基于波束形成技术的集中器设计
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摘要：针对无线远程抄表系统的集中器在居民小区汇聚采集器上传数据时面对拥挤复杂的现实环境频谱发生信号微弱、中断甚至丢失的问题，文章分析了信号中断及丢失的原因，并基于自适应波束形成技术提出了一种基于波束形成技术的集中器设计方法，通过利用波束形成技术来提高集中器的通信质量及覆盖范围，保证复杂环境下集中器的正常通信。
关键词：智能电网；无线远抄；集中器；自适应波束形成；抄表系统 文献标识码：A
中图分类号：TN974 文章编号：1009-2374（2016）34-0008-02 DOI：10.13535/ki.11-4406/n.2016.34.004
随着无线通信技术的发展，当前绝大多数居民小区内都被基站信号、Wi-Fi、广播信号以及工业科学医用ISM频段所覆盖，受现实环境频谱资源拥挤复杂情况的影响，当前的无线远程抄表系统面临着工作范围重叠的城区内基站干扰、高楼林立的建筑物阻挡、工作范围距离有限等许多问题。这些问题已经影响到了无线远程抄表系统的稳定运行，甚至使得人工抄表方式不得不再次出现，浪费大量资源。现存解决方法主要是增加中继器，通过中继采集器的信号来增大集中器工作范围，加强信号传输功率。该方法的缺点是，需要在小区内寻找合适的地点安装中继器，某些小区难以找到合适的地点，同时在城郊及偏远农村很难架设中继器。如何高效地降低集中器所受干扰，并保证其工作覆盖范围，已经成为一个亟需解决的问题。
1 基于波束形成技术的集中器设计
1.1 自适应波束形成技术
近些年伴随着移动通信技术的突飞猛进以及电波传播、天线技术等方面研究的深入，自适应天线技术逐渐成为移动通信领域的研究焦点，具有能够高效解决频率资源紧缺、降低通信干扰、提高系统容量与通信质量的优势。相比较传统的时分复用（TDMA）、频分复用（FDMA）或码分复用（CDMA）技术，自适应天线采用空间维度的空分多址（SDMA）技术，当信号的时隙、频率及编码方式都相同时，空分多址技术可以使信号以不同的路径传播来避免干扰，因此自适应天线技术越来越多地被应用于复杂频谱环境下的无线通信中。
自适应波束形成天线系统由天线阵列及馈电网络、射频收发信机以及先进的数字波束形成及控制算法构成。其基本原理可以概括为：通过调节天线阵列各个阵元上信号的幅度及相位的加权值，来控制调整天线阵列的方向图，实现对干扰信号的抑制及目标信号的加强，从而提高目标信号的信干噪比，同时可以节省天线发射功率，延长电池使用寿命。
传统的波束形成算法需要进行复杂的数字信号处理算法来提取信号源的位置信息，而在一个居民区中集中器与采集器的相对位置固定，只需在初次进行计算或手工录入即可获得位置信息，能够大大减小算法复杂度，降低硬件成本，因此更适合将其应用在无线远程抄表系统中。
1.2 集中器抄表链路的波束形成设计
针对集中器到采集器间的抄表链路，在集中器的接收端，通过空间选择性分集可大大提高自适应天线的接收灵敏度，降低安装在不同位置利用相同信道传信的采集器的干扰，从而有效合并多径分量，抵消多径衰落，提高上行容量；同时调整天线阵列的权值将波束的零陷对准干扰信号，可以实现对目标信号的高效接收。
数据模型为：集中器抄表模块的天线为由个各项同性的阵元组成的均匀线阵，阵元间距为。假设集中器工作范围之内有（）个采集器，各自发射的信号分别以的波达方向入射到天线阵列，集中器同一时刻收集一个采集器的信号，则该采集器的信号为期望信号，其余波达方向为的采集器及基站为个干扰源。
以第一个阵元为参考点，则天线阵列的接收信号模型为：
（1）
式中：，表示第个阵元在时刻的接收数据，表示矩阵或向量的转置；、、分别是统计独立的期望信号向量、干扰信号向量与天线阵列上的高斯白噪声向量；期望信号向量，其中是天线阵列对来自方向信号的响应向量，为期望信号的复包络；为干扰信号向量；噪声向量，表示第个阵元在时刻的噪声数据，其中。
天线阵列输出到集中器核心处理单元的波束为：
（2）
式中：是阵列输出的加权向量；表示复向量或复向量的共轭转置。
波束采用最小方差无畸变响应波束形成器（MVDR），使得噪声以及来自非方向的干扰功率最小，同时保证期望方向的信号功率不变，可以表达成如下数学优化问题：
（3）
式中：为天线阵列接收信号协方差矩阵；表示数学期望。
前期研究中给出了式（3）的最优权向量为：
式中：表示矩阵的逆。
式（3）的松弛半定规划形式为：
（4）
考虑到小区内电磁环境复杂多变，干扰及噪声信号存在抖动情况，给出了干扰源抖动情况的约束条件，假设第个干扰源的干扰抖动角度范围为。令近似表示干扰区域，采用以下约束条件：
可以将式（4）改写为：
（5）
优化问题可以通过CVX软件进行求解。
1.3 集中器发射天线的波束形成设计
在集中器的发送端，对应集中器到基站的上行链路，自适应天线根据已知的采集器以及基站的位置信息，调整天线阵列的权值从而有效地生成波束赋形，将波束的主瓣对基站，将波束零陷以及副瓣对准小区内的移动终端，这样不仅保证了上行链路的通信容量，同时也减少了对其他GPRS用户的共道干扰。
2 仿真实验
由于集中器到采集器间的抄表链路工作频率为414.57～445.904MHz，在以下仿真实验中，接收天线阵列均假设为等距线性阵列，天线阵列由10根0.4m长的等向同性的天线单元构成，阵元间距为半波长0.35m。
首先考虑集中器到采集器间的抄表链路精确已知的情况，假设集中器工作范围内共有A、B、C、D四个采集器及一个基站，且某一时刻集中器正在汇聚采集器A的信号，则采集器A的信号为期望信号，入射方向角为；采集器B、C、D以及基站信号为干扰信号，入射方向角为。期望信号以及干扰信号的信噪比为5、10、10、10和15dB，快拍数为512次。图1给出了精确已知信道响应条件下的波束模式：
然后考虑集中器到采集器间的抄表链路存在干扰抖动的情况，假设期望信号的入射方向角为，干扰源基站信号的入射方向角为，信噪比分别为5和10dB，快拍数为512。假设干扰源的抖动范围为，零陷水平因子。图2给出了干扰抖动下的波束模式，从仿真图中可以看出，在整个干扰源角度抖动范围内，都形成了低于
-30dB的深零陷，从而有效地抑制了对基站信号的干扰。
在集中器收发端采取自适应天线的优点可以归纳为：（1）在不增加天线发射功率的前提下，自适应天线可以通过提高集中器接收天线的信干噪比而增加集中器的覆盖范围；（2）自适应天线通过调整接收天线的权值方向图来填补空白，提高穿透障碍物的能力；（3）居民小区内的通信环境复杂，接收端接收到的电波往往经过反射、折射、散射等多种途径才能到达，这样会形成信号的多径衰落，通过采用自适应天线来控制接收天线方向图，天线自适应地在用户方向形成波束，并对接收信号进行自适应加权处理，使有用接收信号的增益最大，延迟波方向的增益最小，减小信号衰落的影响；（4）借助有用信号和干扰信号在入射角度上的差异，选择恰当的加权参数，形成正确的天线接收模式，即将主瓣对准有用信号，零陷和低增益副瓣对准主要的干扰信号，从而更有效地抑制干扰。
3 结语
将自适应波束形成技术运用在无线远程抄表系统中，通过调整天线阵列中各阵元的权值来改变天线方向图，能够增强集中器上下行链路的通信质量，并增加其覆盖范围，有效地解决了当前居民小区无线抄表系统中，集中器所面临的信号微弱、中断甚至丢失的问题。
参考文献
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作者简介：董源（1989-），男，河南南阳人，国网河南省电力公司平顶山供电公司工程师，硕士，研究方向：智能电网、电力通信、光纤通信。