Smart antenna systems for non-coherent source groups containing coherent signals

Abstract

Bu çalışma, uyumlu sinyaller içeren bilinmeyen uyumlu olmayan kaynak grupları için akıllı anten sistemlerini sunmaktadır. Geliş yönü probleminin tüm parametreleri (her sinyal grubunun frekansını içeren) uyumlu sinyallerden oluşan bilinmeyen uyumlu olmayan kaynak grupları varlığında ayıklanması amaçlanmıştır. Sönümleme analizinde kullanılan anten elemanları izotropiktir, doğrusal ve düzgün dağılımlıdır ve sinyalin tüm parametreleri her uyumlu olmayan gruptaki uyumlu sinyal sayısı dışında bilinmiyor varsayılmıştır.İstenilen parametreleri (uyumlu olmayan grup sayısı, geliş açısı, zayıflama katsayıları, frekanslar) elde etmek için dört aşamalı yaklaşım izlenmiştir. İlk olarak, uyumlu olmayan sinyal gruplarının sayısı minimum tanımlama uzunluğu ile belirlenmiştir. Sonra, öz ortak yaklaşık köşegenleştirme algoritması kullanılarak etkili yönelimvektörleri kestirilmiştir. Üçüncü aşamada ise bu yönelim vektörleri; modifiye edilmiş ileri geri lineer tahmin (MFBLP), rotasyonel değişmezlik tekniği ile sinyal parametrelerinin kestirimi (ESPRIT), çoklu sinyal sınıflandırma (MUSIC), temel çoklu sinyal sınıflandırma (root-MUSIC) ve minimum norm (Min-norm) algoritmaları gibi bazı yüksek çözünürlükte DOA metodları kullanılarak açı ve her uyumlu sinyalin zayıflama katsayısının hesaplama işlemi gerçekleştirilmiştir. Ardından her gruba frekans atamak için frekans eşleştirme yapılmıştır. Her metod kullanılarak DOA'lar için ortalama hata kareleri toplamı kökü (RMSE) ve zayıflama katsayıları için bağıl RMSE değerleri farklı senaryolarda hesaplandı ve karşılaştırma yapıldı. Tüm metodlar sinyali doğru çözümlemesine rağmen simülasyon sonuçları JADE tabanlı MFBLP yönetmin en iyi performansa sahip olduğunu gösterdi.Jade-MFBLP'den elde edilen DOA'lar, radyasyon paterninin ana lobunu istenilen açıya yönlendirmek için ve istenmeyen açılarda sıfıra denk gelmesi içindik iniş, en küçük karesel ortalama (LMS) ve normalize LMS adaptif hüzme şekillendirme algoritmaları kullanılarak işleme konuldu. Simülasyon sonuçları, adaptif hüzme şekillendirici yönteminin istenmeyen sinyal etkilerini yok etmede başarılı olduğunu gösterdi. Son olarak, tüm istenmeyen sinyallerin istenen sinyale göre faz dışında kalması en kötü durum olarak kabul edildi ve bu durumda sinyaldeki düşüş dB cinsinden incelendi. Simülasyon sonuçları, güçlü zayıflama katsayılı zorlu çevre şartlarına rağmen, algoritmaların adaptif olarak başarılı hüzme yapabildiğini gösterdi. Örneğin M=12 ve M=500 enstantenesinde LMS, NLMS ve dik iniş algoritmaları ile alınan güç azalma sonuçları sırasıyla 1.04 dB, 2.86dB ve 5.80dB olduğu gözlemlendi.

This study presents smart antenna systems for unknown non-coherent source groups containing coherent signals. All parameters (including the frequency of each signal group) of direction-of-arrival (DOA) problem are aimed to be extracted in the presence of unknown noncoherent source groups, which are consisting of coherent signals. The antenna elements used in the fading analysis and application are isotropic, linear and uniformly distributed, and all parameters of the complete signal are assumed to be unknown except the number of coherent signal in each noncoherent group. To obtain the desired parameters (number of noncoherent groups, arrival angles, fading coefficients, frequencies), a four-step approach are followed. First, the number of noncoherent signal groups is determined by the minimum description length (MDL). Then, effective steering vectors are estimated using the joint approximate diagonalization of eigenmatrices (JADE) algorithm. In the third step, by using these steering vectors some popular high-resolution DOA methods such as the modified forward backward linear prediction (MFBLP), estimation of signal parameters via rotational invariance techniques (ESPRIT), multiple signal classification (MUSIC), and Minimum-norm (Min-norm) algorithms are realized to calculate the arrival angle and fading coefficient of each coherent signal. Afterwards, a frequency matching is realized to assign the possible frequency to each group.Root mean square error (RMSE) values for DOAs and fading coefficients are computed in a very challenging case having extreme fading coefficients for all the methods used and the corresponding results are compared for different scenarios such as different SNR, different number of antenna elements and snapshots. Although all the methods resolved the signals correctly, simulation results show that JADE based MFBLP has the superior performance.The DOAs obtained from the JADE-MFBLP are then processed using steepest descent, least mean square (LMS) and normalized LMS adaptive beamforming algorithms to steer the main lobe of the radiation pattern to desired angles (signals) and the nulls to undesired angles (signals). The simulation results also reveal that adaptive beamforming is successfully done by cancelling the effects of undesired signals significantly. Finally, the reduction of power in dB for the worst case where all undesired signals are out of phase to the desired signal is investigated. The simulation results present that in spite of challenging environment with strong fading coefficients, the algorithms are able to make a successful beamform adaptively such that the power reduction is observed as 5.80 dB, 1.04dB and 2.86 dB at most for SD, LMS and NLMS respectively.