基于波束形成技術(shù)的集中器設計

摘要：針對無線遠程抄表系統(tǒng)的集中器在居民小區(qū)匯聚采集器上傳數(shù)據(jù)時面對擁擠復雜的現(xiàn)實環(huán)境頻譜發(fā)生信號微弱、中斷甚至丟失的問題，文章分析了信號中斷及丟失的原因，并基于自適應波束形成技術(shù)提出了一種基于波束形成技術(shù)的集中器設計方法，通過利用波束形成技術(shù)來提高集中器的通信質(zhì)量及覆蓋范圍，保證復雜環(huán)境下集中器的正常通信。

關鍵詞：智能電網(wǎng)；無線遠抄；集中器；自適應波束形成；抄表系統(tǒng) 文獻標識碼：A

中圖分類號：TN974 文章編號：1009-2374（2016）34-0008-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.34.004

隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，當前絕大多數(shù)居民小區(qū)內(nèi)都被基站信號、Wi-Fi、廣播信號以及工業(yè)科學醫(yī)用ISM頻段所覆蓋，受現(xiàn)實環(huán)境頻譜資源擁擠復雜情況的影響，當前的無線遠程抄表系統(tǒng)面臨著工作范圍重疊的城區(qū)內(nèi)基站干擾、高樓林立的建筑物阻擋、工作范圍距離有限等許多問題。這些問題已經(jīng)影響到了無線遠程抄表系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，甚至使得人工抄表方式不得不再次出現(xiàn)，浪費大量資源。現(xiàn)存解決方法主要是增加中繼器，通過中繼采集器的信號來增大集中器工作范圍，加強信號傳輸功率。該方法的缺點是，需要在小區(qū)內(nèi)尋找合適的地點安裝中繼器，某些小區(qū)難以找到合適的地點，同時在城郊及偏遠農(nóng)村很難架設中繼器。如何高效地降低集中器所受干擾，并保證其工作覆蓋范圍，已經(jīng)成為一個亟需解決的問題。

1 基于波束形成技術(shù)的集中器設計

1.1 自適應波束形成技術(shù)

近些年伴隨著移動通信技術(shù)的突飛猛進以及電波傳播、天線技術(shù)等方面研究的深入，自適應天線技術(shù)逐漸成為移動通信領域的研究焦點，具有能夠高效解決頻率資源緊缺、降低通信干擾、提高系統(tǒng)容量與通信質(zhì)量的優(yōu)勢。相比較傳統(tǒng)的時分復用（TDMA）、頻分復用（FDMA）或碼分復用（CDMA）技術(shù)，自適應天線采用空間維度的空分多址（SDMA）技術(shù)，當信號的時隙、頻率及編碼方式都相同時，空分多址技術(shù)可以使信號以不同的路徑傳播來避免干擾，因此自適應天線技術(shù)越來越多地被應用于復雜頻譜環(huán)境下的無線通信中。

自適應波束形成天線系統(tǒng)由天線陣列及饋電網(wǎng)絡、射頻收發(fā)信機以及先進的數(shù)字波束形成及控制算法構(gòu)成。其基本原理可以概括為：通過調(diào)節(jié)天線陣列各個陣元上信號的幅度及相位的加權(quán)值，來控制調(diào)整天線陣列的方向圖，實現(xiàn)對干擾信號的抑制及目標信號的加強，從而提高目標信號的信干噪比，同時可以節(jié)省天線發(fā)射功率，延長電池使用壽命。

傳統(tǒng)的波束形成算法需要進行復雜的數(shù)字信號處理算法來提取信號源的位置信息，而在一個居民區(qū)中集中器與采集器的相對位置固定，只需在初次進行計算或手工錄入即可獲得位置信息，能夠大大減小算法復雜度，降低硬件成本，因此更適合將其應用在無線遠程抄表系統(tǒng)中。

1.2 集中器抄表鏈路的波束形成設計

針對集中器到采集器間的抄表鏈路，在集中器的接收端，通過空間選擇性分集可大大提高自適應天線的接收靈敏度，降低安裝在不同位置利用相同信道傳信的采集器的干擾，從而有效合并多徑分量，抵消多徑衰落，提高上行容量；同時調(diào)整天線陣列的權(quán)值將波束的零陷對準干擾信號，可以實現(xiàn)對目標信號的高效接收。

數(shù)據(jù)模型為：集中器抄表模塊的天線為由個各項同性的陣元組成的均勻線陣，陣元間距為。假設集中器工作范圍之內(nèi)有（）個采集器，各自發(fā)射的信號分別以的波達方向入射到天線陣列，集中器同一時刻收集一個采集器的信號，則該采集器的信號為期望信號，其余波達方向為的采集器及基站為個干擾源。

以第一個陣元為參考點，則天線陣列的接收信號模型為：

（1）

式中：，表示第個陣元在時刻的接收數(shù)據(jù)，表示矩陣或向量的轉(zhuǎn)置；、、分別是統(tǒng)計獨立的期望信號向量、干擾信號向量與天線陣列上的高斯白噪聲向量；期望信號向量，其中是天線陣列對來自方向信號的響應向量，為期望信號的復包絡；為干擾信號向量；噪聲向量，表示第個陣元在時刻的噪聲數(shù)據(jù)，其中。

天線陣列輸出到集中器核心處理單元的波束為：

（2）

式中：是陣列輸出的加權(quán)向量；表示復向量或復向量的共軛轉(zhuǎn)置。

波束采用最小方差無畸變響應波束形成器（MVDR），使得噪聲以及來自非方向的干擾功率最小，同時保證期望方向的信號功率不變，可以表達成如下數(shù)學優(yōu)化問題：

（3）

式中：為天線陣列接收信號協(xié)方差矩陣；表示數(shù)學期望。

前期研究中給出了式（3）的最優(yōu)權(quán)向量為：

式中：表示矩陣的逆。

式（3）的松弛半定規(guī)劃形式為：

（4）

考慮到小區(qū)內(nèi)電磁環(huán)境復雜多變，干擾及噪聲信號存在抖動情況，給出了干擾源抖動情況的約束條件，假設第個干擾源的干擾抖動角度范圍為。令近似表示干擾區(qū)域，采用以下約束條件：

可以將式（4）改寫為：

（5）

優(yōu)化問題可以通過CVX軟件進行求解。

1.3 集中器發(fā)射天線的波束形成設計

在集中器的發(fā)送端，對應集中器到基站的上行鏈路，自適應天線根據(jù)已知的采集器以及基站的位置信息，調(diào)整天線陣列的權(quán)值從而有效地生成波束賦形，將波束的主瓣對基站，將波束零陷以及副瓣對準小區(qū)內(nèi)的移動終端，這樣不僅保證了上行鏈路的通信容量，同時也減少了對其他GPRS用戶的共道干擾。

2 仿真實驗

由于集中器到采集器間的抄表鏈路工作頻率為414.57～445.904MHz，在以下仿真實驗中，接收天線陣列均假設為等距線性陣列，天線陣列由10根0.4m長的等向同性的天線單元構(gòu)成，陣元間距為半波長0.35m。

首先考慮集中器到采集器間的抄表鏈路精確已知的情況，假設集中器工作范圍內(nèi)共有A、B、C、D四個采集器及一個基站，且某一時刻集中器正在匯聚采集器A的信號，則采集器A的信號為期望信號，入射方向角為；采集器B、C、D以及基站信號為干擾信號，入射方向角為。期望信號以及干擾信號的信噪比為5、10、10、10和15dB，快拍數(shù)為512次。圖1給出了精確已知信道響應條件下的波束模式：

然后考慮集中器到采集器間的抄表鏈路存在干擾抖動的情況，假設期望信號的入射方向角為，干擾源基站信號的入射方向角為，信噪比分別為5和10dB，快拍數(shù)為512。假設干擾源的抖動范圍為，零陷水平因子。圖2給出了干擾抖動下的波束模式，從仿真圖中可以看出，在整個干擾源角度抖動范圍內(nèi)，都形成了低于

-30dB的深零陷，從而有效地抑制了對基站信號的干擾。

在集中器收發(fā)端采取自適應天線的優(yōu)點可以歸納為：（1）在不增加天線發(fā)射功率的前提下，自適應天線可以通過提高集中器接收天線的信干噪比而增加集中器的覆蓋范圍；（2）自適應天線通過調(diào)整接收天線的權(quán)值方向圖來填補空白，提高穿透障礙物的能力；（3）居民小區(qū)內(nèi)的通信環(huán)境復雜，接收端接收到的電波往往經(jīng)過反射、折射、散射等多種途徑才能到達，這樣會形成信號的多徑衰落，通過采用自適應天線來控制接收天線方向圖，天線自適應地在用戶方向形成波束，并對接收信號進行自適應加權(quán)處理，使有用接收信號的增益最大，延遲波方向的增益最小，減小信號衰落的影響；（4）借助有用信號和干擾信號在入射角度上的差異，選擇恰當?shù)募訖?quán)參數(shù)，形成正確的天線接收模式，即將主瓣對準有用信號，零陷和低增益副瓣對準主要的干擾信號，從而更有效地抑制干擾。

3 結(jié)語

將自適應波束形成技術(shù)運用在無線遠程抄表系統(tǒng)中，通過調(diào)整天線陣列中各陣元的權(quán)值來改變天線方向圖，能夠增強集中器上下行鏈路的通信質(zhì)量，并增加其覆蓋范圍，有效地解決了當前居民小區(qū)無線抄表系統(tǒng)中，集中器所面臨的信號微弱、中斷甚至丟失的問題。

參考文獻

[1] 劉良榮.智能抄表系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[D].電子科技大學，2013.

[2] 李漢成.智能GPRS無線遠程抄表與控制系統(tǒng)[J].電子世界，2014，（22）.

[3] K.Cho，K.Takatori，and Y.Komiya.Novel smart antennas for applying SDMA to cellular mobile communication systems[J].Antennas and Propagation Society International Symposium，2002，（4）.

[4] 崔炎，呂善偉.空分多址技術(shù)在GSM系統(tǒng)中的應用分析[J].北京航空航天大學學報，2003，29（2）.

作者簡介：董源（1989-），男，河南南陽人，國網(wǎng)河南省電力公司平頂山供電公司工程師，碩士，研究方向：智能電網(wǎng)、電力通信、光纖通信。

（責任編輯：黃銀芳）