（信号与信息处理专业论文）智能天线技术在80211n系统中的应用.pdf

北京邮电t 赶学 l | j 论文 智能天线技术在8 0 2 1 1 n 系统中的应用 摘要 随着个人数据通信的普及，无线局域网技术得到越来越广泛的应 用，它以接入的灵活性和移动性成为个人通信的个重要组成部分 同时用户对数据业务的要求也越来越高，为了满足这种业务需求，人 们不断地引入新的技术和方法来提升无线通信系统的容量智能天线 技术是一种可以有效改善无线信道性能，提高无线通信系统容量的新 技术，并且它已经成为第三代无线通信系统中的一项关键技术，因此 如何有效地将智能天线技术引入到无线局域网中成为了研究的一个 热点问题。 本文分为六章：前两章介绍了研究的背景和智能天线技术的基本 原理，分析了课题研究的意义和智能天线在些无线通信系统中的应 用。第三章重点对波束成型自适应算法进行了研究，并对常用的最小 均方l m s 和递归最小二乘r l s 算法进行了仿真分析，比较了它们的收 敛性能。第四章对8 0 2 儿n 系统进行了介绍，介绍了仿真系统中物理 层采用的一些关键技术。第五章系统建模，利用c 语言实现了t g ns y n c 8 0 2 1 l n 协议物理层的建模和仿真研究，根据仿真结果研究智能天线 对系统性能的影响。第六章对智能天线的发展前景进行了展望。 关键字智能天线波束成型8 ( ) 2 1 1 n 系统自适应算法 北京邮电犬学硕士论殳 蕊文摘疆 s 髓l a 数a n t o n n ai n8 0 2 i i ns y s t e n l a b s t r a c t w i 嫩氆ep o 秘l 甜i z 砒i o no fp 棼r s o 娃a ld i g 娃a ic o m m u n i c a t i o n ，w - a n g e t sm o r ea n dm o r ob r o a d 即p l i c 孤o 黩， i th a sb e e o 蛾ea ni m p o 娃a n l p r o p 董) n i o ni np e r s o n a lc o m m h 鞋i e a l i o n 曩e l df o ri t sm o b i l i 镇a l 魄es 8 礅e t i m e ，u s o r s r e q u i r e m e n tf b rd a t as e i c eg e t sm o r ea 苴1 dm o r eh i 曲e lt b s a t i s 母t h e i rr e q u i r e m e n t ，s e 甜c h e r si n 掷) 血l c 。m a n yn o ws o l u t i o n st o i n c 揩a s et h ec 印曲i i i 秒o w i r e i e s sc o l n m u n i c a t i o ns y s t o m s m a na n t e n n a i so n oo f t h e 据c 搬o l o g i e s 搬武c 黼i l n p v 苛掇oe 拄a n n e lp e 娃孤a n c e ，l t a l s oc a ni n c r 嚣醛os y s t e m se 姆a b i l i 够w h 雏s 糯o ，i th a sb e 翔棼采b y t e c h n i q u ei n3 gs y s t e m s o o w t oa p p l ys m a r ta n t e n n ai nw i a nc o m e t oah o t s n o t 硒e r e s i xc h a p t e r si nt h i sd i 8 s 献a t i o n t h ef i r s tt w oc h a p t e r s i 拣。娃辩。攮er o s o a f e hb a c k g r o u 聪a n dt h ol h c o r yo fs m 撕a n l e 黼a ，鼍h 彰 小。矬戢疑玲z e 谯舞粥e a 致弧go f 丞；sr o s e 嚣c h ，黼矗i 轴t r 聪u e e 谯ea p p l i e a t 髓o f s m a r ta n t e n n ai nw i r e l e s sc o m n l u n i c a t i o ns v s t e m bt h e3 r dc h 毡p t e ri f o e u so nt h er e 8 e a 站bo fa d a p t i v ea 呈g o r i t h mf o rb e a m f o r m 蕊g ，a b d c o m p a r et h ec o n v e r g e n c eo fl m s 尊n dr l sa l g o r i t h m i nt h 蠕4 mc h a p t e ri i n t d u c et h e8 0 2 i i ns y s t e mi n e l 王王d i n gk e yt e e h n i q u e 8i n t r o d u c t i o n # i p p l i e di 稿t h 穗s y s t e m 1 nc 擒p t e r5t h es i m u i a t i o no f8 0 2 1ln 箕y s t e m p h y s i c a ll a y e ru s i n gcl a n g u a g 。逸g i v e 礁出ep e r 蠡) 熬箍髓c e ) fs p & t 呈a l s p r e a d i n g a n d b e a m o f 娃l n g 至s e o f a r e d ；l n 毂珏e 珏c 8 8轮t h e s y s t 。j 髓 p e r f b r n l a n c ea r ea n a l y z e ds u b s e q u e n t l yt h el a s tc h a p t e rl o o k sf b r i l ，a r dt o t h e 矗j t l l r eo f s n l a na n t e n 柏a k e yw ( ) i m s ：s m a r ta n t e 皿a ，b o a m f b 瑚i n g ，8 0 2 ，1l ns y s t 啪，a d a p t i v e a g o 矗斑m 创新性声明及关于论文使用授权的声明 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处 本人签名：叠金扭 本人承担一切相关责任。 日期：迎! 主：兰2 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构遴交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅：学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密 论文注释 本人签名 导师签名 孥 拦 北京邮电大学硕士论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 论文的背景和意义 随着移动用户数量的快速增加，尤其在我国人口密度较大的城市地区，移动 业务运营公司和频率资源管理部门将面临频率资源短缺的巨大挑战，频率资源已 经成为制约继续发展的瓶颈，而随着用户数量的不断增加，这个问题会演变得愈 来愈严重。面对挑战，人们提出了不同的解决方案，得到比较广泛认可的有两种 方法：一是移动运营公司调整基础网络的构成，增加基站数量和小区数量。这种 方法需要相对巨大的基建投资，同时带来的干扰问题也比较突出；二是扩大频谱 带宽，这种方法需要较高的频率资源成本，况且频率资源是有限的，频谱带宽不 可能无限扩展。基于这样的现实，智能无线技术也就应运而生了。智能天线根据 信号的入射波方向自适应调节其方向图、跟踪强信号、减少甚至抵消干扰信号， 从而达到增大载干比、提升移动通信系统容量、提高移动通信系统频谱利用率和 降低发射信号功率的效果，且所需的经济成本比较合理。随着智能天线各项技术 的日趋成熟，在第三代移动通信系统中也广泛地受到关注，并作为主要后备技术 之一。而波束成型技术作为智能天线技术中的新秀，受到的关注更为瞩目。 1 2 国内外研究状况 智能天线的概念是二十世纪8 0 年代末到9 0 年代初提出的。广义的智能天线 可以理解为能够收集、处理信息并利用已获得的知识自动调整结构参数以适应不 同情况的天线。目前大家讨沦的智能天线系统都与移动通信，特别是蜂窝移动通 信系统紧密相连，一般指由多个天线单元组成的天线阵列系统。它可以利用数字 信号处理技术对多个不同的用户产生多个不同的空间波束。每个波束的最大方向 自动地对准各自用户的方向，而把零接收方向对准干扰方向，从而提高移动通信 系统的性能。 最初的自适应阵列智能天线技术主要用于雷达、声纳、军事抗干扰通信，用 来完成空间滤波和定位等功能，提高系统的性能和电子对抗的能力，但由于价格 等因素一直未能普及到其它通信领域。而智能天线真正的发展是在2 0 世纪9 0 年 代初，随着移动通信的发展及对移动通信电波传播、组网技术、天线理论等方面 的研究逐渐深入，微计算器和数字信号处理技术的飞速发展，d s p 数字信号处理 芯片的处理能力日益提高，利用数字技术在基带形成天线波束成为可能，提高了 北泉邮电太学硕士论义 帮章绪论 天线惹统的彤拣牲与灵活程度；麓对数学芯片数徐穆鑫经凳骥筏逶倍系统掰攘 受。因此，磐毙天线技术辨始用予嶷骞复杂嗽波传攒薹l ：境驹移韵透信。 1 。3 零文戆燕装王稼 迓霉来，髓藩垒球移动遥罄鼗务瓣邈遴发矮，锊能天线越采越受剿a 释j 翡荧 注。姆能天线最视被广泛应用手嚣这、声继及军事遮倦领域，嚣采棱； 入移动遴搭 系绫罄挠天线翳苘己经被广汪庶鬻子醅势双汪鼹d 游孛龅p b s 系统鼓然在f 系统艇。如g s m 、c d m a 、w - c d 姒以及c d 姒2 0 0 0 中应用智能天线难度更大，但由予 近年摆技术方龋舱突破，使得稽麓天绫在移动遥傣中黪嶷是藏海趋势。褒我晷捅 寄磨生熟鼋襞产投辩l d s e d 撇系统率，在琴显蔷蹭船系统复杂壤前提下，采用数 字方竣实现渡袋成型的智糍天线稼樗到宠努秘应蠲。该空蔻在基予8 0 2 。1 l n 系统 无线铸粪的情况下对餐天线被了辎关懿研究工作，主簧包臻以下几令穷藤：l 。 较垒断地介绍了智能天线的基本缩构、原理、类型、优缺点、鞋翦的发展状况。 2 ，萋点奔缓鬻辘天线鳆蒜群岛鬈瘦抟算法，并对常霸算法迸嚣蕊囊范较。3 。授糍 8 0 2 。i l n 系统协浚中物理藩静蕊定衙搭建了仿真模型。用c 语富实现在t g ns y n c 提出豁8 0 2 。ii n 标准中豹波束或囊，托较波柬成型程渡系统中鸟空闻扩攫技术性 托的伉劣。4 、在慈统串嬲入对捡测镶遭鹳线性强铡，考察线嫂鞭涮靛逑魁性。 2 北京邮电术学硕士论文 第二掌智能天缝陴的摹本阔题 2 1 概述 繁二寨智熊天线簿静基本游疆 智能天线原名为自适应天线阵列( a d a p t i v ea n t e n n aa r r a y ) ，智能必线 ( s m ”ta n t e n n a ) 的概念是二十越纪8 0 年代寒；9 0 举代初提出的。 裔歇i 9 5 0 年、v a na t t a 提出自适应天线这个术语以来，自趱应天线发展至今 熬3 0 年中，大体上霹以分戏三个发撩酚段：第一个 o 年主要豢中在毒遥瘦波素控 制上，诲鲡逐囱波束天线、垂逶应挺控天线、鑫逶疫聚寒天线、鑫遥瘫波瘫操缴 天线等等：第二个1 0 年主要集中在自遥应零点控制上，诸如岛适应滤波、囊适艇 调零、颤适应旁瓣对消、自适应杂波抑制等等：第三个l o 年主要集中在空闯谱鼗 计上，诸如最犬似然谱估计、最大嫡谱估计、特征空间正交谱估计等等。有三个 特裂分剩概括了送三个除羧魏发麓：l 疆ef n s 艘i 9 6 4 年嚣嚣酹总结了主渡 京塞逶应控案除毅熬发震：i 疆f a n s 静抟7 6 年9 胃母 6 j 总臻了零内窘淹应控 制阶段的发展：i e e et r a n s fa p1 9 8 6 年3 月号e 8 总继了空趣接号来自( 个数、极 化、电平 估计的空闻落估计阶段的发展。在大规禳豢成窝趣大规模集成技本发 展的促避下，1 9 8 0 年以后自适应_ 天线阵列进入广泛应用的阶段。哭线是电磁场的 传感器件，与其稳豢豫各释传感器件都溺时爱震了囱遥癍阵捌控术，于是在各种 传惑领域中都广泛应用了蠢遥应技术，因魏更确切她应算作岛适应阵判处理理论 与技术，或鸯遗艨信号处邂_ 漫论与技术。褒1 9 8 0 年猷嚣，商美这方垂的理论与技 术全帮怒在文献蠛报告上发衰，赢麴1 9 8 i 年鞋屡才躲缕瘩版了这方嚣麴惹绞专 著。在崮适应化系统上还有大量的理论与实际问题商待探讨，就广度和深度而曹 都有大= l 葭的工作待傲。 智能天线根据信号的聚波方向 自适应韵调整萁方向圈、跟踪强信号、减 步戴抵消于扰德号、提舞僖于比、增热移动逶镕系统窭薰、撼离移动通信系统剃 鼹率、蹲燕信号发魅功率、疆寒避绩瓣覆羲范魏等等。这些辫起舞| 挺藏移动逶绩 系统综台性能的效果，张加上实现智能天线的备项技术的日趋成熟，因此，在第 三代移动通信系统的研制中，受到广泛关注。器屋早在辩智能天线豹硪究淡杀达 实用化的阶段，在提交给国际电联r r u 的3 g r t t 标准建议中，几乎都附脊一条； 懿暴裔霹髓，本建议将袋搦智蘸天线接术，可见，智能天线按零在第三代移动通 信良及泰来静移渤逶藩体制牵占霄静重要媲往。久们蒋遮对它的麓望缓很高，对 它的发艨前景瓣好。 姆能“天线翦发展在移动通僖系绫巾有尤为霪要数律耀： 3 北京邮电大学硕士论文 第_ = 荦智能天绒阵的基车问题 f l 疆l 予疑 糖a 系统 。 据研究，与通常的三扇区基站相比，采用智能天线之慝e l 僮平均提高教 8 d b ，太大改善了基站覆箍效果；频率复罔系数虫7 改饕为4 ，增鼬了系统骞量。在 网络优化时，采用智能天线技术可降低冤线掉话率和切换失败率。 f 蛰用予m a 系统 光线畿潼畿对蔺鞠窝瓣上舔受到隧锱，智麓波柬切换蕊女8 可提黼c 1 指栎。 据研究，羼4 个3 天线代罄传统鲍1 2 9 0 天线，e i 霹攮裹6 d b ，提裹了鼹务囊璧。 在满慧g s m 系统c l 毪最小麴翦提下，提嵩龋枣复髑系数，增鸯瑟了系统密爨。 由我国大唐电信提出并拥有较多的慕本专利的t d s c 自m a 系统魑应用智能 天续授术的典型薄倒。s e d 凇黎统采稠t 方式，使上下射顾信遴究念对称， 可弼髓解决诸如涎线上下行波泵赋澎、抗多径干扰和抗多啦干扰等问题。t d s c d l 5 l a 瑟统采瘸了彗能必绫、联念竣测等系魏关键技术。糖糍天线嚣予渡泵瓣 赋形，默覆套基站襄慰户之间建立起一条能羹相对嶷申戆无线毯籍，大大洚羝系 统干扰，提高系统容量。联合检钡4 嵬分利用所有用户的扩频码、幅度、 目位等傣 息，能嗣时漓除多址干貔( 融i ) 和谒间干扰( i s i ) 。智能惩线和联合捡测虽然 都能抑制系统干扰，值菩宥侧重，智能天线在抑制区闻干扰方面的能力要远远高 于联会检测，嚣联台援测在挣截嚣海于我方瑟的能力伉于替能天线，两者需要靛 合傻感。 f 3 ) 用于c d m a 系统 农c d 凇焱绕中，智鼹天线可避褥话务均衡，姆蕊诱务壤区浆部分话努量转 移到容鬣赘滴未充分利用的扇区：遵过智能最线灵活的辐射模式和定向性，可避 乎亍软更较韬换控镪：智麓天线静空掏域滤波可改善远近效应，简化功率控制，蜂 羝系统麓本遣暂减少察簸干撬，提高系统性艟。 镪天线技术对e d 淞移动遥镑琴绞匏性提璃帮成本下降帮鸯缀：定的佟禹， 退智能天线应用予e d 瞅系统黠，也围财带寒了相应懿豢阉裴，薅：智耱天线翡 校准、智能天线和其他抗干扰技术的结台、波束赋_ 黔的速度问题、设备复杂性的 考虑、共享下彳亍偿道及不连续发射、桢结构及有关物理屡技术等。 确阁予无线本地环路系统 在无线本她黪路系统审，基站对牧至# 懿上行窟弩遴行梵蘧，获得滚倍姆的警 凌特，程灸爨，进行上嚣波寨赋形，迭蘩l 最镶接数效聚。蠡予我系绕采嗣 潞方式， 可将上行波束赋形数据敷接用于下行发射储号，实现对下行波柬的赋形。炎线波 束赋形等效于提商大线增盏，改善了接收灵敏度靼基站发射功率，扩大了滋蕊鼹 离，并在一定强度上减少了多径传播的影晌。 4 北京邮电太学硕士请文第二掌管艚天线阵的基本问趟 2 2 餐麓天线静基零源瑾 智麓天线的基本羰耀是控制釉减多予抗，虿将无线电匏债号导海燕体静方 向，产生空间定向波束，使天线主波束对准用户信号到达方向d o a ( d i r e c t i o no f 打r v 8 1 ) ，旁瓣或零陷黠壤干挽臻号至达方彝，选要宠分离教裂薅移动耀户售芍 并删除或抑制干扰信号的日的。问时，利用备个移动用户间信母空间特 正的差异， 通过阵列天线技术在同一信道上接收和发射多个移动用户信号而不发生相互干 扰，搜无线龟额谱韵弱麓和信号酾传输更为有效。在不增加系统复杂度鲍情况下， 使用帮能天线司满足服务质量和嘲络扩容的需要。 餐l 天线熬基本缀簌如下蚕撅示： 棚l 褂 t m m 蹦# 。4 8 4 i “ 鼹：一l 智媳天线原理结，馋窭 由上翻所见，智能天线系统由以下几部分组成： ( 1 ) 天线阵列部分 天线簿元数煮n 与天线阵元昀熬置方式，对智靛天线麓佳麓有着壹搂的影确。 移动通信中n = 8 ，1 6 等。 ( 2 ) 阵捌形状 根搬天线阵元之间的几何关系，阵列形状大致可划分为：线阵、面阵、圆阵等。 ( 3 ) 模数转换 下行时它将搂拟信号转换成镬予数字信母赴理的数字信号，或者在上 亍时， 将处理后的数字信号转换成模拟信母。 强) 餐天线熬麓能捧现 5 北京邮电大学碰士论文第= 章帮能天缱阵的基本问磁 吏爱体现褒天线渡策在一定觞藏国内携掇握用户懿器要秘天绩转播拜璜懿教 变丽是矮应地避弦调熬，糍由舞令主要部势鳃戏： 8 以数字嵇墨疑理器和爨适斑簿浚为棱心静鸯适虚数字信鼍处理嚣，耀来产生 自遣应豹最优权德桑数l ，w 2 ，脚。 b ) 以动态囱遁皮如权网络拇成麴舀适应波象形成网络。 遮羹我船缀搽蓦争i 分嚣犬帮分来漭，第一帮分为天线阵列灏建，鄢系统搂 收搬躲瓣理，棼= 浆分搀智能天线的餐髓都分，鑫遥戏数字僖鸯娃臻器及波泵形 成翔络。 2 。3 暴绫接收壤熬基本藤壤 这墨结台智能天线中最简单的釉愤况一平均阀距线性蹲列( u 姒： 弧i f 蛙ml i n e 黼a r r a y ) 天线一一接替努援蓉统接牧枫的基本器遴，其接牧枫禚 理 a ) 翔灏2 2 所豕。锻设发送端发送信号之后，移动信道产生多经扩散现缘，信 道躲狰端应共离l 径，钎有径信号酾复数袭遮式为： s # * 如窜x 如窜x ，屯p ) y ( 2 一i ) 接收端的平均问躐线性阵列天线包含n 个阕距必d 竞金耀瓣驰全方尚天线，在 发送端距离接收端稷嚣豁情况下，可试为僖号岛( ) 刘遮每个天线的角壤褶同为 g ，注意每一径到达的角度不问。敬所有径信号s ( r ) 到达接收端的角成为：。 8 a g 魂吃) ( 2 2 ) ，7 。一。 ，” ，。 ，+ 、 ：粼弑j_ 1 ，。 。 ， 0 r 一* _ k _ 霹2 2 乎坶瓣雅践蛀阵列是线豫理翳 对应绶竣天线簿列( 天线传感器阵列) 输出为： x 和) 。0 q 秘) ，而移x x 。移) ，* 8 ) ) ( 2 0 ) ( 母( * l ，。，的为第m 个哭线输遗翡复信警。 蕊在只考虑革往，参考上强，设溶弩掰达蠢边酌第一个天线静时阍为o 基准，魁 到达第n 个天线的时间为。一1 ) s 壤粤，s l 入麴捃位为：。“舢8 要 下面翔个向螽来袭示新祷天线游逡釉关系： i ( 睡) 。( 1 e ”“糖，稿“8 ) r( 拍) 这个离爨拔嚣毙辫烈臻嶷矢鏊或嚣商矢量( s t e e r i 嘴v e e t o r ，。蠼褥天线簿硎输 e 北京邮电大学硕士精文 第二聋智能无缡畔的基车问麟 密为： ；。) ”善；( 最每t p ) + h o ) ( 2 5 ) 这里n ( t ) 秀接收端接投捌豹磲声。在多径情况下，强需将式( 2 一1 ) 帮( 2 吨) 代入翔 式( 2 5 ) ，即可得到： x ( f ) m a 8 冷9 ) + n 0 ) ( 2 6 ) 式中的 ( 田定义为o ( 8 ) - 轴瞧) ，# ( 龟) ，4 ( 钆) ) ( 2 7 ) 远里通过分析得出哭线阵的输出信号姆接收信号之间的关系。我们知道智能 天线鹣作趸莛旃焉产僖雒旗手撬傣号及噪声中提取，那么它到底是怎么工作静， 这就是下面要讲的智能部分 2 3 、2 翻援整理避程 瞧圈2 一i ，缀设簸望戆镑号巍露) 叁# 转) 方是入瓣，嚣干摅信号共卷g i 令， 分别来自其他弼户，其中第j 个干扰信号为；，( f ) 是从口球) 方向入射的，则阵元接 收的信号矢量为 蠢) 榔矗窜) ：s 坪) h 秘) ( 2 8 ) 这里只j 转x ( t ) 分为三部分，部分为期望接收的信号矢量靠，一部分 兔于携嫠号矢璧；，( f ) ，n ( t ) 为嗓声矢量。交国及己擘) 分裂懿下： s t o ) 一p ) 4 。( 绕) ( 2 + 9 ) sr 0 ) 黹s 。e ) 露：( q ，)( 2 一1 0 ) 缀加权商，天线眸的输出搿袭示为： y o ) * 矛2 i t ( f ) + 孓妒7 j ，p ) + 形7 “p ) ( 2 1 1 ) 斌( 2 一i l ) 孛翡兰顼分鄹表示：天线辫输毒豹赣羹静蔷号嚣扛) 、于撬信号 y ( ，) 和噪声信号k ( f ) 。现在的问题就是如何确定最佳权向量w ，以期达到抑制干 扰詹号y 。帮滤除噪声毽零瓣曩的。 如何获得加权困子哗是智能天线中波柬成型技术的一个核心问题。目前已 经提出很多著名薄法，概援地讲毒非蠢算法和盲算法两大类，菲盲算法器借助参 考信号，对接殴剜魏预先鞠道靛参考信号进行处理可璐确定出待道响应，再接 定准则( 如迫零准则) 确定各加敉值，或者巍接根据絮一准则翻适应地调整权值 ( 即算法摸型弱接头系数) 。零髑瓣准刘有爨，l 、均方误差涮鼹( 嫩n i m m e a n s q u a r ee r r o r ) 、最小均方l m s ( l e a 8 tm e a n8 q u a r e ) 和递归最小二乘等；而自适 应调整则采取最忧化方法，最常见鼬是最陡梯度下降法。我们套在下一章具体地 介绍各种；# 畜算法，并进行仿寞，阮较各种非盲算法特点。 宙算法无须参考信号或导频信号，它充分利用调制信号本身固有的、与其 搏承载售惑进姆蠢关静一麓特薤( 辩遥雹终、子空窝、有陵符号集、循环早稳等) 7 北京邮电大学硕士始文 第二常智能天线阵的基本问磁 来调整权值，以僮输蹬误差尽量小。常觅豹算法有常数模算法e 艟a ( c o n s t a n t m o d u l ea r i t h m e t i c ) 、予空间算法、判决反馈算法等。 嚣喜算法招对喜算法焉害，暹章误麓较枣，救簸速麦穗较浃，篷发送参考 信号浪费了一定的系统带宽。为此，又发腱了半曹算法，即先用非盲算法确定初 始投傻，再用蛮舞法进褥跟踪和调整。 波束赋鼯的目标怒根据系统性能指标，形成辩基带信号的最佳组台与分 配。软件无线电系统采用数字波柬形成d b f ( d i g i t a lb i n df o r m ) 。实现裙能天线 波象形成静方斌有两释：阵元空辩楚理方式和波束空闯整理方式。阵嚣空闻楚瓣 方式赢接对各陴元按接收信号采样并进行加权处理尉，形成阵列输出，使天线方 囱羁主瓣黠准髑户售号剿方懿，天线霹烈番簿元均参毫整适艇调整；波素空阉熊 理方式包含两级处理过襁，第一级对各阵元信号进行固定加收求和，形成指向不 同方向的波速，第二级对级输出进行自适应加权调整并合成，此方案不是对全 部阵髭静兢整体最优计算加较系数，而是强对部分阵元作自邋应处理，萁特点燕 计算擞小，收敛快，并且有良好的波束保形性能。 2 3 智能天线的最优权的准则 通过前面的讨论，我们知道最健权向量的选择是波束形成的关键，间时权向 量魏选舞基于簿魏接收僖号静统计蒋薤来避行昭，基本是按糕鞭先设定购准羽， 来优化波束形成器，使阵列输出y ( t ) 包含的来自嗓声和干扰的分量最小。 确定智能天线的性靛可戳采展不同的性齄度量礁删，它们遴耀于不嘲的信号 与接收环境，这些不弱准刚下的最优解都收敛子最小均方误差解。下面就讨论几 种不同的最优权准则。 23 1 最小均方谟麓准剐( 榭s e ) 交图2 i 可期，m 潲e 准裂鬻求滓剜输出信号y ( 0 与奉她参考蔷号) 之淘 的均方误差e f l ) 般小，即： a 毽m 汪联每8 带l 一嚣r p ) 一y 擘) l = e 咿p ) 一矿z n ；巨l p 0 ) 1 2 卜2 w 7 胄。+ 坩w ( 2 1 2 ) 2 一1 2 式中，为接毅信号矢量x ( 1 ) 与本地参考信号t ) 之间的互楣关矢量，邵 ；e 肚0 p p ) 】 ( 2 1 3 ) 显。秀搂峻基号煲垂x 辑戆囊相关矩簿，鄯 8 ! 塞塑皇查兰堡圭堡壅 苎三兰塑墼丝堕塑墨查旦塑 艮一e 扛( r 矿( f ) 】 ( 2 - 1 4 ) 欲使e 0 e o ) 1 2 】最小，即要求权矢量w 的梯度为o ，印v 。e 【i e ( f ) n = o ，可以求得 w 镕= 艮一1 也 ( 2 1 5 ) 通常称上式为维纳最优解。 23 2 最大惰干噪比s l n r 准则 信号干扰噪声比s d m 准则长用于通信系统中，它使系统输出的信号与干扰 噪声比达到最大，以实现系统误码率最小的要求。一般她，天线阵接收信号矢量 中包括有用信号墨p ) 、干扰信号x ，( f ) 及噪声信号n ( t ) ，则天线阵列输出信号可以 表示为 y 蜘w 7 耳( f ) + 三w 7 o ) + w ( f ) ( 2 - 1 6 ： 因此，天线阵输出信干噪比为 一= 雨器麓然而 。芝!( 2 1 7 ) w ”只，i w + w “屯w 式2 1 7 中，为k 第个期望信号矢量的互相关矩阵；为k 1 个干扰信号的互 相关矩阵；r 。为噪声分量的互相关矩阵。同理。可以求得最优权值为 w m 一“+ 咒。) u ( 2 1 8 ) 式2 1 8 中，“为系数；u 为信号空间特征矢量，并可证明此解收敛于维纳最优 解。 23 3 最大似然准则 似然性能度量主要用于期望信号波形完全未知时，这时期望信号可以认为是 一个待估计的时间函数。此时，定义输出信号矢量的似然比为： l p 0 ) 一一l i l 【p ( y ( f ) ，o ) 】 ( 2 1 9 ) 同样，也可以求得输出信号矢量当似然函数为最大时的权重矢量为： ( r w + ) v t ( 2 2 0 ) 4 矿茏五赢 可以证明它也收敛于维纳最优解。 从以上讨论可见，各种准则的最优权值密切相关，均收敛于维纳最优解。因 9 北京邮电丈学硕士论文 第= 章智能无拽陴白勺萋本问题 诧，遗簿萁母菜一个势不其春决定意义，然蔼选择溺一种翼涪，进行渡粜方角的 调挞却是非常重要的。因此兔这些冀法决定了天线阵列的暂态响应的速率和实现 电路的复杂度。 上丽的三种方法中实际上都育一个代价函数( c o s tf u n c t i o n ) 的问题。在一 个鼗优亿波束形成嚣中，通过使菜个代价随数最，j 、纯采实现方内图鲍自遥应影 戒。典疆地，逮个代徐蘧散反眈子簿捌输出端的信号瓒量。这样当代价聪数最小 时，麟列输出端傣号威量戟选到了最优。其中，潮s s b s 方法馊阵列输出溃信号 与麓塑镶号的差馕最小，醚8 x 涮r 靛麓枣缀理怒使薄烈蟪出端於嫠嗓媳最大，嚣 l c m v 方法要求预先知邋波达方向，在移动通信中这个参数必须避 行估计。 l s 方法是基于用时间平均替代统计平均。在l s 方法中，观铡信鸯与期望响 应嵇芎之间差的平方的时阐平均值在一个时黼窗肉最小化。这酣，权矢鬣只是在 褒溅时润窑蠹达到了最伐。然瑟，不器要平稳蛙熬假设，不嚣簧额辨靛逡经，鉴 于璐孵簿法哥豁囊接实现。毽燕+ 我稍在波泰戆最忧纯澎戒中通鬻都不麓接释方 程，即上面给出的最优解方程，丽悬通过自适应过程遮代完成鲍。这是出予以下 的考虑。首先，由于移动信道怒对变的，投矢量的解必须周期牲地更勰。典溅 地，次循环计簿的税矢鼙与上敬结粜相麓不多。其次，由于用来估计最健 艇黪数据是爨声，使霜一种迭代技术采藏，j 、礤声静影嫡是合适鹋，帮粥上一次较 矢量斡簸去警游避洼薅应辩信诗。 与喇s e 方法对应的自遗应算法怒最小均方( l e s tm e a ns q “a r e ) 算法，篾嚣 l 髂箨法：与l s 方法对应的囊适应黧法是递摧畿小二隳( r e c u r s i v el e 8 s ts q u a r e ) 算法，简称r l s 算法。涟意，r l s 算法只是k a l m a n 算法的简化彤式。这两种簿法我 们会在下一章做其镩的讨论。 2 4 智熊天线的分类 智麓天线怒一个比较大的概念，根据不间的要求，它的分类也不阚，一般可 以分为兰类：空间分集接收、开关波荣天线和自适应天线阵列。它们的复杂度依 次递增，性旋瞧袋次递增。智靛天线麓分袋标准不蠲，瓣痖静方法也不同。迢寄 一点怒稳固懿，智麓天线瓣最毫鼷豁是空分篾藤f s 蛰m a ，箕襁新有天线垒部是 它的过渡形式。 ( 1 ) 空阈分集接收 空间接收示意圈如下图所示。图2 3 中，简单表示了智能天线与接收机相接 豹情凝，冀中静d 燕稽两个天线之间酌距离， 为载被翁波长，一般情况下d ，a 。 o 北京邮电大学硕士论文 第二章智能天线阵的基本问题 接收机中的信道估计器对每个天线接收到的所有用户的信道脉冲应进行估计，将 估出的响应值与接收到的信号值一同送到空间分集算法，最后计算出信号估计 值。 、到达的信母 k 图2 3 空闻分集接收机和信号接收示意图 ( 2 ) 开关波束天线 图2 4 是开关波束天线接收机的示意图。在开关波束天线系统中，阵列加权 矢量是预先设计好的，因此，天线的工作模式有限，只能在几种波束覆盖模式中 选择，随着用户在小区中的移动，基站选择不同的相应波束，使接收信号最强。 接收机中的空间角度搜索模块的作用是寻找移动用户所在的波束：信号滤波器只 对波束指向的用户进行信号处理，t d d 方式下可以结合一些联合检测的技术进行 滤波。在开关天线系统中，利用天线阵列发射一系列相互重叠的波束，对整个小 区进行全方位覆盖，每一个波束能量集中方向不同，相互之间以一定的角度区分。 因为用户信号并不一定在固定波束的中心处，当用户位于波束边缘、干扰信号位 于波束中央时，接收效果最差，所以开关波束天线不能实现信号的最佳接收，通 常情况下只作为接收天线使用。但是于下面介绍的自适应阵列天线相比，开关波 束系统具有结构简单、无须判定用户信号到达方向的优点。因波束覆盖范围较全 向天线和扇形天线的要小，故能减小其他用户对此用户的干扰，提高系统性能。 对开关波束天线系统来说，核心的任务时如何设计阵列加权矢量集合，在实 现全部用户区域覆盖的同时获得最好的接收效果。 图2 4 开关波束天线接牧机示意图 ( 3 ) 自适应天线阵列 1 1 北京邮电丈学硕士论文第二章智自e 天线阵的基本问题 自适应天线阵列的接收设备与开关波束天线有些相似，都是基于波束的，但 它们的具体操作不同。自适应天线阵列示意图如图2 5 所示自适应天线主要采用 一个天线阵列，对每一个用户进行到达角度估计，在对移动用户正确定位的基础 上，估计用户信道，最后得到想要的信号。图中，到达角度估计( d o a ，d i r e c t i o n o fa r r i v a l ) 模块是接收机中最重要的一部分，接收机根据这个估计定位移动用 户的位置，形成对应的波束，随后在这个波束覆盖的区域建立通信链路。信号估 计模块，对每一个波束中用户的信道进行估计，为后面的信号恢复提供信道信息。 信号滤波器，利用上两个模块提供的估计信息对接收到的信号进行滤波处理，消 除符号间干扰和用户问干扰。与开关波束天线不同， 自适应天线能够准确地估 计出用户的位置，利用基站分配的波束进行上下行链路通信。通信时波束直接对 准用户，避免或者减小了多径形成的可能，也减小了其他用户发射的功率，( 包 括蜂窝内和蜂窝间的) 干扰。最终的好处就是降低扩大了基站的覆盖范围，提高 了蜂窝的容量。 自适应阵列天线时智能天线技术的研究重点和发展方向。从前面的讨论中可 以看到，由于阵列天线具有确定的拓扑，能实现对信号的空间过采样，因此，接 收到的信号中包含了空间方向信息。但在实际系统中，这种方向信息往往受到干 扰、噪声及信道特性的影响。在自适应天线阵列技术中，核心问题就是如何在干 扰和噪声中提取期望信号。下一章将就自适应天线阵列中的这一问题做专门的研 究。 图2 5 自适应天线示意图 2 5 智能天线的特点 智能天线又很多的优点，它潜在的性能效益表现在多方面，例如，抗多径衰 落、减小时延扩展、支持高数据速率、抑制干扰、减少远近效应、减小中断概率、 改善比特差错率性能、增加系统容量、提高频谱效率、支持灵活有效的越区切换、 扩大小区覆盖范围、灵活的小区管理、延长移动台电池寿命以及维护和运营成本 较低等等。智能天线能改善系统性能，提高通信质量。采用智能天线技术可提高 1 2 北京邮电大学顼士谙文第= 章智能天绒陴的基本问麟 第三代移动通信系统的察鐾及菔务质量，w e d 融系统藏采用自满应天线阵列技术， 增加系统容量。我国t d s c n m 系统是应用智能天线技术的典型范例。t d s c d l i l a 系统粱震l 方式，镬上下蔻频嫠遵完全对称，哥嚣对簿决诸露天线上下行渡裘 赋形、抗多径干扰和抗莎址干扰等问题。该系统具有准确的定位功能，可实现接 力蠕按，减少傣道资源浪费。智熊天线能搬赢频谱利用效率，增加羼终容量。饕 能天线通过空分多址，将基站天线的收发限定在一定豹方向角范围内，其实质怒 分配移动通信系统工作的空间区域，使空间资源之间的交叠靛小、干扰最小。 餐缝天线有禳多鹊优势，这留芷是它褥器重撬及发震翡擐困，曩体来说可 以归纳为以下儿个方面： ( 1 ) 撬衰落 在陆地移动通信中。电波传播路径由反射、折射及散射裔勺多径波组成，随 着移动台移动及环境变化，信号瞬时值及趱退失真的变化非常迅速，麒不规则 造戒馕号衰落。采焉全离天线接收所有方囱的信号，或采用定向天线接收菜个鞭 定方向的信号，都会因袭落使信母失真较大。如果馊用智能天线控制接收方向， 天线蠡适应逡拣袋波束的方自蛙，镬褥延：i 嚣渡方淘熬壤益最小，减步信号衰落熬 影响，如图2 6 所示： 怒 目2 6 智能天线艨理 锶能天线逐可用于分集，减少衰落。电波通过不同路径剥达接收天线，其 方向角各不楣潮，零j 蠲多翻携商不同静鑫遣斑接收天线，将这整分量隔离开，然 后再台成处理，即可实现角度分集。 ( 2 ) 抗干扰 用高增益、堆波束智能天线代替现有f d m a 和t d m a 基站的天线。与传统天线 相比，用1 2 个3 0 0 波束天线阵列组成3 6 0 0 垒覆盖天线的同频于扰耍小樽多，将 智能天线用于c d m a 基辩，可减少移动台对萋站静于抗，改薷系统性能。如下 图所示： 1 3 j 京辩奄夫学弼 谶文 薷二掌罄繇无睦鞯瓣基奉惩莲 全向天线三扇隧小区智能天线小区 霉2 7 智能天线小氍盼分配 抗千扰应用的实质是空间域滤波，智能，毛线波柬具有方向性，可区别不同入 射舞熬无线电波。罨调蘩控翱天线簿萃元豹激藏“蔽谴”，其诫整方式每其有黠 域滤波特性的自适应均衡器类似，可以自适应电波传播环境的变化，优化天线阵 列方囱蘧，将冀“零点”毒动对准干扰方囊，丈太挺藤阵列的瓣出售躁比，提高 系统的可靠性。 ( 3 ) 增加系统容量 鸯了满足移动透信监务盼巨大搿求，应嚣蠢扩大璇骞基站容量和覆虢范围。 要尽量减少新建网络所需的基站数盘，必须通过各种方式提高频谱利用攀。方法 之一是莱用智熊哭线技零，用多渡藏扳皱天绒代替普遴天线。盛子天线渡策变窄， 提高了哭线增益及c i 指标，减少了移动通俗系统的简频干扰，降低了频谱复用 系数，提高了频谱幂4 用效率。使用错能天线麝，无须增螺新的糕站就可改善系统 覆盖葳器，扩大系统容羹，增船现肖移动通信网络基础设施盼憔能。 未来的智能天线应能允许任一无线信邋与任一波荣配对，这样就可按需分 配绩道，漂证呼氍阻塞严震嚣建嚣获褥较多偿遂蜜滚，甓鼓手壤蕊了建娄建区黪 无线网容量，采用智能天线是解决确密市区蒋量难题既经济又嵩敛的方黎，可在 不影响通话质量的情况下，将基站嬲鬻成全国连接，大幅度提离基站容鬟。 ( 4 ) 蜜现移动裔定位 在陆地移动通信中，如果基站采用智能天线阵，一旦收到信号，即对每个 天线元簿连接收辍产生的确虚鼗辐威趣理，获簿该信弩秘室褥特程矢量及矩阵， 由此获得信号的功率估值和到达方向，即用户终端的方位，通过此方法，渭两个 基站就酵姆用户终端定位到个较小送域。 虽说智能必线有以上好处，但它的几个缺陷，又不得不让使用者权衡再 三，鼠现实曼廑罨技黎合巍藏浆况躲最嚣选撵。 ( 1 ) 传输接收的复杂性 这遐智能天绫最大的缺点。很显然，智能天线的传遴接收要比传统基始接收 复得多。茜为智能天线中鸯逶应矩阵、波束角度估诗戳及移动渣道的跟踪，都需 4 北京邮电大学硕士论文 第二章智能天线阵的基本问题 要很高的计算量，这就要求基站具备很强大的数字处理器，才能满足用户的 实时需要。因此在硬件条件达不到的情况下，高计算量就成为智能天线得不到普 遍应用的主要原因。 ( 2 ) 资源管理难度大 虽说智能天线主要属于无线技术，但它也涉及到一些网络功能，如资源和移 动管理。在使用智能天线的系统中，为了波束定向发射的需要，要求对每一个用 户的位置，即用户的空间角度进行估计，此时空间角度就成为一种新的资源。分 配这种资源时，既要考虑到最大限度的提高系统的容量，又要考虑到用户之间的 干扰，这样才能确保系统的性能最佳。可想而知，此时相位角的分配算法要比现 在使用的资源分配算法复杂的多、难的多。加上码都相同的情况下，两个不同的 空间角度就成为两个物理信道。在物理信道分配中，当发生冲突需要进行信道之 间的切换时，使用的切换算法就要比只有三种资源情况下的复杂，移动用户的切 换管理也要难得多。 ( 3 ) 增大了设备的尺寸 设备尺寸的大小，对设备的性能没有什么决定性的影响，但对于不断碱小基 站规规模的要求，还是要考虑的。 1 5 北豪邮电天学碗士论文第三章自遣威波柬成艇算 当的研究 第兰颦巍邋成波柬娥墼算法蠡馨硪究 波柬成型避过使用融态鲍天线阵列对簿一个特定躲蹦户形戏警豹渡柬来撬 高接搬髅号豹靛擞或信滦融。鲡2 是一个渡柬擒型累统。 通常有3 种类型的波柬成露：歼关波柬成型，自适应波柬成型和戚馈波束成 型。褒t 一章避缀设了具体介缨。零章案壤讨论囊遴应波裳贼毯熬相关内容。 囊邀应渡袋裁型系绫弼强嚣佟爨一个空阐滤泼瓣，在青筋藩号和平扰信号方 庭分g 产生遴繁巍阻带。猩特寇弱无线信遴串，波束成澄系统鼹够将一个波束转 齑个独立熊蠲户。遗种臻统通道凇确凄稻复杂虞静变化，侵用氨莲应技术采携 高控制冤线涟接的波瓣和零点的能力。系统提供最大增盏，同时壤别、鼹踪、最 小纯千魏售警斡接收。蠹适应波束成型綦躐碍默在于摅蓿号筵形成零点馊褥宅跑 开关波采裁嫠必线寄蔓好翡表现。懂是，程实际静移动环境中，来波的方向一窟 在改燮，信号矢嚣扮稽关矩淬也盛黩篷变化，蠲丽不缝联褥充分鞠样本准确的话 计樱关簇阵，徽袋傀渡柬形成。蠹适应渡柬形成艇懿拣蹙充分裂嗣接牧蘩号信息， 实时调整地权系数，使天线波柬能够实时她跟踪米波蛇磐囊。即，在波寒憾型鬣 鲮孛，趋透盛算法棼常霆要，篓法决定了天线薄暂态响鹰静速率和实蕊龟路豹复 杂寝，所以它建天线弊刚怒溪的拔心部分。在自适应天线阵列的发展过程中，主 要的磷究集中予阻下死个阿题，即蓥予d o a 估计豹囊逡度算法、基于嚣羰煦岛遥 废冀法郓盲盆适应算法 1 蛔。 为了得到傣邀培穗，我们霹以搜爆厦饿。为了蠖髂道匹蕺，接牧方分解铸 遵并搓牧端鳝台戏一个个黪淘鬣，菇将踟投向羹反馈给菠端。也就是髓，馊整个 系统达到最优。有很多方法可以用柬计算加权向量，例如奇异德分解s v d 特征 渣分解8 v d 等。糗蘧变纯豹信道裰攘反馈褥鲥的般投霸擞与绩遵不匹懿，我菜襻 疆凄上袭臻不丈好。 瞧我们躲篆统申( 繁疆章) ，遂过信道的恶反镁褥蓟信遂酶髂计僚惑。投端 海发端请求发遴一个s o d i n g 阳。如o ，牧端枝瓤菇搬掇s 8 u n d i n gp a e k o t 撼取 出信道信息。并假定前内信道和反向傣道相脚。 3 ，1 塾子a 俄计的自邋应算漩 在自邋应天线阵列按术的研究中，信源方向估计一巅占摄捌垮重要的女呶位， 赫别是在冀早期发髓酴段辩声纳、露这、霉蓼应翅鬟域，程蓠蠢搓蹬诸嫡登闫港 北京邮电大学硕士论支第三章自适应波柬成型算法的研究 估计方法、线性预测法、最大熵法、最大似然法和各种基于子空间的算法等。从 第二章的讨论可知，进行波束形成必须估计期望信号的方向矢量，很自然的想法 是，如果能估计到期望信号的来波入射角，就可以直接形成阵列加权矢量，从而 获得空域滤波增益。因此d o a 估计向量得到了广泛的关注和深入的研究，下面介 绍两种比较成熟且适用于移动通信系