（通信与信息系统专业论文）智能天线在gsm系统中的应用研究.pdf

摘要 ：5 8 。3 s 7 智能天线技术是基于空分多址原理，并随着现代数字信号处理 技术的提高，在逐步解决d o a 估计、波束形成等关键问题的同时发 展起来的。由于智能天线技术具有抗衰落、抗干扰、能显著提高系 统容量等优点，因而成为移动通信的关键技术。本论文首先介绍j 7 智能天线的工作基本原理及其体系结构，然后详细描述了智能天线 的几种收敛算法。目前智能天线类型主要有预多波束转换智能天线 和自适应智能天线两种，论文着重针对目前处于商用前沿的预多波 束转换智能天线进行g s m 系统环境下仿真，通过在高话务量区域环 境中对比智能天线基站与非智能天线基站的性能( 主要考虑对区域 网络抗干扰性、容量的影响) ，得出了几组性能曲线。论文在仿真 结果的基础上，同时设计了g s m 系统的现网试验。论文在现网高话 务量区同址安装智能天线基站与非智能天线基站，利用g s m 网管系 统的n c r 、m r r 、s t s 分析功能，结合实地路测的信号强度、信号质 量等参数，通过对现网安装智能天线前后的网络性能进行比较，得 出了实施g s m 智能天线基站规划和具有智能天线网络的g s m 网络优 化的指导性结论。当然，目前还有许多问题，诸如在不同通信系统 中如何选取、应用智能天线等等，需要进一步的研究和探索。 关键词：智能天线，干扰，扩容，仿真 a b s t r a c t t e c h n o l o g i e so fs m a r ta n t e n n aa r eb a s e do nt h ep r i n c i p l eo f s d m a ，a n dt h e ya r ei m p r o v e dw i t ht h ed e v e l o p m e n to f ! h ed s p t e c h n o l o g y 、t h ed o a e s t i m a t i o nt e c h n o l o g ya n dt h et e c h n o l o g yo f b e a m f o r m i n g ，s m a r ta n t e n n ai st h ek e yt e c h n o l o g yi nw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n sb e c a u s eo fi t sa d v a n t a g e si nd e c r e a s i n gi n t e r f e r e n c e a n di n c r e a s i n gc a p a c i t yo f t h eb a s es t a t i o n t h ep r i n c i p l eo fs m a r t a n t e n n aa n di t ss t r u c t u r ea r ei n t r o d u c e di nt h i sd i s s e r t a t i o nf i r s t l y a n dt h e nt h es y s t e ms i m u l a t i o ni sp e r f o r m e di no r d e rt om a k e c o m p a r i s o nb e t w e e nt h ep e r f o r m a n c eo ft h eb a s es t a t i o nw i t hs m a r t a n t e n n aa n dt h a to f t h eb a s es t a t i o nw i t h o u ts m a r ta n t e n n ai ng s ：m s y s t e m s ，a n df i n a l l yt h es i m u l a t i o nr e s u l t sa r ea n a l y z e da n ds o m e p e r f o r m a n c ec u r v e sa r eo b t a i n e d b a s e do nt h es i m u l a t i o nr e s u l t s ， t r i a l sa r ea l s oe x p e r i e n c e di nr e a ls y s t e m s k e y w o r d s ：s m a r t a n t e n n a ，i n t e r f e r e n c e ，c a p a b i l i t y ，s i m u l a t i o n 北京邮 u 人学峻十学位论文 第一章概述 1 1 移动通信系统的发展概述 先简要剀顾下移动通信的发展。在赫兹丌创性t 作的基础上，马可尼在1 9 世纪水所做的实验证明了收发信机在移动和分离的状态下无线通信是可行的。从 此电报和埔音通信不再为电线、电缆所甥绊。2 0 世纪4 0 年代就出现了无线通信 装嚣。贝尔实验市1 + 2 0 世纪6 0 年代，提出了蜂窝的概念，可以实现频率复用覆 盖。蜂窝移动通信系统向其无线覆盖范俐内的用户提供移动的接入方式。为使蜂 窝系统在有限的频带范内和在较大地理范闱内容纳大量的用户将每个基站的 覆盖范刖限制到小区，利用切换技术保证用户从一个小区到另一个小区时不会中 断通话。从此，无线通信摆脱了大区制的束缚，随着2 0 吐纪7 0 年代齐项技术的 完善和成熟移动通信系统得到了快速的发展。2 0 世纪8 0 年代出现了第一代蜂 窝移动通信系统。主要有美国的a m p s ，英国的e t a c s ，法国的4 5 0 系统，北 欧国家的n m t - 4 5 0 系统等。这些系统都是双丁的f d m a 模拟制式系统。 尽管模拟蜂窝系统取得了巨大的成功，但是在实际的使用过程中也暴露出一 些问题：频暗效率较低，有限的频谱资源和无限的用户容量十分突出；业务种类 比较单一，主要是睛音业务；其次，模拟系统存在同频干扰和互调干扰；此外， 模拟系统保密性较差。冈此模拟系统在经历了2 0 世纪8 0 年代的辉煌后，很快桃 被2 0 世纪9 0 年代推出的数字蜂窝系统所取代。 随着超大规模集成电路、低速话音编码以及近2 0 年来的计算机等技术的发 腿，数字化技术与模拟技术相比具有更大的优势，现代通信已经由模拟方式转向 数字化处理方式。主要有欧洲的g s m ，美国的d a m p s 和q c d m a ，日本的p d c 等。第二代数字蜂窝系统较之f d m a 蜂窝系统，有许多优势：频曙效率高，系 统容量大，保密性好，活音质量好等。第二代数字蜂窝系统只能提供再音和低速 数据业务的服务。由丁在信息时代，图象、活音和数据相结合的多媒体业务平| 1 高 速率数据业务的业务量将会大大增加，所以人们对通信业务多样话的要求与日俱 增。也就足说，就足要求在任何地方、任何时间与任何八进行任何方式的通信的 “5 w ”通信。 为了满足更多更高速率的业务以及更高的频谱效率的要求，同时减少f 1 阿存 在的丹大网络之间的不兼容性国际电联( i t u ) 进行了i m t - 2 0 0 0 的标准化1 ：作， i m t - 2 0 0 0 支持的网络也被称为第三代移动通信系统，简称3 g ，它将支持速率高 达2 m b i t sf j , o ：i k 务，而且业务种类将涉及话音、数据、图象以及多媒体等业务。 经过符国标准化组纵的多次融合和i t u 多次会议的讨论以及o h g 组纵的i ：j 】 调，通过了“i m t - 2 0 0 0 无线接口技术规范建议”( i m t - r s p c ) ，表明制定第三代 移动通信系统无线接口技术标准方面的t 作基本完成。地面部分建议是第一二代光 线接口技术规范建议的主要组成部分，分为c d m a 和t d m a 两类体制，包括5 种无线传输技术。其中包括由欧洲e r i c s s o n n o k i a 等提出的w c d m a 和北美提 出的c d m a 2 0 0 0 ，中l 訇的t d s c d m a 。 1 2 智能天线及其优点 随着全球通信业务的迅速发展，作为未来个人通信主要手段的无线移动通信 技术引起人们极大关注。如何消除同信道干扰( c 0 1 ) 、多址干扰( 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性能时考虑的主要冈素。智能天线利用 数字信号处理技术，产生空间定向波束，使天线主波束对准用户信号到达方向， 零陷对准干扰信号剑达方向，达到充分高效利用移动用7 ：。信号并删除或抑制干扰 信号的f | 的。 阵列处理最书u 广泛应用t 雷达、声纳及军事通信领域。近年来，现代数字信 号处理技术发展迅速，数字信号处理芯片处理能力不断提高，芯片价格已经可以 为现代通信系统所接收。同时，利用数字技术在基带形成波束成为可能，以此代 替模拟电路形成波束的方法，提高了天线系统的可靠性与灵活程度。另一h - n ， 移动通信用户数f i 增d r f 迅速，人们对移动通话质量的要求和数据传输的数率的要 求也不断提高，这要求蜂窝小区多用户、大容量下仍有高的话音质量。使用智能 天线可以在不显著增加系统复杂度的情况下满足扩充容量的需要。不同丁常规的 扇区天线和天线分集方法，通过使用一组天线阵元，可以为每个用户提供一个窄 的定向波束，使信号在有限的方向区域发送和接收，充分利用了信号发射功率t 降低了信号全- 口发射带来的电磁污染与相互干扰。智能天线在移动通信中豹功能 主要足： ( i 】抗衰落 在陆地移动通信中，电波传播路径由反射、折射及散射的多径波组成，随着 移动台移动及环境变化，信号瞬时值及延迟失真的变化非常迅速，且不规则，造 成信号衰落。采用全向天线接收所有方向的信号，或采用定向天线接收某个 舌1 定 方向的信号，都会吲衰落使信号失真较大。如果采用智能天线控制接收方向，天 线自适应地构成波束的方向性，使得延迟波方向的增益最小，减少信号衰落的影 响。智能天线还可用丁分集，减少衰落。 ( 7 ) 抗干扰 用高增益、窄波束智能天线阵代替现有f d m a f f d m a 基站的天线，与传统天 线相比，用1 2 个3 0 度波束天线阵列组成3 6 0 度比全覆盖天线的同频干扰要小得 ! ! 室墅! ! 查兰竺竺竺笙茎 多。将智能天线用 ? c d m a 基站，可减少移动台对基站的干扰，改善系统性能。 抗干扰应用的实质足空间域滤波。智能天线波束具有方向性，可区别不同入 射角的无线电波，可渊整天线阵元的加权值，其调整方式与具有时域滤波特性的 自适府均衡器类似t 可以自适应电波传播环境的变化优化天线阵歹u s l ；, j 圈，：倚 其零点自动对准干扰方向，大大提高阵列的输出信噪比，降低误码率。 ( 3 ) 增加系统容量 为了满足移动通信业务的巨大需求，应尽量扩大现有基站容量，尽量减少新 建基站对现有网络引入的相互干扰。使用智能天线后，由丁天线波束变窄，就减 少r 移动通信系统的同频、邻频干扰，增加了频率复用系数，提高了频谱利用效 二罄，扩大了系统容量。 ( 4 ) 实现移动台定位 目前蜂窝移动通信系统只能确定移动台所处的小区，如果增加定位业务，则 可随时确定移动台所处位置，不但给用户和网络管理者提供很大方便，还可丌发 更多的新业务。在陆地移动通信中，如果基站采用智能天线胯，一日- 收到信号， 到该信号进行处理，即可状得空间特征矢量及矩阵，由此缺得信号的功率估值和 0 达方向。通过此方法，用两个基站就可以将用户终端定位到一个较小区域。 ( 5 ) 实现高速数据传输 g s m 蜂窝移动通信系统f | 前采用g p r s 传输数据，g p r s 传输速率一般分为 陛 个等级，不同速率采用不同冗余数据编码类型，采用何编码类型强烈依赖系统 c i 性能。 1 3 智能天线的发展概况 阵列信号处理的发眨史最早可以追溯到4 0 年代的自适应天线组合技术，它使 用锁相环进行天线跟踪。阵列信号处理的重要丌端足由h o w e l l s 丁1 9 6 5 年实现 的，当时他提出了白适应旁瓣消除器【3 。1 9 7 6 年，a p p l e b a u m 4 发展了使信号 卜扰噪声比( s l n r ) 最大化的反馈控制算法。另一个显著的进展足w i d r o w 5 1 1 。 1 9 6 7 年提出的域小均方自适麻算法。其它儿个重要的进展是c a p o n 丁1 9 6 9 年提 出的恒定增益指向最小方差波束形成器 6 】，s c h m i d t 丁1 9 8 9 年提出的多重信号 分类( m u s i c ) 方法 7 ，r o y 8 等人1 9 8 6 年发展的估计信号参数的旋转不变技术 ( e s p r i t ) 。虽然早在1 9 7 8 年就己在军用通信系统中使用了自适赢天线，但在民 用的蜂窝式通信中使用天线阵列却只是在1 9 9 0 年才开始的9 。 当阵列天线应用丁移动通信领域时，一般都称为智能天线( s m a r ta n t e r m a s 或者 或i n t e l l i g e n t a n t e n n a s 、a d a p a t i v ea n t e n n a s ) 。根据方向图形成的方式可以分为两 种，即同定多波束天线和自适应天线。它们的区别在t ：同定多波束天线的波束足 北京邮l u r 人学碳十学位论文 同定的，用户哺 据情况选择最佳波束，而自适应天线则根掘给定的准则，自动调 整波束，使主瓣对准来波方向，零陷对准干扰方向，得到最佳的输出信号。 日前有很多从事智能天线研究的公司、学校和研究所。倒如：e r i c s s o n 、 n o k i a 、a 1 t a y c o m m 、m e t a w a v e 等。 e r i c s s o n 公司在g s m 系统领域已成功丌发了具有智能天线控制单元的 r b s 2 2 0 5 型基站，并在欧洲逐步推广商用，同时在中国的现网实验也表现了较 好的效果。 a l t a y c o m m 公司的智能天线技术发展得已经比较成熟，并已经丌始实用。 a n a y c o m m 公司：悔其智能天线技术称为i n t e l l i c e l l ，是一种自适应天线，可以比 较显著地提高系统的容量，使用i m e l l i c e l l 后声称可以提高2 g 容量6 倍和提 高3 g 容量8 倍。 麦得威公司称其智能天线为s p o t l i g h t ，s p o t l i g h t 是一种同定多波束天线，采 用四个切换波束，让每个用户选择一个最好的波束进行通信，也可以很大地提高 容量。 欧洲通信委员会( c e c ) 在r a c e ( r e s e a r c hi n t oa d v a n c e dc o m m u n i c a t i o ni n e u r o p e ) 计划中实施了第一阶段智能天线技术研究，称为t s u n a m i ( t h e t e c h n o l o g yi ns m a r ta n t e r a l a sf o ru n i v e r s a la d v a n c e dm o b i l ei n f r a s t r u c t u r e ) ，由德 国、英国、川麦耵哂班牙合作完成，该项目在d e c t 基站上构造智能天线实验模 型，丁1 9 9 5 年初丌始现场实验，天线阵列由8 个阵元组成，射频丁作频率为 18 9 g h z ，阵元间距可调，阵元分布有直线型、圆环型和平面型三种形式，实骑 模型用波束成形的方法实现智能天线。 c e c 在a c 1 s ( 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 ds e r v i c e s ) 计划中继续 进行t s u n a m i 第二阶段智能天线技术研究：最优波束形成算法、系统m 议研究 与系统性能评估、多用户检测与自适应天线结合、时空信道特性估计及微蜂窝优 化与现场试验。 日本a t r 光电研究所研制了基丁波束空间处理方式的多波束智能天线天线 阵元为间距半波长的1 6 阵元平面方阵，阵元组件接收信号在模数变换后，进行 快速傅立叶变换处理，形成正交波束后，分别采用恒模( c m a ) 算法或最大比值合 并分集算法进行处理。 我国也有部分单位进行相关的研究，信威公司将智能应用丁t d d 方式的w l l 系统中，信威公司智能天线采用8 阵元环形自适应阵列，采用t d d 双t ：方式， 收发间隔1 0 m s ，接收机灵敏度最大可提高9 d b 。 北京邮i u 人学顺十学位论文 1 。4 论文主要工作介绍 主要介绍智能天线原理及研究其在g s m 中仿真和现网试验中麻用刚题。 第一章介绍了移动通信系统和智能天线的发展和优点。 第二章介绍了智能天线的原理及其与不同接收技术结合时天线麻用性能。完 全意义上的s d m a 需要在空问上跟踪所有的用户，还难以实现，智能天线0 足 s d m a 概念的简单实现，它允许我们利用空间资源，就好象在空间建立一个通 道，提高信号质量，抑制噪声和干扰的影响。分集技术可以减少智能天线的复杂 度，均衡器可以减少多径衰落的影响，作为通信系统必须具有的接收机，结合考 虑智能天线有重要的意义。最后，本章通过介绍了理想波束下，c d m a 系统中 ， ：行链路的性能分析，提供一种普遍分析思路。 第三章对常用空间信道模型和一般智能天线的算法进行阐述。首先描述了常 用的衰落信道以及瑞利衰落信道的仿真，以及考虑空间冈素时的空间信道模型。 本章也简单介绍了智能天线的算法准则，以及智能天线常用的r l s 、m l s e 、c a b 等算法。 第四章给出了，一种准动态预多波束智能天线系统在g s m 中系统仿真结柴得 出在g s m 系统中逐步安装智能天线可以扩大系统容量、降低系统干扰，网络质 量得到较大提高。 第五章对g s m 现网安装智能天线进行试验，通过方法描述及结果分析，进一 步探讨智能天线在g s m 系统中的虑用得出g s m 网络规划、优化时参考数掘。 !堕型!查兰堡主兰竺!茎 参考文献 1 】吴伟陵，移动通信中的关键披术，人民邮电出版社2 0 0 1 7 2 】；马显杰等，智能天线与现代移动通信，电信科学，2 0 0 1 4 5 0 5 1 【3 h o w e l l sp ，i n t e l m e d i a t ef r e q u e n c ys i d e 1 0 b ec a n c e l l e z - ，u s p a t e n t3 , 2 0 2 9 9 0 1 9 8 68 4 1a p p l e b a u msp ，a d a p t i v ea r r a y s ， e e et r a n s a c t i o n so na n t e n n aa n d p r o p a g a t i o n 1 9 7 6 ，2 4 ，5 8 5 5 9 8 5 w i d r o wb e ta l ，a d a p t i v ea n t e n n a s y s t e m s ，p r o e e e d i n g so fi e e e ，1 9 6 7 5 5 2 1 4 1 2 】5 9 6 c a p o nj ，h i g hr e s o l u t i o nf r e q u e n c yw a v en u m b e r s p e c t r u ma n a l y s i s ，p r o c e e d i n g s o f i e e e ，1 9 6 9 ，5 7 ，1 4 0 8 1 4 1 8 7 s e r p e d i ne ，g i a n n a k i sgb ，b l m dc h a n n e li d e n t i f i c a t i o n sa n de q u a l i z a t i o n sw i t h m o d u l a t i o n - i n d u c e dc y c l o s t a t i o n a r i t y ，i e e et r a n s a c t i o n so ns i g n a lp r o c e s s i n g ，1 9 9 8 ， 4 6 1 9 3 0 1 9 4 4 8 r o yr - ，p a u l r a ja ，k a i l a t ht ，e s p r i t - a s u b s p a c er o t a t i o na p p r o a c ht oe s t i m a t i o n “p a r a m e t e ro fc i s s o i d si nn o i s e i e e e t r a n s a c o u s t ，s p e e c h ，s i g n a lp r o c e s s i n g - 8 北京邮u 大学顺十学位论文 第二章智能天线概述 2 1 s d m a 多址技术简介 蜂窝系统中是以信道来区分通信对象的，一个信道只容纳一个用户进行通哺， 许多同时通话的用户，互相以信道来区分，这就是多址。多址技术是指把处丁1 i 问广义地点的多个用户按入一个公共传输媒质实现备用户之间通信的技术。 现在移动通信中已节用的多址技术有三种，即频分多址( f d m a ) 、时分多址 ( t d m a ) 和码分多址( c d m a ) 。当以传输信号的载波频率不同来区分信道建 立多址接入时，称为频分多址方式；当以传输信号存在的时间不同来区分信道建 立多址接入时，称为时分多址方式；当以传输信号的码型不同来区分信道建立多 趾接入时，称为码分多址方式。 除了上述二三种多址技术之外，还有一种叫做空分多址( s d m a ) 的技术。这种技 术是利用空间分割构成不同的信道。举例来说，在一颗卫星上使用多个天线，再 个天线的波束射向地球表面的不同区域。地面上不同地区的地球站，它们在同 时间、即使使用相同的频率进行丁作，它们之间也不会形成干扰。 广义地，峰窝式组网、扇区分割以及固定多波束智能天线等都属 is d m a 的 范畴。但。般的s d m a 足以用户信号的空间特征为基础，在基站采用阵列处理 技术，丁相同的时隙年r i 相同的频道上建立多址通信。s d m a 的实质是通过分割 空间信道分离同时隙或同一频道上的多个用户信号。理想的s d m a 麻能对每 个j = f j 户提供独立的空间信道。依据用户信号在空间传播的不同路径基站对多个 移动用户进行波束跟踪，采用指向性接收和发射。通常，s d m a 与基本多址方 式结台运用。与f d m a 结合，允许多用户享用同一频率信道；与t d m a 结合， 允许多用，享用同一时隙信道；与c d m a 结合，通过空间信道的分割抑制多址 干扰。s d m a 技术应用实际上是在接收、发射端配置空间信道滤波器。 s d m a 的基本依据足：即使多个用户享用相同的时隙和频带，由丁通常所处 的物理位置和移动速度等冈紊的差别，信号剑达方向( d o a ， d i r e c t i o n - o f - a r r i v a l ) 、多径练构以及多普勒频移等亦有所差别，这些蔗刖反映j ， 不同用户信号的空阃特征。外场实验表明，移动信号的空问特征对用户的物理位 置很敏感，且随运动状态显著变化，这意昧着存在丰富的空间选择性可以利用。 s d m a 与智能天线密切相关，智能天线实际上足阵列处理在移动通信中的发 展和完善。阵列处理包括高分辨阵列处理( 空域) 和时域处理两个主要分支。高分 辨阵列处理的主要日的是估计辐射源信号参数( 主要是d o a ) ，它为s d m a 估 计用户信号的空间特征提供了可供借鉴的思想和方法；时域处理实现是对阵列天 北京邮i l g , 学顺十学位论文 线的波束幅度、波束指向和波束零点位置的自适应控制。其中，自适应地在驯塑 方向形成高增益波束的技术称为自适麻波束形成技术。大多数自适麻波束形成技 术能在保证高增益波束指向的同时，在干扰到达的方向形成波束零点。由丁数字 技术的进步，现在的自适戍波束形成通常足数字波束形成( d b f ，d i g i t a l b e a m - f o r m i n g ) 它是s d m a 实现指向性接收和发射的基础。一般地，一个m 阵元的阵列天线，具有m 个r f i f 收发通道。 2 0 世纪9 0 年代以来，智能天线被引入移动通信领域，很快形成了一个新的 研究热点。许多大学、研究机构、通信公司和运营商对此产生了浓厚的兴趣。智 能天线应用广阔，其在蜂窝通信中最理想的府用前景是实现空分多址。s d m a 在提高通信质女 、缓解无线通信曰益发展与频谱资源不足之问的矛盾，以及降低 系统整体造价和改善系统管理等方面，都具有独特的优点。 需要特别指出的足：( 1 ) s d m a 的波束跟踪，并不意味着一定将高增益窄波束 指向期望用户的实际物理位置。事实上，收发之间的“视线上”可能存在阻挡物， 用户的物理方位不一定是理想的波束指向。( 2 ) 以多个窄波束跟踪一个用户倩号 的多纾分量，可以更充分地利用信号能量。( 3 ) s d m a 上行链路不一定都基丁天 线波束的概念。 s d m a 潜在的性能效益表现在多方面，例如，抗多杼衰落、减少时延扩展、 支持高数据速率、抑制干扰、减少远近效应、减少中断概率、改善b e r ( b i te r r 0 1 r a t e ) 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m 、灵活的小区管理、延长移动台电池寿命、减少辐射对人体的影i 缃以 及维护和运营成本低等。 2 2 智能天线基本原理 阵列处理是改善蜂窝和个人通信服务系统质量、覆盖范荆和容量的一种强有 力的下具。多个接收天线能够收集更多的信号能量，若天线在空间足够分离或极 化符异，则多个天线能够提供很好的分集接收，并抑制多径传输引起的衰落。这 些优点可以扩大基站的覆盖范盹改善通信质量。 无线通信通过天线发射和接收电磁波。为了提高电波的利用率，天线应具有 一定的方向性，做剑定向地发射和接收；丽当对方位置改变时，天线波束的指向 也应随之变化。早剃的基站采用全向天线，不仅能量利用率不高，而且造成相互 影响，冈为一个用户的信号对其它用户相当下干扰。后来采用扇区天线，可以减 少共信道千扰，提高系统的容量和性能。但是，扇区天线也增加了切换，降低j 7 系统的效率，p f l i 而，扇区的数日是受到制约的。同时，给定扇区天线后，不能报 据用户的分布，提高系统的效率。采用智能天线后，就可以解决这些问题。 北京邮i u 大学倾十学位论文 智能天线分为同定多波束天线和自适应天线。同定多波束天线是使天线例嗣 形成多个波束，齐波束部采用一组同定的权值，根据信号的d o a 信息选择合通 的波束，达到减少干扰，提高信号质量的目的。自适应天线也使天线同时形成多 个波束。且波束的指l 句可控，从而使发射和接收波束均能指向所需要的用户。更 进一步还希望波束形状可控，以波束的零点与干扰电波的来向重台，对消掉一 扰。 令信号的载波为e 7 ，并以平面波形式在空间沿波束向量k 的方向传播，如图 2l 所示，设基准点处信号为s ( t ) e 一，则距离基准点，处的阵元接收的信号为： 1 呻r _ 砷_ s r ( f ) = s ( t 一二r 口) e x p ( j ( c o t r ) ) ( 2 , 21 ) 这里k 是波束向量，在平面波的条件下，可以表示为k = k c o s o ，s i n 哪7 ，0 为 波传播方向角。k ：冈一c o 三三为波束，其中c 为光速，| = l 为电磁波的波长， ca 盂：西为电波传播方向，单位矢量 1 r 云为电波传播到基准点的滞后相位。 y 三；7 三为信号相对丁基准点的延迟时间 c 例2i 阵j 接收信号与位置的关系 f 邑波从点辐射源以球面波向外传播，只要辐射源足够远，在接收的局部 噩域， 球面波就可以近似为平面波。通信信号的传播一般都满足这一远场条件。 没在空间有m 个阵元的阵列，以阵元l 作为基准或参考点，设再阵元无方向 性( 即全向天线) ，相对。r 基准点的位置向量分别为1 ；i ，若基准点处的接收信1 ，了4 为s ( t ) e 一，则符阵元上的接收信号分别为： 北京邮l u 人学顺十学位论文 i_7_ 7 _ 一，。，a ) e x p ( j ( o j t 一，。女) ) ( 2 22 ) 无线通信中，信号的频带b 比载波值c o 小得多，所以s ( o 的变化相对缓慢 如果信号包络在齐6 1 ：元上的差异可忽略不计，土：磊 ，有。( 卜三：云) ：，( r ) ， 则称为窄带信号。由丁阵列信号总是变换到基带再进行处理，冈而可将阵列信号 用向量形式表示为： ，o ) = 7 j ( ，) ，。，1 ，( ，) 7 = s ( t ) e x p ( - j ，i ) ，e x p ( 一jr ) 】( 2 2 3 ) 当波长和阵列的儿何结构确定时，( 2 2 3 ) 式中的向量只与到达波的空间角日有 关。它与基准点的位置无关。在实际系统中，( 2 2 3 ) 式中向量部分会受阵列儿 结构、阵元模式、i j t f ：s t l 、司的耦合、来自支承结构的散射以及附近同标等的影响。 我们将这个向量部分称为方向向量，用a ( o ) 来表示。当有p 个信源( 或者p 个 多径) 到达时，到达波的方向向量可分别用苫( b ) ，z ( o ：) ，乏( 钆) 表示。这p - f f 力 向向量组成的矩阵 a ( o ，) ，a ( o ：) ，a ( o ，) 】称为阵列的方向矩阵或响应矩阵。 当m 个全向阵元等距离排列成一直线，阵元间距为d ，并且其接收信号为平 面波，其波达方向( d o a ) y 90 ，即入射电波与阵列法线的夹角为0 ，那么其方向 向量可表示为： ：( 。) ：i l e x p ( 一，_ 2 zds 抽日) ，e x p ( 一娶( m i ) ds i n 0 ) 7 ( 22 4 ) 对丁上述的线性均匀阵列，以左边第一个阵元为基准，令卢：掣s i n0 ，：i 暂 所有阵元输出相加后得到阵列输出为： k = 扣) 0 7 1 1 - 1 1 8 = m s e 坚丽s i n ( m 3 2 ) ( 2 25 ) ( 2 26 ) 阵列输出的绝对值与来波方向0 间的关系称为天线的静态方向图，与 _ d 二o5 ，阵元数目m ：8 时，其方向图如图22 所示。 l 北京邮u 大学顺十学位论文 i 璺| 22 阵列火线五向幽 天线的静态方向图具有以下特点： a ) 天线最大方向位丁口= 0 ，即0 = 0 处 b ) 天线士瓣两个零点之间的角度称为零点波瓣宽度b 彬、， j】 b v o = 2 a r c s i n ( 二) ，若m d ，则b w o = o 8 8 6 一二 m dm d c ) 方向图的第一旁瓣电平最高，且随阵元数m 的增加而减少。当m = 5 时， 旁瓣电平为1 2 d b ，m = 2 0 为1 3 d b ，m 相当大时，趋近丁- 1 33 d b 。 d ) 阵元间距小丁k i 2 时，天线方向图只有一个主瓣，若超过了半个波长，方 向图可能出现较大的旁瓣甚至和主瓣高度相同的旁瓣，对接收方向图而青 表现在不同方向上有两个很大的输出。使人们无法确定信号从哪个方向进 入阵列，通常选择ds 2 。 将阵元输出直接相加，其阵列输出最大值出现在阵列法线方向，即0 = 0 ，为 了使所需信号的来波方向输出最大，就必须转动天线使法线方向对准所需信号的 来波方向，这给使用上带来很多的不便。通常利用阵元连续相位滞后加权的方法， 控制加权的相位绸t 可控制天线主瓣方向的指向，这种方法称为相位控制阵列，简 称为相位控制阵列，简称相控阵列。 连续相位滞j 三；( 或导前) 加权可控制主瓣指向，但是它对天线的旁瓣电平没 有多大的影响。实际上，我们并不需要降低除主瓣方向外其余所有方向的电平， 我们只要使非所需信号( 即干扰信号) 来波方向的响应降低，最好的方法足使其 处 二天线方向圈的零点位置。这时，所需信号与干扰信号方向的响应电平之比可 达6 0 d b ，8 0 d b 。所以，我们所关心的方向图是主瓣对准所许信号的来波方向，干 北京邮i u 大学顺十学位论文 扰来波处在方向图的零点，也就是波束成形。由丁：所需信号和干扰方向都是未知 的，这就要求天线方向图自动地满足上述要求，换句话说，要求天线方向性有自 适应能力，具有此能力的天线称为自适应天线。 连续相位滞后( 或导前) 加权可控制主瓣指向，若幅度和相位同时加权，可 以同时使主瓣指向选定信号，零点指向干扰。但是，幅度与相位加权是相互影n h 的，但总是可以寻求一种复加权来获得如期效果。那么要怎样来确定阵列的加权 函数? 实际上，自适麻阵列是一个空间域的滤波器，根据不同的要求，滤波器的 性能有所不同，例如，以获得最大输出信噪比的匹配滤波器；根据输出与希望信 号之差为最小均方误差的维纳滤波器等准则。 假设再阵元i 的加权值为，这样，阵列的加权输出就可以表示为： ( 2 27 ) 为了表达简便，以后用，表示w 。，；这些向量。4 阵元窄带智能天线的原 理图如下： 中中中审 用户1 | 薹i2 3 窄一肚系统一l i 智能天线原理幽 波束成形( b e a m f o m a i n g ) 技术通过形成波束，用零点抑制共信遵干扰，冈而可 以改善信号的s i n r 。这样，就可以允许共信道干扰处丁小区的剧俐甚至在小区 范例内。但足，波束形成受用户地理位置的影响，用户和干扰越近，波束的增黼 就越少。这个问题可以通过信号合并( s i g n a lc o m b i n i n g ) 来解决。信号合并不要求 天线阵元间距足够近到可以状得波束的方向性，但是，它要求阵元的间距足够大， 以便接收信号经历不同的衰落，可以将这些接收信号看为统计独立。这个要求类 似丁分集接收。通过这种方法，即便是儿个用户信号从相同的方向入射也可吼 分辨。 信号带宽增加时，会出现多杼现象，使用窄带的智能天线信号加权没有充 分利用接收信号，会岢致系统性能的恶化。为了处理宽带信号，一般都利用 北京邮i n 大学牍十学位论文 t d l ( t a p p e dd e l a yl i n e ) 结构，如图2 4 所示。 i 割24 船一波柬形成的t d l 结构 上式采用的是有限脉冲响应f i r 信道，这里，f ，表示参考点剑阵元的 时间延迟。 智能天线主要包括同定多波束天线和自适应天线两种。对丁同定多波束天线 而言，它利用天线阵预先形成多个窄的定向波束，分别指向各个方向，相当r 用 m 个天线覆盖m 个角区域。当用户发生移动时，系统通过检测信号的强度，从 一个波束切换到另一个波束，通过区域选择来实现对用户的大致豫踪。可以认为 同定多波束天线是对移动通信环境在波束空间的部分自适应。自适应天线技术通 过自适应信号处理算法，使天线阵实时地产生波束指向移动用户，从而实现对再 移动用户的自动跟踪干f 啶位，有效地抑制了干扰信号，同时增强了对有用信号的 接收。 f 7 能天线可以应用r 上行平几下行链路。都可以利用同定多波束天线或者自适 应天线。对丁下行链路而言，冈为需要指向选定用户，故而需要上行链路的d o a 信息。对1 ：时延较小的t d d 系统而言，由于上行和下行链路都使用相同的频带， 其d o a 信息可以赢接从上行链路算法中获取，也可以直接使用d o a 进行估计。 而对丁f d d 系统和时延较大的t d d 系统来说，冈为上行和下行链路处丁不同的 频带，所以必须使用d o a 算法，估计选定用户的d o a 信息，来形成所需的波 北京邮电大学硕士学位论文 柬。 对丁智能天线来说，由于m 个天线阵元只能产生m 个波束。对每个用户可 以采用的有同定多波束天线和自适应阵天线两种，在上行链路中，如果采用同定 多波束天线，由丁多径产生的弥散现象以及用户在同一角度影响接收性能等原 冈，使其难以有比较好的系统性能。故而在上行链路采用自适应阵天线较好。在 下行链路中，采用自适应阵天线需要对每个用户进行跟踪，在目前的情况下，实 现还比较困难。冈而，结合使用自适应阵天线和周定多波束天线是二个比较好的 解决方案。同定多波束天线的原理框图如图2 5 所示。 户 信号 留2 , 5 州定多渡粜火线原理框幽 图2 5 中的波束形成是在射频中形成的。波束形成可以使用b u t l e rm a t r i x 网络。 对图2 6 所示的自适应天线来说，可以在射频，也可以在基带进行波束形成。有 儿种方法可以用来形成波束，指向指定的用户。天线阵元的相位波前可以在基带 使用数字波束形成，也可以在射频使用无源网络或者相移器形成。基带波束形成 技术要求信号在变换到天线阵元的途中一直相关。使用无源网络的一个主要优点 就是，它不需要保证发射机和波束形成间的相关性。- - e e 常用的无源网络就足 b u t l e rm a t r i x ，它可以产生一组正交的波束。它的缺点是在波束的交接点处有比 较高的增益损失。b u t l e rm a t r i x 主要包括功率分割器和固定的相移器。一般是m 个输入端口和m 个输出端口。这里m 一般是2 的幂级数。对波束形成网络来说， b u t l e rm a t r i x 可以产生m 个正交的波束。 由丁传播过程中的多径现象等，需要保证备接收信号的同步，日前有儿种解 决方案，采用过采样来实现同步是一种比较常用的方法，如八倍采样。和用代价 函数，将s y n c 域各字符和过采样中各组采样( 如八倍采样则是八组) 信号进 行相关处理，取相关值最大的的一组。 北京邮l h a 学颐十学位论文 自动频率调整( a f c ) 女n 果采用单个天线调整，容易各天线元频率不同的缺点， 应该采用协调调整的办法。主要是根据接受信号的相位和理想信号相位的比较来 调整的。可以采用k 明和短期凋整，短期调整是指在进一步处理之前消除频率误 差，而长期调整则根据短期内的频率误差估计来调整。 幽2 , 6 自适赢人线原理榧瞄 2 。3 智能天线结合使用的技术 2 3 1 空间分集技术 由丁智能天线需要即时跟踪各个用户，所以对计簧的要求是很高的。简单的 方法足采用分集技术，将多个接收单元信号处理成更少的阵列信号。譬如，我们 可以采用1 2 个天线阵元，分成四组，每组3 个阵元，对每组阵元进行分集接收- 就可以得到四个阵元的信号，然后可以采用诸如c m a 等算法进行处理。 分集是一种有效的通信接收方式。它能以比较低的成本改善无线通信的性能。 分集的概念可以简单解释如下：如果一个无线路径经历深度衰落，那么另个独 立的路径可能就会有比较强的信号，这个强的信号就可被选出或者起主导作用。 一日有多个路径被选择出来，接收机的瞬时信噪比和平均信噪比就可以得到改 善。 由丁衰落分为小尺度袭落和大尺度衰落。用来抑制小尺度衰落发生的分集叫 做微分集技术( m i c r o s c o p i cd i v e r s i t y ) 。减少大尺度衰落的分集称为宏分集技术 ( m a c r o s c o p i cd i v e 】： s i t y ) 。微分集中，通常是通过在所有时间都选择或者突出阵元 北京邮1 u 火学硕十学位论文 中好的信号，来减少小尺度衰落。这种方法也称为天线分集或者空f 司分集。 空间分集可以分为以下四类： 1 ) 选择分集 2 ) 反馈分集 3 ) 最大比率合并分集 4 ) 等增益合并分集 在空间分集中，接收天线之间的距离d 应该足够远，以保证再天线输出信号 的衰落特性足相互独立的。在理想的情况下，接收天线之间的距离应满足所消的 半波长条件。即d a 2 ( a 为波长) 。这样可保证符支路接收的信号不产生分辨 模糊。对 。空问分集，分集的支路数m 越多，分集效果越好，但分集的复杂性 也随之增加，使得分集增益的增加随m 的增大丽变得缓慢。 选择分集是最简单的分集技术，在选择分集中，在m 个阵元中选择具有最高 瞬h 、j 。信噪比的接收支路。由丁信噪比很难测量，所以在实际中，具有最大比例 ( s + n ) n 的支路被选择，其中s 和 ，分别是信号和噪声的功率。 若考虑时个独立的瑞利衰落信道，假设每个接收阵元信号具有相同的平均信 噪比r 即s n r = i _ 。则并接收阵元信号的瞬时信噪比为n 时的概率分靠函数为： 1 p ( n ) - 圭e ”1 ( 2 3 l 容易求得肘个接收阵元中，至少有一个阵元的瞬时信噪比达到s n r y 的概 率为： 尸( 一 力= i 一( 1 一c - y 7 ) m ( 2 3 2 ) 反馈分集也叫扫描分集，它与选择分集非常类似，唯一的不同是反馈分集总 使用m 个最好的信号，这m 个信号按同定顺序被扫描，直到发现一个信号高j 预先设定的闽值时，这个信号才被接收。当被接收信号低t 阈值时，便被停止接 收，这时另一个扫描过程被启动如此重复下去。这种分集方法得到的结果比其 。占分集方法得到的结果差一些，但是它有一个突出的优点，就足实现方法非常简 单，只需要一台接收机。 最大比合并分集是对来自所有m 个支路的信号根据并自信号电压与功率之 比进行加权，并求和。并路信号在求和之前必须同相化，这要求每个天线阵元有 单独的接收机和相位调整电路。最大比合并产生的输出信嗓比等丁符信噪比之 和。冈此，这种分集具有以下优点：即使没有任何一个信号是可接受的，它仍然 能够输出可以接受的信噪比。 在某些情况下，对最大比合并提供可变化的