（信号与信息处理专业论文）降低感知无线电传输中干扰的算法研究.pdf

重庆邮电大学硕士论文摘要 摘要 感知无线电技术能够很好地解决目前存在的频谱匮乏问题，充分利用了空闲频 谱资源，极大程度上提高了频谱利用率。由于频率划分和使用政策的约束，授权用 户在使用频谱资源时具有优先权，感知用户在使用空闲频谱时不能对授权用户造成 干扰或者不能影响授权用户的正常通信。波束赋形技术本质上是一种传输预编码技 术，它能够利用空间信道的状态信息或者用户信号的波达方向实现信号的优化传输 并且能够提高系统的性能。本文主要研究基于波束赋形降低感知无线电传输中感知 用户对授权用户干扰的算法。 首先讨论了自适应波束赋形算法的分类，波束赋形常用的准则，以及常用的波 束赋形算法，简单概述感知无线电网络的基本特性和结构，分析了将波束赋形应 用于感知无线电网络中的意义和优势。 然后，本文引入感知用户网络和主用户网络共存的系统模型，针对如何完全消 除感知用户对主用户的干扰给出了一种基于迫零准则的最佳波束赋形算法。与经 典的迫零波束赋形算法比较，该算法既能够消除对主用户的干扰，还能够提高感 知用户自身的性能，并且对主用户的性能影响上和迫零波束赋形算法效果近似。 仿真结果证明了该算法的性能优势。 最后，给出了一种基于最小s 姗己约束抑制感知用户对主用户干扰的波束赋形算 法，在满足感知用户发射功率约束和接收端最小信干噪比约束的条件下，最小化 感知用户对主用户的干扰来设计波束赋形矢量。为解该优化问题，将它转换成为 凸优化问题中的半定规划问题，并且利用凸优化工具箱c v x 来求解近似最优的波 束赋形矢量，另外还采用随机化算法来求解近似最优的波束赋形矢量。仿真结果 显示了该算法能够很好地抑制感知用户对主用户的干扰。 关键词：感知无线电，波束赋形，预编码，波达方向，凸优化 a b s t r a c t c o g n i t i v er a d i op r o p o s e da sap r o m i s i n gt e c h n o l o g yc a l ls o l v et h ee x i s t i n gp r o b l e m t h a tt h es p e c t r u mr e s o u r c e sa r es os c a r c ea tp r e s e n t ，i tc a l la l s om a k eb e t t e ru s eo ft h e i d l es p e c t r u mr e s o u r c e sa n di m p r o v et h es p e c t r u me f f i c i e n c yg r e a t l y d u et oc o n s t r a i n e d b yc u r r e n tf i x e df r e q u e n c ya s s i g n m e n ta n d u s ep o l i c y , l i c e n s e d ( p r i m a r y ) u s e rh a st h e p r i o r i t ) rt ou t i l i z et h ef r e q u e n c ys p e c t n m ar e s o u r c e s ，t h e r e f o r e ，c o g n i t i v eu s e rc a nn o t c a u s es e r i o u si n t e r f e r e n c eo ra f f e c tt h en o r m a lc o m m u n i c a t i o nt ot h el i c e n s e du s e r b e a m f o r m i n ga k i n do ft r a n s m i s s i o np r e c o d i n gt e c h n o l o g yi ne s s e n c ew h i c hc a nu t i l i z e t h es p a c ec h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o no rt h ed o a ( d i r e c t i o no fa r r i v a l ) o fu s e r ss i g n a l ， a c h i e v et h et r a n s m i s s i o no p t i m i z a t i o na n de n h a n c et h ep e r f o r m a n c eo ft h ew h o l es y s t e m i n t e r f e r e n c er e d u c t i o na l g o r i t h mb a s e do nb e a m f o r m i n gf o rc o g n i t i v er a d i ot r a n s m i s s i o n w a sf o r m u l a t e d ，a n dt h ei n t e r f e r e n c ei n v o v l e di nt h i sp a p e rw a sc a u s e db yc o g n i t i v e u s e rt op r i m a r yu s e r f i r s t l y , t h ec l a s s i f i c a t i o no fa d a p t i v eb e a m f o r m i n ga l g o r i t h m s ，g e n e r a lr u l e so f b e a m f o r m i n ga l g o r i t h m s a n dt h em o s tc o m m o nb e a m f o r m i n g a l g o r i t h m s w e r e d i s c u s s e d t h eb a s i cc h a r a c t e r i s t i ca n ds t r u c t u r eo fc o g n i t i v er a d i on e t w o r k w e r eb r i e f l y i n t r o d u c e d ，m o r e o v e r , t h eb e n e f i t sa n ds i g n i f i c a n c ew h i c ht h eb e a m f o r m i n g w a sa p p l i e d i nc o g n i t i v er a d i on e t w o r kw e r ea n a l y s e d s e c o n d l y , t h es y s t e mm o d e lt h a tt h ec o g n i t i v eu s e rn e t w o r kc o e x i s t sw i t hp r i m a r y u s e rn e t w o r kw a sd e v e l o p e di nt h i sp a p e r t h e n , a no p t i m a lb e a m f o r m i n ga l g o r i t h m b a s e do nz e r o f o r c i n gc r i t e r i o nw h i c hc a nc o m p l e t e l ye l i m i n a t et h ei n t e r f e r e n c ec a u s e d b yc o g n i t i v eu s e rt op r i m a r yu s e rw a sp r o p o s e d c o m p a r e dw i t hc a l s s i c a lz e r o f o r c i n g b e a m f o r m i n ga l g o r i t h m ，t h ep r o p o s e da l g o r i t h mc a l ln o to n l ye l i m i n a t et h ei n t e r f e r e n c e c a u s e dt op r i m a r yu s e r , b u ta l s oc a ni m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fc o g n i t i v eu s e ri t s e l f , f u r t h e r m o r e ，t h ee f f e c t s o np r i m a r yu s e r sp e r f o r m a n c ea p p r o x i m a t et ot h a to f z e r o - f o r c i n gb e a m f o r m i n ga l g o r i t h m t h es i m u l a t i o nr e s u l ts h o w e dt h a tt h eo p t i m a l b e a m f o r m i n ga l g o r i t h mh a sab e t t e rp e r f o r m a n c e f i n a l l y , b e a m f o r m i n ga l g o r i t h mb a s e do nm i n i m u ms i n rc o n s t r a i n tw h i c hw a s u t i l i z e dt or e s t r a i nt h ei n t e r f e r e n c ef r o mc o g n i t i v eu s e rt op r i m a r yu s e rw a sa d d r e s s e d t h eb e a m f o r m i n gv e c t o rw a sd e s i g n e db ym i n i m i z i n gt h ei n t e r f e r e n c ew i mt h ep r i m a r y u s e ru n d e rt h ec o n s t r a i n t st h a tc o g n i t i v eu s e rt r a n s m i tp o w e rl i m i t a t i o na n di t sr e c e i v e r m i n i m u ns i n rl i m i t a t i o nw e r es a t i s f i e d s i m u l t a n e o u s l y i n o r d e rt os o l v et h i s n 重庆邮电大学硕士论文 a b s t r a c t o p t i m i z a t i o np e o b l e m ，i tw a st r a n s f o r m e di n t oas e m i d e f i n i t ep r o g r a m m i n gd u r i n gt h e c o n v e xo p t i m i z a t i o np r o b l e ma n dt h e nt h ea p p r o x i m a t i v eo p t i m a lb e a m f o r m i n gv e c t o r s o l u t i o nw a so b t a i n e dt h r o u g ht h ec v xm a t l a bt o o lb o x ，a tl a s tt h ea p p r o x i m a t i v e o p t i m a lb e a m f o r m i n gv e c t o rs o l u t i o nw a sa l s oo b t a i n e db y t h er a n d o m i z a t i o na l g o r i t h m n u m e r o u ss i m u l a t i o n sw e r ec o n d u c t e da n di tw a ss h o w nt h a tt h ep r o p o s e da l g o r i t h m c a l lr e s t r a i nt h ei n t e r f e r e n c et op r i m a r yt l s e rs i g n i f i c a n t l y k e yw o r d s ：c o g n i t i v er a d i o ，b e a m f o r m i n g ，p r e c e d i n g ，d i r e c t i o no fa r r i v a l ，c o n v e x o p t i m a z a t i o n i i i 重庆邮电大学硕士论文 缩略语 c r s r q o s s a s d 浓 c s i d o a s d p s d m a 删 u c a t d d f d d m m s e l c m v l m s r l s c b s p b s p u s u 缩略语 c o g n i t i v er a d i o感知无线电 s o t t w a r er a d i o软件无线电 q u a l i t yo f s e r v i c e服务质量 s m a r ta n t e n n a s智能天线 s i g n a lt oi n t e r f e r e n c ep l u sn o i s er a t i o 信干噪比 c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n信道状态信息 d i r e c t i o no f a r r i v a l波达方向 s e m i d e f i n i t ep r o g r a m m i n g半定规划 s p a c ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s 空分多址 u n i f o r ml i n e a ra r r a y均匀直线阵列 u n i f o r mc i r c l ea r r a y均匀圆阵列 t i m ed i v i s i o nd u p l e x时分双工 f r e q u e n c yd i v i s i o nd u p l e x 频分双工 m i n i m u mm e a ns q u a r ee r r o r最小均方误差 l i n e a rc o n s t r a i n tm i n i m u mv a r i a n c e线性约束最小方差 l e a s tm e a ns q u a r e最小均方 r e c u r s i v el e a s ts q u a r e s递归最小二乘 c o g n i t i v eb a s es t a t i o n 感知用户基站 p r i m a r yb a s es t a t i o n 主用户基站 p r i m a r yu s e r 主用户 s e c o n d a r yu s e r感知用户( - - 级用户) i v 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 1 1 感知无线电概述 第一章绪论 随着无线通信业务的飞速发展，用户对各类数据服务的要求越来越高，使得所 需要的无线频谱资源越来越多，频谱资源已显得越来越匮乏，当前公认为频谱资源 是一种珍贵的稀有资源。目前研究发现，大部门已经分配的频谱资源的实际利用率 并不高，大量的频谱处于空闲状态。如图1 1 所示为0 6 g h z 的频谱使用情况，图中 我们可以看出大量的频谱都处于空闲状态，频谱的利用率很低。 m a xi m u ma m p l i t u d e s j 基 盘 2 名 三 i 一 氩 h e a v vu辩h始vy u s e j一 l s p a r s eu s em e d l u mu 鳙 l _ - 【 l j i 赵。i 。 ：鑫瓢l 。一 i 。ii 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 出的，他认为感知无线电是软件无线电( s o f t w a r er a d i o ) 的智能化和特殊扩展，感 知无线电具有学习和推理能力，能够通过学习不断感知无线环境的变化，并通过自 适应地调整自身内部的通信机理来适应无线环境的变化【3 】。美国f c c 于2 0 0 3 年给出 了一种新的感知无线电概念，它认为感知无线电是无线终端利用与周围无线电磁环 境进行交互所获取的无线背景知识，调整传输参数，实现无线传输的能力。 感知无线电不同于一般的无线电系统，它具有环境感知、适应环境、重新配置 和自主运行等鲜明的特征，它通过一种伺机的方式共享和利用频谱，自动检测周围 环境，智能地调整参数以适应环境的变化，在保证授权用户正常通信的条件下从空 间、时间、频率等多维地利用空闲频谱资源进行通信。感知无线电可以实现“见缝 插针 地利用空闲频谱通信，提高了频谱的利用率，充分利用了空闲频谱资源，因 此它是无线电发展的一个新的里程碑，是未来无线通信的一个重要发展方向。 1 2 论文选题背景与意义 由于频率划分和使用政策的约束，授权用户在使用频谱资源时具有优先权，感 知用户( c r 用户) 在使用空闲频谱时不能对授权用户( 主用户) 造成干扰或者不 能影响授权用户的正常通信。感知无线电的一个重要思想就是：当感知用户感知到 主用户不在使用授权频带时，它就在这一频带上进行通信，而一旦主用户开始使用 授权频带，感知用户必须离开这一授权频带，并开始感知其他的未用授权频带。 空闲频谱检测技术是感知无线电的核心技术之一，它主要检测某感兴趣的频段 是否存在主用户信号，判断该频段是否处于空闲状态，从而决定该频段是否可用。 采用良好的频谱检测算法能够提高空闲频谱检测的准确性，从而可以避免对授权用 户造成干扰。当频谱检测失效的情况下，感知用户无法确定主用户的存在，此时感 知用户和主用户共存于同一频带势必会对主用户造成干扰，我们应该消除或者尽量 减少感知用户对主用户的干扰，不对主用户的正常通信造成影响，保证主用户的服 务质量( q o s ) 。 干扰问题 4 1 是感知无线电无法避免的重要问题，感知无线电传输中的干扰主要 有以下三类：( 1 ) 感知网络内各感知用户之间的干扰( 2 ) 主用户网络内各主用户之 间的干扰( 3 ) 感知网络和主用户网络之间的干扰。目前网络内部各用户之间的干扰 可以利用很多相关技术得以解决，例如：多用户检测、干扰抵消、干扰协调和干扰 避免等【5 】。基于此，本文考虑的感知无线电传输中的干扰主要就是感知网络与主用 户网络之间的干扰。由于主用户在使用频谱资源上具有优先权，因此我们应该消除 感知用户对主用户的干扰或者尽量抑制这种干扰，不影响主用户的通信质量。 2 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 智能天线( s m a r ta n t e n n a s ) 中的自适应天线 6 - 9 】采用数字信号处理技术根据一 定的准则形成天线阵列的加权矢量，在期望用户方向上形成主波束，在干扰方向上 形成零陷，这样既可以在期望用户方向上获得较高的增益，而在干扰方向上获得较 低的增益，起到了提高信干噪比( s i n r ) 的作用。波束赋形( b e a m f o r m i n g ) 是智 能天线中的核心技术，它本质上是一种传输预编码( p r e c o d i n g ) 技术【lo 】【1 1 】，它利用 空间信道的状态信息( c s i ) 或者空间信号的波达方向( d o a ) 实现信号的优化传 输并且能够提高系统的性能。感知无线电中的一个重要问题是尽量抑制感知用户对 主用户的干扰，并且提高感知用户自身的性能。将波束赋形技术应用于感知无线电 系统，我们可以在感知用户方向上形成主波束，在其他用户( 包括主用户和其他感 知用户) 方向上形成零陷，这样既能够降低感知用户对主用户和其他感知用户的干 扰，同时也能够提高感知用户本身的性能。因此，将波束赋形技术应用于感知无线 电系统中具有重要的意义。 1 3 国内外研究现状 目前关于降低感知无线电传输中干扰的相关技术已取得了些进展。文献 1 2 】 中给出了感知无线电传输中感知网络和主用户网络共存的系统模型，并且在此模型 基础上分析了两种类型的干扰，即：感知用户对主用户网络的干扰和主用户对感知 网络的干扰。在分析主用户对感知网络的干扰时，在感知用户的接收端采用相关的 信号处理技术来抑制或者消除来自主用户的干扰。文献中根据主用户网络和感知网 络的分布区域情况，分别在感知用户接收端采用相应的技术来抑制干扰，例如：干 扰消除、接收端波束赋形、干扰抑制和基于滤波器的方法等等。另一方面，在分析 感知用户对主用户的网络间干扰时，文献中提出了在感知用户的发射端采用频谱调 整、预失真滤波、扩展频谱和发射波束赋形等技术可以抑制干扰，其中发射波束赋 形技术在性能上可以实现最优，它能够自适应地选择天线的加权矢量来调整波束的 方向，在主用户接收端方向上形成零陷，在感知用户接收方向上形成主波束，这样 既可以抑制感知用户对主用户网络的干扰同时也能提高感知用户自身性能。 目前降低感知无线电传输中感知用户对主用户的干扰主要利用的是波束赋形 技术。文献【1 3 中简单介绍分析了发射端的波束赋形和接收端波束赋形技术应用于 蜂窝系统中来提高系统的性能，而将波束赋形应用于感知无线电系统中既能够抑制 感知用户对主用户的干扰同时也能够提高感知用户自身的性能。文献 1 4 1 6 利用感 知用户发射端的波束赋形技术，实现了其发射端的功率控制、分配和调度，合理的 感知用户发射端的功率控制、分配和调度可以降低感知用户对主用户的干扰。文献 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 1 7 1 9 】给出了一种发射b e a m f o r m i n g 方案，这种b e a m f o r m i n g 方案在满足c r 用户 对主用户接收端的干扰约束和c r 用户发射端功率约束下实现了c r 用户接收端的 功率最大化，它能够很好地实现c r 用户对主用户的干扰抑制和c r 用户自身链路 性能两者之间很好的平衡性。文献【1 7 】中在考虑信道估计上引入了信道估计误差的 极值，将原优化问题转换成为数学上的极值边界问题。文献 1 8 】中还考虑到了主用 户的移动性，通过c r 用户发射端获知主用户的移动位置来估计信道参数，从而可 以来设计c r 用户发射端的b e a m f o r m i n g 矢量。文献 1 9 】中将原约束问题转换成概 率约束，利用概率论理论来求解最优的b e a m f o r m i n g 矢量。文献 2 0 2 1 在设计发射 波束赋形矢量时，主要是在满足c r 用户发射端功率一定和c r 用户对主用户干扰 低于一个干扰可容忍阈值时，最大化c r 用户自身链路的信道容量来设计 b e a m f o r m i n g 矢量。在考虑c r 发射端对信道状态信息的获知时，文献 2 1 假设了 c r 发射端对干扰信道的估计存在估计误差。文献 2 2 r 9 考虑了一种特殊的网络系统 模型，感知用户和主用户均匀分布在圆内部，感知用户的发射机位于圆的中心，在 感知用户发射机利用b e a m f o r m i n g 来降低干扰，实际中很难达到这种系统网络模型。 文献 2 3 2 7 1 中在设计c r 发射端波束赋形矢量时，满足的目标函数是最小化c r 发 射机的功率，满足c r 用户接收端的s i n r 约束和对主用户的干扰约束。文献 2 3 】 中考虑了信道存在误差，且误差有一定的极值范围。文献 2 7 】中假设c r 发射机对 c r 自身链路的信道状态信息和干扰信道状态信息的获知都是存在估计误差的，最 后利用凸优化理论中的s d p ( s e m i d e f i n i t ep r o g r a m ) 求取最优的波束赋形矢量。文 献 2 8 2 9 中在求取最优波束赋形矢量的优化问题时，利用了上下行链路的对偶性， 构造拉格朗日算式，最后利用k k t 条件来求解最优波束赋形矢量。文献 3 0 提出的 自适应波束赋形准则是基于子空间理论。文献【3 1 考虑了在c r 用户和主用户的发 射机同时采用波束赋形技术，这样既可以抑制感知用户对主用户的干扰，同时也能 够降低主用户对感知用户的干扰。文献 3 2 】中是利用基于数学理论的遗传算法来求 解波束赋形矢量的。 文献 1 7 - 2 7 中给出的b e a m f o r m i n g 算法主要是满足了主用户接收端的干扰低于 一个可容忍阈值，在此基础上来提高感知用户自身的性能，例如：最小化感知用户 发射端的功率以满足绿色通信的需求或者最大化感知用户接收端的功率以提高感 知用户自身链路的容量。实际情况中，主用户接收端的干扰阈值很难获取，另外， 考虑两者频谱使用优先权的高低，应该尽可能保证主用户的通信质量，尽量消除或 者抑制感知用户对主用户的干扰。更一般情况下，可以在满足感知用户基本q o s 情况下尽量把感知用户对其干扰降至最低。 文献 3 3 3 5 1 q b 分别提出了一种新的预编码算法应用于经典的感知无线电信道 p 6 】【37 】中。文献 3 3 】中则设计了一种基于范德蒙( v a d e r m o n d e ) 矩阵的预编码器应用 4 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 于感知无线电信道。文献 3 4 3 5 利用了线性分配g e l f a n d - p i n s k e r ( l a - g p c ) 预编 码代替了脏报纸( d p c ) 3 8 1 预编码，利用感知用户发射端获知的部分信道状态信息 来降低感知用户对主用户的干扰，并且提高了感知用户自身链路的性能。 1 4 论文研究内容以及章节安排 本文主要研究了基于波束赋形降低感知无线电传输中感知用户对主用户干扰 的算法，首先给出了一种最佳波束赋形算法，该算法既能够完全消除感知用户对主 用户的干扰还能够提高感知用户自身的性能，其次给出了一种基于最小s 肿己约束抑 制感知用户对主用户干扰的算法。全文共分五章，各章的内容安排如下： 第一章首先对感知无线电做了基本的概述，其次介绍了论文的选题背景和意 义，分析了目前降低感知无线电传输中干扰常用技术特别是利用波束赋形来降低感 知无线电传输中干扰算法的国内外研究现状。 第二章主要介绍本课题所需要的基础知识，包括：智能天线概念和工作原理， 从智能天线的工作原理中引入了智能天线的核心自适应波束赋形算法，讨论了自适 应波束赋形算法的分类，设计波束赋形矢量常用的准则和常用的波束赋形算法，最 后简单介绍感知无线电网络的特性，分析了将波束赋形技术应用于感知无线电网络 中的意义和优势。 第三章主要探讨将发射端的波束赋形应用于感知无线电网络中消除感知用户 对主用户的干扰，本章节首先给出了感知网络和主用户网络共存的系统模型，其次 针对如何完全消除感知用户对主用户的干扰给出了一种基于基于迫零准则的最佳 波束赋形算法。与经典的迫零波束赋形算法比较，该算法既能够消除对主用户的干 扰，还能够提高感知用户自身的性能，并且对主用户的性能影响上和迫零波束赋形 算法效果近似。仿真结果证明了该算法的性能优势。 第四章在第三章系统网络模型的基础上给出了一种基于最小s 姗己约束抑制感 知用户对主用户干扰的波束赋形算法，在满足感知用户发射功率约束和接收端最小 s i n r 约束的条件下，最小化感知用户对主用户的干扰来设计波束赋形矢量。为解该 优化问题，将此优化问题转换成为凸优化问题中的s d p 问题，利用凸优化工具箱 c v x 来求解近似最优的波束赋形矢量。最后还采用了随机化算法来近似求解最优的 波束赋形矢量，仿真结果显示了该算法能够很好地抑制感知用户对主用户的干扰。 第五章概括并总结了本文所做的工作，对研究中的不足和未来的可能研究方向 做了分析。 重庆邮电大学硕士论文 第二章自适应波束赋形算法分析 2 1智能天线 第二章自适应波束赋形算法分析 随着无线通信业务的飞速发展以及多媒体业务巨大的潜在需求，有限的无线频 谱资源面临着巨大的困境，而速率问题和频谱资源问题不断成为制约移动通信发展 的重要因素。第三代移动通信系统在第一代和第二代的基础上开发了码分多址 ( c d m a ) 技术，大大增加了系统容量并且提高了频谱的利用率。第四代移动通信 系统( 4 g ) 中对通信速率提出更高的要求( 要求达到1 0 0 m b p s ) ，仅仅从频域、时 域和码域已经不能达到要求。此时引入了空分多址【3 9 】( s d m a ) 的概念，实现空分 多址的基础就是智能天线技术。智能天线给移动通信系统带来的优势是目前任何技 术都无法替代的，国际上已经将智能天线技术作为b 3 g 4 g 移动通信技术发展的主 要方向之一。 2 1 1 智能天线概述 智能天线实质上是一种空域的滤波技术【加】，智能天线的概念是在2 0 世纪8 0 年 代末针对移动通信技术的需求而提出来的，通信工程师们希望采用智能天线来提高 移动通信系统的信道复用率、基站覆盖面积，并克服共信道、多径衰落等日益严重 的干扰问题。与传统的频分多址( f d m a ) 、时分多址( ) m a ) 和码分多址( c d m a ) 不同，智能天线引入了空分多址，利用用户空间位置的不同来区分不同的用户。即 使在相同时隙、相同频率或相同地址码的情况下，仍然可以根据信号不同的传播路 径来区分。 智能天线的概念最早源于雷达和声纳系统中的阵列天线，而所谓的阵列天线， 就是一系列取向相同、同极化、低增益的天线按一定方式排列，利用波的干涉原理 产生强方向性的方向图，形成所希望的波束，这种单元的结构称为天线阵【4 。组成 这种阵列的天线称为阵元，天线阵的阵元大多数采用对称振子。天线阵的排列方式 有多种几何形状，一般是等距离的，阵列结构可以有多种形式，常见的有均匀直线 阵( 切l a ) 、均匀圆阵( u c a ) 等等，如图2 1 所示。 6 重庆邮电大学硕士论文 第二章自适应波束赋形算法分析 3 2 用户 - - - 4 1 z l1 用户 么 - 二i 一 产 ， 均匀直线阵 均匀圆阵 图2 1 均匀直线阵和均匀圆阵 阵列天线的方向图可以是固定的、准动态的和自适应的，这样智能天线可分为 固定多波束天线阵、准动态多波束天线阵和自适应天线阵列。阵列天线的最大特点 是所有阵元协同工作等效于单一的天线但又比单一天线效果更好、应用更灵活。 自适应天线采用数字信号处理技术，根据一定的准则形成天线阵列的加权矢量， 通过对各天线阵元接收信号进行加权合并，在期望用户的方向上形成主波束，在干 扰方向上形成零陷，这样可以在期望用户的方向上获得较高的增益，而在干扰方向 上获得较低的增益，从而达到提高系统信干噪比的目的。自适应天线阵列中的核心 就是波束赋形算法，波束赋形算法可以不断随着期望用户和干扰的空间位置改变而 更新波束赋形矢量，始终可以自适应地跟踪期望用户且能够抑制干扰。一般情况下， 波束赋形算法复杂度高，运算量大，所以自适应天线对硬件的处理速度和储存量要 求很高。 准动态多波束天线阵：比如相控天线，此时天线各阵元采用移相器达到对信号 的定向发射和接收，实际上是实现了最大信号接收准则。由于只对波束指向进行控 制而对旁瓣未做处理，因此对大量的多址干扰抑制并非很好。 切换波束天线采用多个预先设定的波束覆盖整个用户区，系统扫描每个波束的 输出，选择具有最大功率的波束或者几个波束，合并作为最终判决信号的输出。相 比于自适应天线阵列，切换波束天线结构简单、复杂度低、易于实现、无须判断用 户的波达方向。另一方面，切换波束天线中的每个波束的方向是固定的，它不能实 现自适应干扰至零，对干扰的抑制能力差。 相对于传统的单天线系统，智能天线具有以下优点【1 0 】【4 2 】： 智能天线可以增加小区覆盖距离。在手机和基站的发射功率不变的情况下， 智能天线可以通过增加基站天线的增益而增加小区覆盖距离，从而减少蜂窝系统的 初期安装时的建设费用。 当小区内某区域用户密度很高，智能天线可以动态调整方向图，以保证小区 内的有效覆盖。 7 重庆邮电大学硕士论文 第二章自适应波束赋形算法分析 智能天线可以利用多径固有的分集效应改善链路质量，减小信号的延迟扩展， 进而提高数据的传输速率。 智能天线可以减小中断概率，改善误码率( b e r ) ，提高信干噪比，同时也可 以降低c d m a 系统中的多址干扰。 智能天线可以利用空分多址来提高频谱的利用率，提高系统的容量。空分多 址可以使得多个用户共用同一频尉时隙和码道，大大程度上提高了系统的容量。 通过对用户的波达方向和距离的估计，智能天线可以实现手机的定位，实现 了t d s c d m a 系统中接力切换。 2 1 2 智能天线的工作原理 通常情况下，我们所认为的智能天线就是自适应天线阵列。首先我们先讨论阵 列天线的数学模型，以均匀直线阵列为例，如图2 2 所示。 信源( 平面波) i i i l r - - - mm 一1 i 2 1 卜叫 等距直线阵 图2 2 等距直线阵列 假设天线阵阵元有m 个全向天线阵元组成，它们之间的间距都是d ，以阵元1 为参考阵元。如图，一个窄带信源的平面波入射到阵列上，其入射方向与阵列的法 线方向成目角度。我们假设入射到阵元1 的信号表示为5 ( r ) p 埘，其中s ( f ) 为信号的 复振幅，彩为信号角频率。对于窄带信号，我们可以近似认为相邻的阵元上接收的 信号的包络相同，只是相位不同。 相邻阵元波接收信号的波程差为： t l d = d s i n 口式( 2 1 ) 则各阵元接收到的信号为： 重庆邮电大学硕士论文 第二章自适应波束赋形算法分析 西( f ) = s ( t ) e 删+ 啊( f ) 删一( t ) e 缸m - r ) + n 2 ( f ) 式( 2 2 ) l l x z ( t ) = s o ) p 蛔卜 f 一1 ) f 1 + ，o ) 式( 2 2 ) 中，f ：d s i n 0 为相邻阵元收到信号的延时，r l f 为第f 阵元上的噪声。 各阵元接收到的信号经下变频到基带，再经过a d 转换变成数字信号进行处理，这 里我们只考虑采样后的复基带信号。则m 个阵元接收到的信号可以表示为： 玉( 刀) = s 0 ) p 一八h j 2 x 丁d s i n o + 吩( 刀) f ：1 ，2 ，l ，m 式( 2 3 ) 砌，= 阱 m + 刀( 疗) 、7 式( 2 4 ) = s ( 咒) 口( 目) + 刀( ，1 ) 加舢c 印= ，e x p 一- ，半 ，l ，唧卜, 2 s i n o r 称为 阵列对信号源的导引矢量( s t e e r i n gv e c t o r ) ，导引矢量a ( o ) 不但取决于入射波到来 方向，而且与阵列的位置和几何形状有关。 如图2 3 为自适应天线阵列的工作原理图，它是一个由天线阵和波束形成器组 成的一个闭环反馈控制系统。 天 线 阵 列 图2 3 自适应天线工作原理图 9 。芋 p 重庆邮电j 大学硕士论文第二章自适应波束赋形算法分析 从图2 3 中我们可以看出，自适应天线的一般结构，主要包括：天线阵元、模 拟数字转换器、自适应处理器和波束赋形网络。自适应处理器根据波束赋形算法或 者用户的波达方向来估计产生权矢量，波束赋形网络根据自适应处理器得到的 比可以产生所期望的波束。因此，我们可以看出自适应天线的核心就是自适应处理 器，即波束赋形算法。 从接收方向来看，基站可以利用智能天线对来自用户终端的多径波达方向估计， 称之为上行波束赋形，它能够抑制其他移动用户和多径干扰。从发射方向来看，基 站可以利用智能天线对发射信号下行波束赋形，使基站的发射信号能够沿着用户终 端来波方向发送回用户，这样能够降低基站的发射功率，减少对其他用户的干扰。 2 2自适应波束赋形算法 从图2 3 中我们可以看出，自适应天线工作原理中的核心模块结构为：自适应 处理器，自适应处理器能够自适应地产生所期望的矢量，利用这些矢量对波束进行 加权，可以得到所期望的波束，并且可以抑制干扰。因此，自适应处理器的核心就 是自适应波束赋形算法，而正因为有了自适应波束赋形算法，自适应处理器才能够 实现其功能。下面我们简单介绍自适应波束赋形算法。 2 2 1 波束赋形算法的分类 波束赋形算法是智能天线的核心，它可以自适应地更新权矢量，自动调整波束 方向图，实现最优发送或者接收。波束赋形算法主要有以下几种分类方式【l o 】【4 2 】： ( 1 ) 根据在基站是发射信号还是接收信号，分为下行波束赋形和上行波束赋形。 实际中，下行波束赋形必须与上行信道估计相配合。由于基站一般事先并不知 道移动用户的空间位置，下行波束赋形之前必须通过对上行信号估计获得信道特性， 尤其是用户的波达方向，为下行的波束赋形提供依据。在t d d 体制下，由于上、 下行频率相同，于是一般可以将上行的权矢量直接用于下行。但是在f d d 体制下， 由于上下行频率不同，无线信号经历的衰落不同，上、下行信道特性不同，不能直 接将上行的权矢量直接用于下行的波束赋形，此时一般需要通过对用户的波达方向 进行估计获得移动用户的空间角度位置，为下行波束赋形提供依据。从发射端来看， 下行波束赋形是基站在发射信号之前先对其进行的一种预加权处理，因此下行波束 赋形其本质上是一种传输预处理技术。 ( 2 ) 根据工作方式可以分为切换波束赋形算法和自适应波束赋形算法。切换波 束赋形用于切换波束天线，它的波束赋形矢量是固定的，不具有自适应性。而相反， 1 0 重庆邮电大学硕士论文第二章自适应波束赋形算法分析 自适应波束赋形算法具有自适应性，它能够自适应地更新权矢量，始终可以使得主 波束对准期望用户方向，在干扰方向上形成零陷，具有一种自适应性能。 ( 3 ) 根据波束赋形时所需要的参考信息，可分为空间参考方式、时间参考方式 和盲处理方式。 空间参考方式是指波束赋形时最佳权矢量取决于期望信号及干扰的波达方向， 这需要首先利用d o a 估计算法确定需要信号及干扰的个数和d o a ，在此基础上利 用切换波束或自适应波束赋形需要的波束。常用的高分辨的d o a 估计方法有 m u s i c 、e s p r i t 算法【1 0 】等。空间参考方式的主要优点是它比较适合f d d 系统，通 过上行链路的d o a 估计，用于下行链路权值的计算，因为对同一移动用户来说， 在足够短时间内，上、下行链路的方向变化较小。但空间参考方式在信号扩散角较 大尤其是无直射路径时，其性能会显著下降甚至无法正常工作。 时间参考方式其参考信号由训练序列或者导频信号产生，它无需d o a 。在2 g 中( 如g s m ) 可用专用训练序列，3 g - u m t s 中可用用户专用导频信号。但这种参 考方式在f d d 体制中实现有一定的限制，不能由上行接收信息确定下行波束赋形 矢量。因而对于f d d 、快速t d d 时实现下行自适应波束赋形有困难。 盲处理方式是利用盲自适应算法，不需要专门的训练序列或确定信号的d o a 。 实际中常利用发射信号自身某些固有的特性，例如：信号的常模( c m ) 特性、周 期平稳性等，无需训练序列。 2 2 2 波束赋形常用准则 自适应波束赋形常用最优准则有：最小均方误差( m m s e ) 准则、最大信噪比 ( m a x s n r ) 准则、线性约束最小方差( l c l v w ) 准则等 4 0 - 4 2 1 。我们以图2 2 的均匀 直线阵为例。 假设阵列的输入矢量为g x ( 珂) = 毛( 以) ，l ，( 玎) 】 式( 2 5 ) 波束赋形矢量为： w = 【川，l ，】2 式( 2 6 ) 则均匀直线阵的输出为： m y ( 珂) = f 毛= 工 式( 2 7 ) t = 1 ( 1 ) 最小均方误差( m m s e ) 准则 最小均方误差准则：使输出信号与期望信号的均方误差最小。设期望信号( 或 重庆邮电大学硕士论文 第二章自适应波束赋形算法分析 者参考信号) 为d ( 刀) ，则估计误差为： p ( 刀) = d ( 靠) 一少( 以) = d ( 开) 一w x ( n ) 式( 2 8 ) 孝= e i p ( 疗) 1 2 = e ! d ( 玎) i ：! 一w 圩饧一( w 圩，。) + w 尽“w 式。2 9 ， = 五似功1 2 一2 r e w 日饧 + 如w 其中如= e x ( ，z ) x ( 刀) 日 为输入信号矢量x ( n ) 的自相关矩阵， = e x ( ，z ) 矿( 甩) 为x ( 刀) - 与d ( n ) 的互相关矢量。 w o p t = a r g m i n f 硼池酬2 ) 一2 鼬 w 日r u t + w h 如w ) 划2 j 我们令性能函数善对波束赋形矢量求梯度，即可以得到最优波束赋形矢量。 v 苫= 一2 + 2 如w - - 0式( 2 1 1 ) 当r 。满秩时，我们可以得到最优波束赋形矢量为： = 如叫嘞 式( 2 1 2 ) ( 2 ) 最大信噪比( m a x s n r ) 准则 最大信噪比准则：选择波束赋形矢量使得输出信号的信噪比( s n r ) 最大，从 而达到系统误码率的要求。设阵列输入矢量为： x ( 以) = j ( ，1 ) + 玎( 以)式( 2 1 3 ) 其