[论文解读] Smart Antenna for Cellular Mobile Communication

Rishabh Jain, Sumit Katiyar+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 9, 2012

Wireless Communication Networks Research参考文献 12被引用 20

一句话总结

本文提出将智能波束成形天线（SAs）应用于蜂窝移动通信系统，以提升频谱效率、降低同频干扰并改善服务质量。通过自适应调整波束成形权重，SAs可对干扰源形成零点，并利用波达方向（DOA）估计算法跟踪用户，显著减少掉话率，同时可无缝集成至OFDMA与认知无线电系统中。

ABSTRACT

The adoption of smart / adaptive antenna techniques in future wireless systems is expected to have a significant impact on the efficient use of the spectrum, the minimization of the cost of establishing new wireless networks, the optimization of service quality and realization of transparent operation across multi technology wireless networks [1]. This paper presents brief account on smart antenna (SA) system. SAs can place nulls in the direction of interferers via adaptive updating of weights linked to each antenna element. SAs thus cancel out most of the co-channel interference resulting in better quality of reception and lower dropped calls. SAs can also track the user within a cell via direction of arrival algorithms [2]. This paper explains the architecture, evolution and how the smart / adaptive antenna differs from the basic format of antenna. The paper further explains about the radiation pattern of the antenna and why it is highly preferred in its relative field. The capabilities of smart / adaptive antenna are easily employable to Cognitive Radio and OFDMA system.

研究动机与目标

• 分析智能波束成形天线在提升蜂窝移动网络频谱效率与降低干扰方面的作用。
• 研究自适应波束成形与零点波束成形如何提升信号质量并减少掉话率。
• 探讨智能波束成形天线与OFDMA及认知无线电系统集成的方案，以支持下一代无线网络。
• 比较智能波束成形天线与传统固定波束天线在波束图控制与用户跟踪能力方面的性能差异。

提出的方法

• 通过自适应更新天线阵元的加权系数，形成定向波束并针对干扰源形成零点。
• 采用波达方向（DOA）算法持续跟踪小区内移动用户的位置。
• 利用阵列信号处理技术，根据实时干扰与用户位置动态调整辐射图。
• 实施波束成形算法，以在接收端最大化信干噪比（SINR）。
• 设计与OFDMA及认知无线电系统兼容的智能波束成形天线架构，实现多技术互操作性。
• 通过多天线阵元实现空间分集，提升接收可靠性与系统容量。

实验结果

研究问题

• RQ1 在密集蜂窝网络中，智能波束成形天线如何降低同频干扰？
• RQ2 自适应波束成形对用户掉话率与信号质量有何影响？
• RQ3 智能波束成形天线利用DOA估计算法对移动用户进行跟踪的效率如何？
• RQ4 智能波束成形天线在OFDMA系统中如何提升频谱效率？
• RQ5 与传统固定波束天线相比，智能波束成形天线在架构与运行方面具有哪些优势？

主要发现

• 智能波束成形天线通过在干扰源方向形成零点，显著降低同频干扰，提升信号接收质量。
• 自适应波束成形可实现用户在小区内的动态跟踪，维持强信号链路，降低切换失败率。
• 与传统天线系统相比，该系统实现了更高的频谱效率与更低的掉话率。
• 智能波束成形天线与OFDMA及认知无线电系统高度兼容，支持高效频谱共享与多技术协同运行。
• 智能波束成形天线的辐射图可电子化实时波束成形与自适应调整，具备更优的波束指向性与干扰抑制能力。
• 所提出的架构支持在异构无线网络中透明运行，提升网络可扩展性与服务质量。