阵方法．电子学报，　２０００．６　图４空域预滤波虚拟阵列变换的系统结构　［５】　谢显中．ＴＤ－－ＳＣＤＭＡ第三代移动通信系统技术　与实现．　电子工业出版社，２００４　三、仿真结果　采用如图１所示的阵列，阵元间距为０　７个波长，阵　作者简介　元数为１０，子阵阵元数为６，子阵个数为５，期望的变换　丁朴，１９６３年６月出生，工学　区域为（７０。，１１０。），５个入射信号分别以角度为（７Ｏ。，　硕士，１　９９２年毕业于北京交通大学　通信与电子系统专业，现任中国铁　宅域预滤波ＤＯＡ估计　通甘肃分公司副总经理。参加工作　以来，多年从事通信维护和经营管　理工作，负责铁通甘肃分公司交换　网、城域网、计费网、传输网、ＩＰ网　的规划和建设。　ＤＯＡ（度）　图５采用空域滤波虚拟阵￣；Ｉ｜ＤＯＡ估计结果　３０囊　垂　睁　于＿ｌ补／，智　嗨系统中釜向分域矗卿阵萝　的ｌ９。ｌ　计算法研皋