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太原理工大学硕士研究生学位论文 智能天线数字自适应波束形成器的研究 摘要 智能天线技术是第三代移动通信系统中的关键技术之一。智能天 线技术引入空分多址( s p a c ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，s d m a ) 方式， 利用信号不同的空间传输路径，将相同频率、相同时隙、相同地址码 的信号区分开来，并能够与其他多址技术相结合，使通信资源由时间 域、频率域和码域扩展到空间域，有效地增大了系统容量，最大限度 地利用有限的频谱资源。智能天线运用自适应波束形成算法，根据用 户的空域信息来产生空间定向波束，将波束的主瓣对准期望用户信号 的来波方向，旁瓣或零陷对准干扰信号的来波方向，达到充分利用期 望用户信号并抑制或删除干扰信号的目的。自适应算法通过迭代运算 获取用于波束形成的最优权值矢量时，是否具有较快的收敛速度和较 小的稳态误差成为决定波束形成性能的主要因素。因此，本文主要针 对智能天线中的波束形成算法进行研究，主要工作概括如下： 1 在智能天线原理结构的基础上，分析比较了多种波束形成准则 的性能，并分别将l m s 、r l s 、c m 自适应算法用于波束形成，对其 收敛速度以及形成的波束方向图的效果进行了比较。仿真结果表明 l m s 算法波束形成的性能最优，但仍存在收敛速度较慢的问题。 2 在此基础上，本文在传统的l m s 自适应算法中引入变步长和 太原理工大学硕士研究生学位论文 变换域的思想，采用改进的自适应算法用于波束形成。通过理论分析 及m a t l a b 仿真结果表明，与同类算法相比较，该算法具有较快的 收敛速度和较小的稳态误差。 3 对改进的自适应算法与传统的l m s 算法的波束形成性能进行 了比较。通过m a t l a b 仿真结果表明，改进的算法能够在更短的时 间内将波束的主瓣与零陷分别对准期望信号与干扰信号的方向。在相 同的迭代次数下，改进算法可以在干扰信号方向上形成更深的零陷， 对干扰信号的抑制能力更强。尤其是在噪声影响比较大的环境下，新 算法性能的优越性更为明显。 关键词：智能天线，自适应波束形成算法，变步长算法，变换域算法 太原理i + 人学硕十研究生学位论文 t h er e s e a r c ho nd i g i t a la d a p t i v eb e a m f o r m e ro fs m a r ta n t e n n a a b s t r a c t t h es m a r ta n t e n n ai so n eo ft h e k e yt e c h n o l o g i e so ft h et h i r d g e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，a n di ti n t r o d u c e st h ep a t t e r no f s p a c ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s st od i f f e r e n t i a t et h es i g n a l sw i t ht h es a m e f r e q u e n c y , t h es a m et i m es l o ta n dt h es a m ec o d eb yw h i c hh a v ed i f f e r e n t t r a n s m i s s i o np a t h s t h es m a r ta n t e n n ac a nb eu s e dw i t ho t h e rm u l t i p l e a c c e s st e c h n o l o g i e s ，s ot h er a n g eo fc o m m u n i c a t i o nr e s o u r c ee x t e n d sf r o m t i m e r e g i o n ，f r e q u e n c yr e g i o na n dc o d er e g i o nt os p a c er e g i o n t h e t e c h n o l o g yo fs m a r ta n t e n n ac a nr e m a r k a b l yi n c r e a s et h ec a p a c i t yo f c o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，a n dl i m i t e df r e q u e n c ys p e c t r u mr e s o u r c ew i l lb e u t i l i z e ds u f f i c i e n t l y a d a p t i v ea l g o r i t h m sf o rb e a mf o r m i n ga r eu s e dt o p r o d u c es p a t i a la n dd i r e c t i o n a lb e a mi ns m a r ta n t e n n a t h e nt h em a i n b e a ma i m sa tt h ec o m i n gd i r e c t i o no fd e s i r e du s e ra n dt h es i d el o b eo rn u l l p o i n t st ot h ec o m i n gd i r e c t i o no fi n t e r f e r e n c eu s e r , w h i c hi sb a s e do nt h e s p a t i a li n f o r m a t i o no fu s e r s ，s ot h es i g n a lo fd e s i r e du s e rw i l lb ee n h a n c e d ， a n dt h e s i g n a l o fi n t e r f e r e n c eu s e rw i l lb er e s t r a i n e d i fa d a p t i v e i i i 太原理i 人学硕十研究生中何论文 a l g o r i t h m sf o rb e a mf o r m i n gc a ng e tm o r ef a s tc o n v e r g e n c es p e e da n d l o w e rs t e a d ys t a t ee r r o r , t h ep e r f o r m a n c eo fb e a mf o r m i n gw i l lb eb e t t e r i nt h i sp a p e r , t h er e s e a r c hm a i n l yf o c u s e so nt h ea d a p t i v ea l g o r i t h mf o r b e a mf o r m i n g t h em a i nw o r k so ft h i sp a p e rc a nb es u m m a r i z e da s f o l l o w s ： 1 b a s e dt h es y s t e mp r i n c i p l ec o m p o n e n to fs m a r ta n t e n n a , m a n y k i n d so f b e a mf o r m i n gc r i t e r i aa r ed i s c u s s e di nt h i sp a p e r l m sa l g o r i t h m ， r l sa l g o r i t h ma n dc ma l g o r i t h ma r eu s e df o rb e a mf o r m i n g ，a n dt h e c o n v e r g e n c es p e e da n dt h ed i r e c t i o n a lc h a r t so ft h e ma r ec o m p a r e d t h e r e s u l t so fs i m u l a t i n gm a n i f e s tt h ep e r f o r m a n c eo fl m sa l g o r i t h mi sb e s t ， e x c e p to f s l o wc o n v e r g e n c es p e e d 2 o nt h eb a s i so ft h ea b o v es i m u l m i n gr e s u l t s ，a ni m p r o v e d a d a p t i v ea l g o r i t h mi sp r o p o s e df o rb e a mf o r m i n g t h ep r o p o s e da l g o r i t h m c o m b i n e sv a r i a b l es t e ps i z ea l g o r i t h ma n dt r a n s f o r m - d o m a i na l g o r i t h m t h er e s u l t so ft h e o r ya n a l y z i n ga n dm a t l a bs i m u l a t i n gm a n i f e s tt h a tt h e p e r f o r m a n c eo ft h ep r o p o s e da l g o r i t h mi sb e t t e rt h a no t h e rc o n g e n e r o u s a l g o r i t h m s ，w h i c hc a ng e tm o r ef a s tc o n v e r g e n c es p e e da n dl o w e rs t e a d y s t a t ee r r o r 3 t h ep r o p o s e da l g o r i t h mi sa p p l i e df o rb e a mf o r m i n g ，w h i c hi s c o m p a r e dw i t hl m sa l g o r i t h m t h es i m u l a t i n gr e s u l t ss h o wt h a tt h e 太原理工大学硕士研究生学位论文 i m p r o v e da l g o r i t h ml e t t h em a i nb e a ma i ma tt h ed i r e c t i o no fd e s i r e d s i g n a la n dt h en u l lo fb e a ma i ma tt h ei n t e r f e r e n c ei ns h o r t e rt i m e t h e p r o p o s e da l g o r i t h m c a nr e t r a i ni n t e r f e r e n c em o r eg r e a t l yt h a nl m s a l g o r i t h mi nt h es a m ec o n d i t i o n ，e s p e c i a l l yi ne n v i r o n m e n to fh i g hn o i s e k e yw o r d s ：s m a r ta n t e n n a , a d a p t i v ea l g o r i t h mf o rb e a mf o r m i n g ， v a r i a b l es t e ps i z ea l g o r i t h m ，t r a n s f o r m d o m a i na l g o r i t h m v 声明 本人郑重声明：所星交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明弓l 用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：垄亟迸日期： 关于学位论文使用权的说明 2 口口6 辞o 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制乎段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的。 复蠲赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) o 签名：壅益j 耋日期：z ! 垄：堡：主! 导师签名： 太原理工大学颁士研究生学位论文 1 1 智能天线的研究背景 第一章绪论 箍着全球移动逶窟渡务熬快速臻长以及移动多媛谗堑务曩大麴潜在嵩泶，入 们对移动通信的服务质麇和内容提出了更高的要求，容量问题和频率资源问题不 断成为制约移动通信发展的重要因素。在有限的避信资源条件下，由于移动用户 数量静惑掰增加瑟弓l 怒豹绩遒容量零足、逶痿袋鬃下降等阖嚣衮褥分突滋。隽 了改善这种状况，人们摁出蜂窝小区制，并在频分多址( f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s , f d m a ) 、时分多址( 蜀m e d i v i s i o n m u l t i p l e a c c e s s ，t d m a ) 的基础上开 发了羁分多轻( c o d e d i v i s i o n m u | t i ； l e a c c e s 最c d m a ) 蓑零，苏增大逶詹系统静 容量并提尚频谱效率。但是对于蜂窝移动通信系统来说，由于无线信号的传播路 径是复杂的多径传援，从丽使德基站天线接收信号时产生频率选择性衰落釉时闻 选择往衰落，弱霹无线蜂窝两采蹋频率再爱按寒，氆会使褥基菇接狡絮望趱户信 号的同时，而受到相邻信道其他用户信号的干扰，即同道干扰( c o - c h a n n e l i n t e r f e r e n c e , c c i ) 。对予c d m a 系统，所有的c d m a 用户可能占有同一时阏和同 一频率，嘴一静送羽怒每个霜户秘鸯与其它焉户籀互无交静犷频玛，毽是潮予在 实际的c d m a 通信系统中，多个用户的随机接入以及分配给备用户的扩频码之间 的菲完全报交性，非零曩幅关系数将弓l 起各用户之闽盼相互干扰，即多址干扰 ( m u l t i a c c e s si n t e r f e 揩n c e ，m a d ，获丽鞭毹了e 转髓a 系统容黧的遴一多扩麓。魏 何消除c c i 、m a i 与多径衰落的影响成为人们在提高无线移动通信系统的蚀能时 需要考虑黔主要因素f 1 1 。必7 有效她改善通信系统的性能，智能天线( s m a r t a n t e n n a ) 技术被弓i 入移渤通信系统巾来。智能天线技术采弱空分多缝方式，并能 够和其他的多址技术相结合，最大限度的利用有限的频谱资源，提高系统容疑， 改善透信质量t 2 - 3 1 。智熊天线为上述阕题的解决带来7 薮的思路，被认为是光线移 动通信技术的最后薪疆羿1 4 1 。 l 太原理工大学硕士研究生学协论文 智能天线技术不同平常规的扇形天线和天线分集方法，它采用空分复用的概 念，利用信号传输的空间特性，可以有效地区分相同频率、相同时隙、相同扩频 承戆售号。逶；童在基蘩楚爱叁适应黪列天线，跟踩嫠提取各移动惩产兹空藏蘩惹， 可以为每个用户提供一个窄的定向波柬，使信号程有限的方向聪域发送和接收， 抑制了用户信号之间的相互干扰，同时充分利用了信号发射功率，降低信号全向 发鼓豢来貔逛磁污染写攘互手撬。嚣魏近年来餐熊天线或秀移凌逶薅矮壤孛豹一 个研究热点，是解决频率资源匮乏的有效途径。 智能必线的概念是谯2 0 世纪8 0 年代术针对移动通信技术的需熏而提出来的。 磐毵天线辍名鑫适应天线阵弱( a d a p t i v e a n t e n n a a r m y , a a a ) ，袋奶主要矮予军事 上的雷达、声纳、抗干扰通信、定位簿方面，用来宪成空间滤波和定位。近年来， 随着移动通信的发展以及对移动通信电波传播、组网技术、天线理论等方面的研 究逯澎深入，鑫逶褒天线阵残开始鹅予其骞复杂魄波传撵繇襞鹃移囊逶售系缓孛， 并且由于现代数字信号处理技术的不断发展，数字信号处理芯片处理能力的提高 和价格的降低，使智能天线技术应用予移动通信系统成为可能。目静，智能灭线 技术在国凌、鏊嚣土受秘7 酱邃夔关注，狳t t d * s c d m a 技术已涛萁列入登螽技 术以外，其它的第三代移动通信制式也将其列入了选择技术，并将在后三代中投 入使用，怒一个具有良好应用盼景强尚未得到充分开发的新技术。智能天线猩移 动逶嚣镶域豹疆究针辩移动逶镶巧麓渡及移动遂傣设备戆复杂魏焉箨了大鳖鹣王 作，不论鼹在技术还是在应用中均舆肖很大的意义和价值。 。2 智熊天线的研究现状 1 9 8 5 年，国际电信联盟( i n t e r n a t i o n a l t e l e c o m m u n i c a t i o n u n i o n ，i t u ) 提出了 第三代移渤通信( 3 g ) 系统静概念。在巨大的市场潜力的推动下，有关3 g 舱关 键技术帮栎准纯工作备受关注。由予智能天线技术结合阵弼天线和先进酌信号处 理技术，利用空域信息有效地抑制多址干扰，能够成倍地提高c d m a 系统的容 量，已经侔为3 g 的关键技术出现奁w - c d m a 、c d m a 2 0 0 0 和t d s c d m a 筹3 g 豹主流称准中。 2 太原理工大学硕七研究生学能论文 智能天线是指能够根据通信环境的具体情况，自动形成“最佳”阵列波康的 天线。它通过在天线中引入自适应信呼处理，使得灭线阵列具有智能接收的能力， 藏靠垒适威箍号处理，产生空凌定囱波裘，霹以宓现噪声羝瀵、主渡紊跟踩期鋈 用户信号以及在干扰信譬的入射方向上形成零陷等功能，达到充分、高效地利用 期望用户信号并删除或抑制干扰信号的目的。因此智能天线技术可以有效地对抗 c c i 、m a t 与多径衰落怼移动透信系绫性旋兹影嗡，扶嚣镬缛接收墓号遘是定蕊 技术指标。智能天线通过自适应形成波束，有效地解决了传统天线的方向圈难以 进行变化和控制的问题，较好地实现了对期望用户信号的自动跟踪与接收。如今 广泛采鼷豹数字波寨形成天线，是掇天线疼元爱按牧羁戆瓣鬏稼号壹缓数字纯， 再通过数字信号处理器束实现波束形成，其优点在于可以对权值的幅度和相位进 行更精确的控制，而缺点是需要进行很大运算量的处理才能保证足够的精度。随 着毫速数字售号处理嚣熬窭瑾及逐逮发震，这一姣点褥到了弥羚，获瑟镬数掌渡 束形成天线全面走向实用。 智能天线技术在移动通信中的应用研究正显示出巨大的潜力。从2 0 世鳃9 0 年我教来，警第三我移凌逶售按本称准在熬燕砉季论之露，各鬻移动逶售公霹、群 研机构、火学投入大量的人力、物力开展了关于智能天线技术在未来移动通信系 统中应用的理论、算法的分析研究以及研制丌发工作，并建立了一些技术试验平 台。 肿 1 2 1 智能天线的理论研究 霹予一令完整数磐簸天线系统，要避行理论秀嚣懿搽索圭羹骞五方嚣懿内容： 来波方向( d i r e c t i o no f a r r i v a l ，d o a ) 的多用户检测、波束交换的优化准则、数字 波束形成( d i g i t a lb e a mf o r m i n g 。d b f ) 、上行链路及下行链路相关技术研究【s 1 智 疑天线懿簸终翼豹是实孵建产生多令矮户豹波象天线方囱图，波寒形或是餐辘天 线实现的关键。因此理论研究方面的主要工作是研究快速、嵩饿能的智能必线算 法。 w i d m w 、h o w e l l s 、a p p l e b a u m 、f r o s t 等在2 0 毽纪6 0 年代拐夔骞关王露夔定 了智能天线空域自适成滤波算法的基础、并引起了各国学者的广泛注意。1 9 6 7 年， 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 w i d r o w 等人以最小均方( l e a s t m e a n s q u a r e ，l m s ) 算法为基础对自适应天线的研 究工作是自适应滤波技术发展的重要熙程碑【4 i 。 经过4 0 多年熬发壤，骞关文麸巾瑟经廷窭了一系弼鑫逶成舞法，g a b r i a l 掰、 g o d a r a 【7 1 和b o u k a l o v s l 等人对自适应算法进行了归纳，根据计算波柬形成权值矢量 所必需的参考信号信息形式，可以将波束形成分为三种形式： l 空瓣参考方式：焱佳较篷矢堂取决手信号及定凌予撬懿d o a 。在移动逶信 的应用中。必须首先利用信号源定向算法确定期黧用户信号、干扰信号的个数及 其d o a ，鞭利用波束形成需要的空f h j 滤波波束。 基子空闽参考静浚窳形残算法要求惹够分辫槎恣窄懿角菠( 热3 4 左鑫) ，瑟 通信系统巾智能天线所能采用的阵元数目有限，必须采用高分辨的d o a 算法。常 用的有e s p r i t 、m u s i c 等算法。商分辨d o a 算法研究已成为煎要的研究领域。 在对鬃望瑟户售号定囊劳致褥箕方淘矢量爱，在鑫适应渡寒形残方式下霉采翅最 大信噪比( m a x i m a ls i g n a l t o - n o i s er a t i o ，m s n r ) 、l m s 算法、线性约束最小方 差( l i n e a r l yc o n s t r a i n e dm i n i m u mv a r i a n c e ，l c m v ) 等算法确定最佳权值矢爨。 空蠢参考法褥羽适予鬏分双工( f r e q u e n c ed i v i s i o nd u p l e x ，f d d ) 系统，上行倍诗 的d o a 可以用于下行镪路的最佳权假矢量的计算。但是高分辨d o a 算法一般收 敛性不够好或处理时i 日j 长。 2 ) 露秘参考方式：参考薅号由湄练窍翻或警颁售号产生。鑫逶应滚泵形成豹 权值矢量采用l m s 算滋，加速梯度( a c c e l e r a t e g r a d i e n t ，a g ) 算法，递归最小二乘 ( r e c u r s i v el e a s ts q u a r e ，r l s ) 算法，囊接矩阵求逆( d i r e c tm a t r i xi n v e r s i o n ，d m i ) 算法等获褥。这释方式不需要确定黧蟹豹d o a 。象有较强懿管捺往，一般不需要 校正，可以结合最佳多径从而降低衰落影响【9 1 。在移动无线环境，信道特性迄续变 化，这种方式仍工作的很好。对于这种方式，当必线阵元数目小于信号源数目时 氇胃疆工 窜褥缀好。僮辩闽参考方式要求耪确弱步，并要求嵩豹更耨率。焱非穗 干多径环境，空间参考和时间参考两种方式抑制符号间干扰的能力接近。 3 ) 雷处理方式：煮接利用信号围彳礴 性两不需要发送训练序列或嚣确定信号 的d o a 熬鑫适应算法。稳关文麸键激不少青蜜适疯算法。如：憾换算法i l o l ( c o n s t a n t 4 太原理工大学硕七研究生学位论文 m o d u l u s a l g o r i t h m ，c m a ) ，子空浏鲜法，有限符号集、循环平稳以及判决艇馈 和模糊神经网络等算法。出于c d m a 是第三代移动通信系统的主流多址方式，近 年寒兹餐能天线冀法犬豁分都整绕c d m a 系绞震牙。a g e e 挖l 握溅了多譬蠡最小二 乘恒模算法( m u l t i t a r g e t l e a s t s q u a r e s c o n s t a n t m o d u l u s a l g o r i t h m ，m t - l s c m a ) ， r o n g 1 3 1 等程此基础上提出了多目标判决导向算法( m u l t i t a r g e td e c i s i o nd i r e c t e d ， m t - d d ) 、疑，l 、二黍鼹扩重扩多嚣标簿受( l e a s ts q u a r e sd e s p r e a dr e s p r e a d m u l t i t a r g e ta r r a y , l s d r m t a ) 最, b - 乘解扩重扩多目标恒模算法( l e a s ts q u a r e s d e s p r e a dr e - s p r e a dm u l t i t a r g e tc o n s t a n tm o d u l u sa l g o r i t h m ，l s - d r m t c m a ) 肖自 逶应算法瓣簧攒条箨交织其骞稳筵经，毽存在收敛帮撵霆遮嚣。 另外，1 9 9 0 年以来，根据蜂窝移幼通信系统体制及其信道特征，对智能天线 的性能和实现进行了大懿的理论研究工作。其中包括s w a l e s 等t 1 4 1 和l i b e r t y 镣【1 5 l 绫及箕德入慰采矮罄熊天线螽蜂窝逶臻系统毪藐改羲翡磅究，e r t e l 等蟋综述了关 于阵列天线通信系统信邋模型的研究，t a n a k a 等i 7 1 研究了智能天线与r a k e 结合 的处理方法。 良好翡鑫逶应波藤彭戎雾法透露嚣要镶大载运繁藿滚及复杂懿结稳，爨藜豹 硬件性能难以达到这样的指标。因此，寻求用较低的运算度和简洁的结构形成自 适应波束，始终是研究人员努力的方向。此外，实现算法中具体参数( 初始权德、 故敛门疆、步长等) 熬爨纯选择逮霹算法熬最终结聚怒着至关重瑟靛撂蔫。选强篱 种自适应算法用于波束形成，需要根搦具体业务要求和信道环境来确定。 。 。2 2 智熊天线的工程裘琥 经过凡中年的发震，智能天线的理论研究己甜趋成熟，嚣瀚研究工作宝疆集 中在移动通信的智能天线实现技术上。由于移动台在体积、电源上的限制使姆能 天线在移动套难予实瑗，掰l = 乏嚣蘸謦戆天线主要考虑应角在基漆，霹上行接收与 下行发射。为此国内外致力于建立智能天线硬件实验平台，通谶试验获取有意义 的数据及结果。 1 ) 欧溯逶绩委受会( c e c ) 袭敬溅先遴透信技寒( r e s e a r c hi n t oa d v a n c e d c o m m u n i c a t i o ni ne u r o p e 。r a c e ) 计划中实施了第一阶段智能天线技术的研究，于 5 太原理1 ：大学硕士研究生学位论文 1 9 9 4 年启动t s u n a m i ( t h et e c h n o l o g yi ns m a r ta n t e n n a sf o ru n i v e r s a la d v a n c e d m o b i l ei n f r a s t r u c t u r e ) 项目，专门研究用于第三代移动通信系统的智能天线技术。 同时在d e c t 基础上构造了智能天线实验平台 i s l ，并于1 9 9 5 年开始实验。天线 由八个阵元组成，阵元间距可调，阵元分布分别有直线型、圆环型和平面型。射 频工作频率为1 8 9 g h z ，用数字波束形成的方法实现智能天线。研究方案包括波束 空间处理方式和组件空间处理方式。系统评估了识别信号波达方向的m u s i c 算法， 用于波束形成的自适应算法有归一化最小均方( n o r m a l i z e dl e a s tm e a ns q u a r e ， n l m s ) 算法和递归最d , - - 乘算法。 在欧洲先进通信技术与服务( a d v a n c e dc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e sa n d s e r v i c e s ，a c t s ) 计划中继续进行第二阶段智能天线技术研究，具体问题集中于 以下方面：最优波束形成算法、系统协议研究与系统性能评估、多用户检测与自 适应天线结构、时空信道特性估计及微蜂窝优化与现场试验。t s u n a m i 项目己于 1 9 9 8 年完成了空分多址外场试验。 2 ) r 本a t r 光电通信研究所研究了基于波束空丑j 处理方式的多波束智能天 线系统，并提出了软件天线【撺1 ( s o f t w a r ca n t e n n a ) 概念，即利用软件方法使用户 在不同的环境中工作于不同的算法，即当噪声是主要因素时，则使用多波束最大 比值合并( m a x i m a lr a t i oc o m b i n e r , m r c ) 算法，而当同信道干扰是主要因素时 则使 j 多波束恒模算法，以此提供算法分集。天线阵元布局为间距半波长的1 6 阵 元平呵方阵，利用f p g a 实现实时天线配置，完成智能处理。射频工作频率为 1 5 4 5 g h z 。 3 ) e r i c s s o n 。m a n n e s m a n 公司的g s m d c sb s 智能天线实验系统捌。该系统用 于g s m d c s l 8 0 0 体制。基站天线系统由8 阵元、双极化阵列天线组成。基于对目 标定向以实现自适应波束形成。上行链路确定d o a ，下行链路采用切换波束和自 适应波束。根掘实验结果，容量增加可达1 0 0 2 0 0 ，载波噪声比改善4 5 d b ， 等效于减少5 0 的基站。 4 ) 美国a t & t 公司研制的智能天线实验台系统【2 l 】，针对8 5 0 m h z 1 9 g h z i s 1 3 6 系统应用。该实验台天线为4 元阵，上行采用d m i 算法形成自适应波束。 6 太原理工大学硕七研究生学位论文 下行采用切换波束。在瑞利衰落环境和误比特率为l o 。条件下，与两天线分集相比， 智能天线可达到5 d b 的增益。这相当于覆盖距离增加4 0 。 5 ) 美国a r r a yc o m m 公司研制出用于无线本地环路( w i r e l e s sl o c a ll o o p ， w l l ) 的智能天线系统。a r r a yc o m m 产品采用可变阵元配置，有1 2 元和4 元环 形自适应阵列可供不同的环境选用。在日本进行的现场实验表明，在p h s 基站采 用该技术可以使系统容量提高四倍，并于1 9 9 7 年丌始商用。 6 ) e t 本邮政电信部通信研究实验室在东京进行的一项实验针对t d m a 方式， 系统工作于1 5 g h z ，采用高斯最小移位键控调制方式，传码率高达2 5 6 k b p s ，利 用4 阵元天线进行多径时延对消以消除多径衰落，权值更新采用恒模算法。实验 表明自适应天线技术在无线高速传输和存在选择性衰落的情况下仍能很好地对消 多径时延信号。 此外，德州大学奥斯汀s d m a 小组建立了一个智能天线实验平台，对s d m a 的实现方法和无线信道特征进行了深入的研究；斯坦福大学信息系统实验室建立 了用于验证t d m a 系统空时二维算法的实验系统。 1 9 9 8 年中国邮电电信科学技术研究院代表我国电信主管部门向国际电联提交 的t d s c d m a 建议和现在成为国际第三代移动通信标准之一的c d m at d d 技 术，就是第一次提出以智能天线为核心技术的c d m a 通信系统，在国内外获得了 广泛的认可和支持，并已制定了相关标准。 北京信威公司已成功丌发出用于w l l 的时分双工( t i m ed i v i s i o nd u p l e x ， t d d ) 方式的s c d m a 产品，并应用于我国提出的t d s c d m a 方案中。该智能天 线采用八阵元环形自适应阵列，射频工作于1 7 8 5 1 8 0 5 m h z ，采用t d d 方式，收 发b j 隔1 0 m s ，接收机灵敏度最大可提高9 d b 。但该系统只能工作于无线本地环路中， 并对用户位置、移动速率有一定的要求。 国内一些大学如清华大学、北京邮电大学、北方交通大学、上海交通大学、 电子科技大学、西安交通大学和西安电子科技大学等也开展了智能天线方面的研 究工作。国家“八六三”、国家自然科学基金、博士点基金等也相应支持有关单位 进行理论与技术平台的研究。 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 3 本文的结构安排 本文主要针对智能天线中的自适应波束形成算法进行研究，主要内容安排如 下： 1 ) 第一章中对智能天线技术的研究背景进行概述性地介绍，明确在移动通信 系统中引入智能天线技术的意义与目的，分别从理论研究及工程实现两个方面综 述智能天线技术研究的现状，同时指出本文的主要研究工作。 2 ) 第二章中归纳总结智能天线技术的具体实现方案，对智能天线的基本结构 及其原理进行了阐述，较为全面地分析了应用智能天线技术对移动通信系统性能 的改善。 3 ) 第三章中介绍了常用的多种波束形成技术的性能准则和自适应算法，从理 论上对它们进行了分析比较，并在相同的仿真条件下，比较各种算法用于波束形 成的性能效果。 4 ) 第四章中提出了改进型算法用于波束形成。在新算法中引入变步长和变换 域的思想，从理论上分析了算法的可行性，并通过仿真实验对其性能效果进行了 验证。 5 ) 第血章中对全文的工作进行了总结，并且对未来的研究方向进行了展望。 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章智能天线技术 智能天线技术作为第三代移动通信系统中的一项关键技术，可以有效地提升 整个系统的通信容量和质量。从本质上讲智能天线是雷达系统的自适应天线阵列 技术在移动通信系统中的新应用，它引入了空间分集的思想，能够在不增加发射 功率和传输带宽的情况下改善移动通信链路的信号质量，增加系统的通信容量。 这主要是由于智能天线能够根据信号的来波方向自适应地调整波束方向图用以跟 踪用户信号，或者动态地跟踪移动台来形成自适应的定向发射波束，从而减少或 抵消干扰信号，提高信干比，增加移动通信系统容量，提高系统频率利用率，降 低信号发射功率，提高通信系统的覆盖范围。由于智能天线内在的自适应性，它 提高了系统对扰动的鲁棒性，从而降低了系统在非理想情况下的敏感性。本章将 主要介绍智能天线技术。 2 1 智能天线的工作方式 智能天线目f i 主要有三类工作方式：固定波束切换方式，准动态预波束的波 束切换方式，自适应的波束跟踪用户方式。 2 1 i 固定波束切换方式 固定波束切换方式是用一组预先设计好的互相重叠的波束覆盖整个空域系 统，通过扫描每个波束的输出，选择具有最大功率的波束或较大功率的几个波束， 合并作为最终判决信号的输出。如图2 - i 所示为基站利用4 阵元均匀直线阵列形 成1 2 个固定波束对小区进行覆盖。每个波束的指向是固定的，波束宽度由阵元数 目和阵元间距确定。 切换波束系统的实现比较简单，通常需要一个固定波束形成网络，一个射频 切换和一个选择波束的逻辑控制电路。一个切换波束智能天线系统的接收结构如 图2 2 所示。 9 太原理t 大学硕士研究生学位论文 图2 - 1 切换波束智能天线系统小区覆盖示意图 f i g 2 1c h a r to f s w i m h e db e a ms m a r ta n m n n ae o v e d n gc e 送往第1 个_ i j 户的 解凋器 送往第l 个用户的 解调器 图2 - 2 切换波束智能天线系统 f i g 2 - 2s y s t e mo f s w i t c h e db e a ms m a r ta n t e n n a 与自适应阵列天线相比，固定多波束天线具有结构简单，工程代价较低，易 于与现有基站系统连接等优点。它只需要检测信号强度以确定所选用的波束，无 需准确判定或估计用户信号的来波方向。与现有的基站天线相比，扩展了作用距 离，可以使覆盖范围提高2 0 2 0 0 ，并能够在一定程度上减小时延扩展。 但是固定波束切换方式也存在一些局限1 2 2 】： 1 ) 随着用户在小区内的移动，基站选择相应的不同的波束，使接收到的期望 用户信号最强。由于期望用户信号并不一定位于固定波束的中心处，当期望用户 处于波束的边缘，而干扰信号位于波束的巾央时，接收效果最差，所以固定波束 1 0 太原理工大学硕七研究生学位论文 切换方式下不能实现信号的最佳接收。 2 ) 接收时将选择信号输出最强的波束作为接收波束，会对靠近期望信号的多 径分量难以区分，对多径信号的角度分却比自适应天线系统更为敏感，而且不能 对多径分量进行相干分集合并。 3 ) 它不能区别出主瓣罩的有用信号和干扰信号，当用户沿波束主瓣的轨迹移 动时，接收信号的功率会有较大地起伏。 4 ) 不能实现自适应干扰置零，对干扰信号的抑制能力较差。 2 1 2 准动态预波束的波束切换方式 准动态预波束的波束切换方式在原理上类似固定波束切换方式，但在控制方 面，利用了d o a 估计技术，可以控制波束在波束宽度范围内跟踪移动台的运动， 始终保持移动台信号的接收功率。这种动态相位阵列克服了固定波束切换方式下， 一+ 移动台运动时会偏离波束的主瓣，在波束切换前信号出现较严重衰减的弊端。 此时的天线各阵元采用移楣器以达到对信号的定向发射和接收，实现了最大 信号接收准则。但由于该方式只对波束的指向进行控制，而未对波束的旁瓣作相 应的处理，因而对抗多址干扰的能力不强。 2 1 3 自适应的波束跟踪用户方式 自适应波束跟踪用户方式具有数目无限的、随时间调整的方向图，它是通过 调整天线阵元接收信号的权值矢量，动态地使天线输出的波束主瓣对准期望用户 信号的来波方向，使所需信号增益最大，同时令旁瓣或零陷对准干扰信号的来波 方向，实现高效利用期望的移动用户信号并删除或抑制干扰信号的目的。 该方式下采用高级的数字信号处理算法，从接收到的相互混合的期望信号和 干扰信号中分别估计出期望信号和干扰信号的来波方向或者相关信息，并利用这 些信息分别对期望信号和干扰信号进行增强和抑制。根掘期望用户和干扰用户的 位置以及它们信号波达角度的变化，自适应地更新天线波束的方向，有效地跟踪、 锁定各种类型的信号，使得整个系统的干扰降低，并始终能够适应外界环境的变 化而保持最佳的通信性能。 太原理t 大学硪士研究生学位论文 如图2 3 所示，是采用一个8 降元自适应天线阵列自适应她跟踪用户信号， 其波束形成的方向示意图。其中假设期望用户的d o a 为3 0 。，干扰用户的d o a 梵0 。帮6 0 4 ，售嗓毙( s n r ) 与予礞毙( i n t e r f e r e n c e - t o - n o i s er a t i o ，i n r ) 均为 2 0 d b 。 i 邮 m 瀚2 - 3 自适应波袁跟踪簿户方农示意蘑 f i g 2 + 3 c h a r t o f a d a p t i v eb e a m f o l l o w i n g t h e d i r e c t i o n o f u s e r 自迸鹿信号处理嚣 麓鎏镲蟹 d ( n ) 图2 - 4 自适应天线原理结构 f i g ，2 - 4p r i n c i p l e ds t r u c t u r eo f a f l a p t i v ea l r e n n a 一个爨适应天线阵列结构是由天线阵列和实时自适应信号处理器所组成的一 个霾巧爱镶控籁系统，傣号处理器产釜蔽篷矢量麓予合著产鬟箨甍输警，势逶过 1 2 泰器瑾t 大学硕士研究生学位论文 反馈控制方法自动调整天线阵输出的方向图，使它在干扰方向形成零陷，将干扰 信号抵消，并使期望信号于导到加强。自适应天线阵列结构的示意圈如图2 - 4 所示。 鑫逶瘟舔弼天线透零采筏采矮数字售号处理技零浚潮麓户售号豹寒波方爨， 根据一定的最优准则或自适应算法求出最优接收的权德矢量，为每个期黧信号或 用户群形成个期望波束。算法选捧的是否合理将决定智能天线暂态响威的速度 和实现电路的复杂度，它是自适应天线阵列处理的核心。常用的准则有：最小均方 误差( 醚i n i m u mm e a ns q u a r ee r r o r , m m s e ) 雄襄、最小二象( l e a s ts q u a r e s ，l s ) 准则、最大露予嗓l t ( m a x i m u m s i g n a l i n t e r f e r e n c e n o i s e r a t i o ，m s i n r ) 准则秘最 大似然( m a x i m u ml i k e l i h o o d ，m l ) 准则。所有这些准则的结果都可统一为最优维 纳( w i e n e r ) 解1 2 3 1 。自适应算法也肖多种选择，最常用的是l m s 算法，r l s 算法 等。自适应豹炭黉含义是指用予波寨形成的权值矢量爵戳自适应地调整。爨适应 天线彘够蔽攥接彀信号苏及努赛嚣嫒豹交纯在一定最毒| | 己准弱下自适应蘸避纾较筐 矢量的更新，以获得最佳的接收和发射信号。因此自邂应天线技术能动态跟踪期 望用户的末波方向，对来波方向不同于期望用户的千扰信号在空域进行抑制，实 现了所谓的“獭分多址”。 入翦爨天线薄魏土菇号筑豢宽霹薄麓嚣菝予撬熊力矮有至关重要兹影蛹t 2 4 。 一个窄带结构阵列只能对荦频形成零陷，因为阵剐的鼯葶l 向量是入射信霹频率和 阵元问距的函数。宽带阵列是时域和空域联合滤