（通信与信息系统专业论文）多用户系统的数字波束形成技术.pdf

study on the technology of beamforming in multi-user system a thesis submitted to chongqing university in partial fulfillment of the requirement for the degree of master of engineering by zheng fang supervised by ass. prof. zeng hao major：communication and information systems college of communication engineering of chongqing university, chongqing, china april 2011 重庆大学硕士学位论文 中文摘要 i 摘 要 智能天线通过波达方向估计检测用户方向，然后调节基站各阵元信号的加权 幅度和相位来改变阵列的天线方向图，对基站的发射和接收波束进行自适应赋形， 将天线波束主瓣指向用户，零陷对准干扰。数字波束形成技术是智能天线的一个 重要内容。 本文在阅读大量国内外相关科技研究文献的基础之上，针对多用户系统，围 绕数字波束形成技术进行了如下几个方面的研究： 介绍了阵列天线不同几何模型下接收信号的数学模型，进而阐述了空间谱 估计和数字波束形成的基本算法，并进行了仿真分析。 解决了波束形成中期望和干扰用户的辨识问题。传统波束形成中，虽然可 以通过波达方向估计得到期望信号和干扰信号的空间信息，但并不能对二者进行 区分。根据移动通信 cdma 系统中多用户检测的原理，在用户发送端给不同期望 用户分配不同的伪随机码作为标识码，接收端通过相关检测可以很好地区分不同 期望信号和干扰信号。仿真结果表明了该方法能保持辨识系统低的虚警概率和漏 警概率，准确辨识出特定期望用户的方向。 提出了一种基于分组的多用户波束形成方法。为抑制小区内同道干扰，提 高系统性能，首先通过波达方向估计把一个小区内的多个用户分成若干组，每组 用户一个波束形成支路，主瓣对准该组的用户，零陷对准其他组的用户。权矢量 与各组用户角度的平均值相对应。各支路波束形成输出分别进行多用户检测，消 除组内各用户间的干扰。性能分析和仿真结果证明该方法简化了波束形成的权值 求解，克服了用户空间的非正交性，有效降低了系统的误码率。 波束形成类算法的工程实现具有重要的实际意义。但由于算法中存在大量 复杂的矩阵以及矢量的变换和运算， 通常的 c 语言直接编程相当复杂并且很费时。 而通过 matlab 这样的 cad 工具的帮助，利用其 embedded ide link 软件直接 从 simulink 模型生成算法的 dsp 代码，极大地节约了软件开发的时间和成本。 以空间谱估计中的多重信号分类算法为例，介绍了基于 matlab 的 dsp 代码的 生成步骤，该步骤同样适用于其他的阵列信号处理算法。 关键字：数字波束形成，多用户辨识，多用户检测，数字信号处理器 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 ii abstract smart antennas is utilized to generate the radiation pattern of an antenna array by the complex vector weights that adjust the amplitude and phase of the received signal, so that the main beam is directed to the desired user and null is directed to interference user. digital beamforming technology is an important content of smart antennas. based on extensive reading of the relevant technology literature, this thesis discusses the digital beamforming technology in multi-user system. the dominant works are illustrated as follows： the fundamental signal models employed by different geometric antenna array are explained firstly. then, the fundamental algorithm for direction of arrival (doa) estimation and digital beamforming are illustrated with computer simulation analysis. the research work gains the solution for identification between interested users and interference users. in the content of traditional digital beamforming, it cannot implement the identification between the desired signals and interferences, although the doa estimation strategy digs out the spacial information of these signals. similar as the multi-user detection in cdma mobile communication system, different users are allocated with one pseudo-noise (pn) code in the transmitters respectively. furthermore, the receiver generates the replicas of transmitted pn codes and does correlation calculation with the received signals to harness the identification. the simulation shows that proposed approach picks up the desired signals and insures the low false alarm rate and missing detection rate. a group-based digital beamforming algorithm is proposed. in cdma wireless cellular communication system, a new methodology is proposed to combine digital beamforming with multi-user detection technology which harnesses the co-channel interference mitigation and better performance. the proposed approach assigns all the users within a cell into separated groups according to their doa firstly. then only one digital beamforming branch is employed for a singular group so that the main lobe is steered to the desired users in the group and null is directed to the mobile stations in other group. furthermore, inter-group interference is degraded by multi-user detection following the digital beamforming. the new strategy simplifies the weight vector calculation and solves the unorthogonal channel problem. additionally, it decreases the bit error rate. the analysis and simulation illustrate the fruits of the new mechanism. 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 iii the implementation of digital beamforming plays critical role in the sense of engineering. the traditional c language methodology is extremely complicated and time consuming since there are a lot of matrix transform and calculation. nevertheless, we can directly generate dsp source code from the simulink model with the help of embedded ide link in matlab. obviously, the expenditure is mitigated considerably. in addition, the steps illustrated here for multiple signal classification(music) algorithm are good reference for other array signal processing deployment on dsps. keywords: digital beamforming (dbf), multi-user identification, multi-user detection (mud), digital signal processor (dsp) 重庆大学硕士学位论文 目 录 iii 目 录 中文摘要中文摘要 . i 英文摘要英文摘要 . ii 1 绪论绪论 . 1 1.1 研究背景及意义研究背景及意义 . 1 1.2 国内外研究现状国内外研究现状 . 1 1.3 主要工作及章节安排主要工作及章节安排 . 3 2 波束形成基础波束形成基础 . 4 2.1 引言引言 . 4 2.2 阵列信号数学模型阵列信号数学模型 . 4 2.3 空间谱估计空间谱估计 . 7 2.3.1 经典 music 算法 . 8 2.3.2 基于解相干的 music 算法 . 10 2.4 波束形成波束形成 . 11 2.4.1 波束方向图 . 12 2.4.2 最优权值选择准则 . 13 2.4.3 波束形成算法 . 14 2.5 仿真分析仿真分析 . 15 2.6 本章小结本章小结 . 19 3 多用户数字波束形成中的目标辨识方法多用户数字波束形成中的目标辨识方法 . 20 3.1 引言引言 . 20 3.2 用户标识码用户标识码 . 20 3.3 目标辨识原理目标辨识原理 . 21 3.4 性能分析性能分析 . 24 3.5 仿真分析仿真分析 . 25 3.6 本章小结本章小结 . 28 4 cdma 移动通信系统中基于分组的移动通信系统中基于分组的 dbf-mud . 29 4.1 引言引言 . 29 4.2cdma 系统系统 mud 模型模型 . 29 4.3 基于分组的基于分组的 dbf-mud 算法算法 . 30 4.3.1 分组方法 . 31 4.3.2 权矢量的计算方法 . 31 重庆大学硕士学位论文 目 录 iv 4.3.3mud 实现方法 . 32 4.4 性能分析性能分析 . 33 4.5 仿真分析仿真分析 . 33 4.6 本章小结本章小结 . 36 5 空间谱估计算法在空间谱估计算法在 dsps平台上的实现平台上的实现 . 37 5.1 引言引言 . 37 5.2dsp 芯片及其系统开发流程芯片及其系统开发流程 . 37 5.3 基于基于 embedded ide link 的集成开发流程的集成开发流程 . 40 5.3.1 使用 matlab 语言进行 music 算法设计 . 41 5.3.2 构建 simulink 算法模型 . 42 5.3.3 构建与 dsp 通信的 simulink 模型. 43 5.3.4 设置 real-time workshop 中的编译连接选项 . 44 5.3.5 实时代码调试 . 45 5.4 性能分析性能分析 . 46 5.5 本章小结本章小结 . 46 6 结束语结束语 . 48 致致 谢谢 . 50 参考文献参考文献 . 51 附附 录录 . 55 a 作者在攻读学位期间发表的论文作者在攻读学位期间发表的论文 . 55 b 作者在攻读学位期间取得的科研成果作者在攻读学位期间取得的科研成果 . 55 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 绪论 1.1 研究背景及意义 随着无线通信技术的不断变革发展，新一代的无线通信系统要求在用户数量 剧增的情况下具有较高的数据传输速率，这就需要在有限的频谱资源上实现高速 率和高容量；且由于移动通信系统中复杂的地形、建筑物结构对无线电波传播的 影响，大量用户之间的相互干扰而产生的时延扩展、瑞利衰落、多径、同信道干 扰等使通信质量和容量受到严重影响。如何对抗衰落和干扰，提高频谱利用率， 是无线通信系统中急需解决的主要问题。智能天线1-3是解决上述问题的关键技术 之一。智能天线通过调节基站各阵元信号的加权幅度和相位来改变阵列的天线方 向图，检测信号方向，利用期望信号与干扰信号的不同空间来向完成加权求和， 将天线主波束指向期望用户，零陷或旁瓣对准干扰或其他用户，对基站的发射和 接收波束进行自适应赋形，达到充分利用期望用户信号同时抑制干扰信号的目的， 将同频或同时隙的信号、同码道的信号区分开来4-6。自适应波束形成算法7-10是 整个智能天线系统的核心，是决定系统性能的最重要因素,也是智能天线研究的重 点和核心。 智能天线能以多种方式来提高无线通信系统的性能3：可以通过增加覆盖距 离，填补空洞，提高穿透建筑物的能力，达到增加覆盖范围的目的；智能天线的 距离扩展使得它相对传统天线而言，无线系统初期的安装简化、费用降低；在非 理想情况下，智能天线能够区分出不同用户，对功率控制的要求降低了，或者说 降低了非理想功率控制的影响，从而有效对抗系统扰动和灵敏度的降低；智能天 线能够降低多径对通信系统的冲击作用，利用多径通信所固有的分集效应来改善 链路质量；使用智能天线可以提高系统的容量，比如在 cdma 系统中，智能天线 技术使得每个链路用户的发射功率降低，相应地降低了多址干扰，增加了每个小 区能够同时容纳的用户数量；智能天线使用空分多址的方式来分离用户信号，这 样，多个用户在给定的频/时隙上通信，与传统天线相比，可以使有限的频谱支持 更多的用户，从而提高系统容量。 研究表明，智能天线可以广泛应用于 fdma、tdma、cdma 等无线通信系 统中，智能天线已经成为无线通信领域最具吸引力的技术之一，同时也用于雷达、 声呐、医学诊断、地震勘探、射电天文等领域中11-13。 1.2 国内外研究现状 智能天线技术始于上个世纪五十年代， 几十年来的蓬勃发展使得智能天线技术 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 2 逐渐走向成熟。 “自适应天线”的概念是在二十世纪五十年代由 vanatta 首次提出 的，由一个用于接收有用信号的高增益天线和一个或几个用于抑制旁瓣的低增益、 宽波束天线组成。 六十年代的研究主要集中在自适应波束控制上， applebaum 提出 完全自适应阵列的概念和基于最大信噪比准则的自适应算法14。紧接着，widrow 和 hoff 提出的最小均方误差算法15-17，由于算法的简单以及对信号统计特性具有 的稳健性而获得了广泛的应用。对于稳定的信号，最大信噪比算法和最小均方误 差算法均收敛于维纳解。之后，capon 提出极大似然法16,18，reed 等又提出直接 矩阵求逆算法16,19，该方法能够快速收敛并克服了收敛速度依赖于特征值散布的 缺点，但计算量较大。七十年代的研究主要集中在自适应零点控制上，如自适应 滤波、自适应旁瓣对消器和自适应置零技术等20-21。八十年代以来的研究主要集 中在空间谱估计上，如最大似然估计、特征空间谱估计等22-26。随着移动通信新 时代的到来，欧、日和美等各国都非常重视智能天线技术在未来移动通信方案中 的地位和作用，投入了大量的人力物力，开展了大量的理论分析和研究，建立了 一些技术试验平台。 欧洲通信委员会于1994年1 月1995 年12 月在race(research in advanced communication in europe)计划中实施了第一阶段的智能天线技术研究，该项目由 德国、英国、丹麦和西班牙合作完成。项目组在 dect 基站基础上构造智能天线 试验模型，通过计算机仿真、多阵元传输测试和现场试验来验证智能天线对扩大 覆盖和减少时延扩展的作用；继该项目之后，1995 年 9 月1998 年 6 月还在 acts (advance communication technologies and services)计划中继续进行第二阶 段的智能天线术研究，进一步验证智能天线的灵活性和经济性。 日本光电通信研究所研制了卫星移动通信系统中的基于波束空间处理方式的 多波束智能天线接收系统。天线阵元采用了44的 16 阵元的平面方阵，首先用快 速傅立叶变换形成正交的波束，再利用恒模算法以及多波束最大比值合并分集等 算法，最后根据不同的信号环境智能选取不同的优化算法，从而实现了基于智能 天线的软件无线电架构。 美国先后在 21 世纪初由 matewave 和 arraycomm 公司分别推出商用 amps / cdma spotlight 2000 智能天线基站系统和 intellicell 智能天线基站系统。 matewave 的 gsm 智能天线基站系统是基于固定波束切换原理，通过实际的使用 表明该系统能很好地抑制干扰，系统的平均载干比能增加 6 db，在一定程度上提 高了网络的容量；而 arraycomm 公司的系统采用的是可变元的配置，在上下行都 使用基于自适应算法的智能天线技术，实际的使用结果表明该系统能有效扩大覆 盖范围、大幅度降低系统干扰、大幅度提高系统容量，在 phs、wll、gsm、 cdma2000 等系统中都得到了广泛的应用。 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 3 我国将智能天线技术纳入了国家 863 通信技术的主题研究中， 许多高等院校在 进行这方面的研究工作，比如清华大学、成都电子科技大学以及西安电子科技大 学等。td-scdma 系统是由我国无线通信标准组织 cwts 提出的，而其中的一项 关键技术就是智能天线技术，可以用它来提高该系统的容量，扩大天线的覆盖范 围，提高信号的质量，该系统已被国际电联 itu 正式采纳。我国大唐移动通信公 司开发的收发智能天线系统是基于 8 单元圆阵和自适应算法的，能在接收时抑制 干扰，同时在发射时提高发射增益。中国邮电电信科学研究院北京信威公司和美 国的 arraycomm 公司已联合研制出应用无线本地环路 wll 智能天线系统，该系 统采用 8 阵元的环形自适应阵列，接收机的灵敏度最大可提高 9 db。 目前，智能天线有关技术已经列入 td-scdma、802. 11、lte 等宽带无线通 信标准中，并在 ad hoc 网络、小型移动台通信定位等方面得到了深入研究。 1.3 主要工作及章节安排 本文围绕多用户系统中的数字波束形成技术，做了如下的研究： 第一章：介绍了研究课题的背景及意义，国内外研究现状； 第二章：介绍了阵列的几种基本几何模型，分析了阵列接收信号源在不同模 型下的数学模型，空间谱估计的 music 算法以及基于空间平滑的 music 算法的 基本原理及实现步骤，数字波束形成的相关准则及算法，并对算法进行了仿真分 析； 第三章：介绍了多用户系统的数字波束形成过程中，目标辨识的原理和方法 步骤，通过性能分析和仿真结果证明该目标辨识方法的有效性，且能保持目标辨 识低的虚警和漏警概率； 第四章：针对 cdma 系统中用户数目剧增的情况，介绍了一种基于分组的数 字波束形成技术结合多用户检测技术的 g-dbf-mud 算法的基本原理及其实现步 骤，通过性能分析和仿真结果证明该方法相比现有的 dbf-g-mud 算法，在计算 量大大减少的同时仍能保持良好的误码率性能； 第五章：以 music 算法为例，介绍了如何利用 matlab 工具 embedded ide link 的帮助，在 dsp 上实现 music 算法的步骤。说明了该方法的优越性对软件 开发周期缩短的影响，并对算法在 dsp 上的运算时间等性能进行了讨论； 第六章：总结全文，指出本文的创新点以及不足之处。 重庆大学硕士学位论文 2 波束形成基础 4 2 波束形成基础 2.1 引言 由于信号的实际传输情况极其复杂，其严格的数学模型的建立需要有完整的 物理环境的描述。为简化分析，本文的研究工作基于以下假设1： 入射到阵列上的信号带宽远小于信号的载波频率，信号即为窄带信号，不 同阵元接收到的信号幅值相同； 接收阵元处于信号源的远场，接收到的信号近似为平面波； 接收阵元本身的几何尺寸远远小于入射的平面波波长，且阵元无指向性， 接收阵元近似为点元； 接收阵元间距远大于阵元的几何尺寸，各阵元之间的相互影响可忽略不计； 传输介质是无损的、线性的、非扩散性的、均匀的且各向同性； 信号的数目是有限的且小于阵元数目，信号个数已知。 本章首先介绍阵列信号的基本数学模型，然后介绍空间谱估计和波束形成技 术的基本知识。 2.2 阵列信号数学模型 阵列天线由一系列低增益的天线阵元组成，一般来说，天线阵列可以有任意 多种几何配置形式。特定的几何形状的阵列可以获得相应的期望效果，来适用于 感兴趣的特定用途。如果各个阵元的中心沿着一条直线排列，即为线阵；各个阵 元的中心在一个圆周上，则为圆阵；各个阵元的中心在一个平面上，即为面阵。 显然，线阵和圆阵是平面阵的特殊情况。 假设信号源个数为d，阵元个数为m，且md.第i路信号源的入射角为 i ), 2 , 1(di， 以第 1 个阵元为参考阵元，d路远场信号同时入射到天线阵列上， 则第m个阵元在t时刻的接收信号可以表示为： )()()( 1 tntstx m d i miim ，), 2 , 1(mm (2.1) 其中，)(tsi是t时刻入射到参考阵元上的第i路信号基带复包络的调制波形，假设 该信号是中心频率为 0 f的窄带信号，则可以表示为： tfj ii etuts 0 2 )()( (2.2) 其中，)(tui是远场信号的幅度。进而可得 )(2 0 )()( mi tfj miimii etuts 。 mi 表示 第i路信号到达第m个阵元时相对于参考阵元的时延，由于信号源是窄带远场的， 信号的频带b比中心频率 0 f小得多，所以)(tui的变化相对缓慢，信号时延 重庆大学硕士学位论文 2 波束形成基础 5 b mi 1 ，所以有)()(tutu imii ，即信号包络在各阵元上的差异可以忽略不计， 有 mimi fj i tfj imii etsetuts 00 2)(2 )()()( (2.3) )(tnm表示第m个阵元上的高斯白噪声。于是m个阵元在t时刻接收的信号可以用 一个列矢量来表示： )( )( )( )( )( )( (t)(t) )( )( )( )( 2 1 2 1 222 222 222 2 1 02010 20220210 10120110 tn tn tn ts ts ts eee eee eee tx tx tx t md fjfjfj fjfjfj fjfjfj m mdmm d d nasx (2.4) 其中，)(,),(),( 21d aaaa为方向矩阵； tfjfj i mii ee, 1 )( 010 22 a为第i路 信号的方向向量； 00 cf ，其中c为光速，表示波长。 根据以上的分析，要得到特定的阵列的方向矩阵或称为阵列流型，必须要知 道时延的表达式，接下来推导特定空间阵元间的时延表达式。 对于空间中任意的两个阵元，以其中位于原点的阵元作为参考阵元，另一个 阵元的空间坐标为),( 000 zyx，两阵元的几何关系如图 2.1 所示，图中的“ ”表示 阵元所在位置。信源方位角360,0 是信源到原点的连线在yx 平面上的投 影与x轴之间的夹角，信源俯仰角90,0 是信源到原点的连线与yx 平面 之间的夹角。根据几何关系可以推导出空间坐标为),( 000 zyx的阵元相对参考阵元 的时延为： )sincossincoscos( 1 000 zyx c (2.5) z y x0 x 0 y 0 z 图 2.1 空间任意两阵元的几何关系 fig.2.1 geometric relationship of two spatial elements 下面给出实际环境中常用的几种几何配置的阵列及阵元间传输时延的表达 重庆大学硕士学位论文 2 波束形成基础 6 式。 均匀线阵： 图 2.2 均匀线阵的几何关系 fig.2.2 geometric relationship of uniform linear array 如图 2.2 所示，均匀线阵由 m 个相同的全向天线阵元等间距排列成一条直线 组成，阵元间距为2d。以位于原点位置的阵元 1 x为参考阵元，设第m个阵元 的位置为 m x，其中 ), 2 , 1(mm，垂直于阵列的方向为法线方向。设窄带远场 信号源的入射角为，即信号源方向与阵列方向的夹角，又称为方位角， 180,0 。则第m个阵元 m x与参考阵元 1 x之间的传输时延可以表示为： 0 2 cos) 1( cos) 1( 1 cos 1 f m dm c x c mm (2.6) 其中，dmxm) 1(为第m个阵元 m x与参考阵元 1 x之间的间距。本文后面的算法 均以此均匀线阵模型进行研究。 均匀圆阵： o x y z 图 2.3 均匀圆阵的几何关系 fig.2.3 geometric relationship of uniform circular array 1 x m x 2 x i x d 重庆大学硕士学位论文 2 波束形成基础 7 均匀圆阵由m个相同的全向天线阵元均匀分布在yx 平面一个半径为r的 圆周上而组成，如图 2.3 所示。采用球面坐标系表示平面波的入射角度，坐标系的 原点o位于均匀圆阵的中心，也就是圆心。那么，以均匀圆阵的圆心为参考点， 第m个阵元 m x的传输时延可以表示为： )cos) ) 1(2 (cos( m m c r m (2.7) 2.3 空间谱估计 空间谱估计方法大致可以分为四类1,24：传统法（conventional technique） 、子 空间法（subspace based technique） 、最大似然法（maximum likelihood technique） 以及将特性恢复法和子空间法结合起来的综合法（integrated technique） 。本节主要 介绍基于特征结构的子空间法之一 music 算法。 1979 年由 schmidt r o 提出的 music 算法是早期经典的超分辨 doa 估计方 法，今天的多数子空间方法都是以此为基础的改进算法。子空间方法的基本思想 是：若信源个数小于阵元个数，则阵列接收数据矩阵的信号分量构成的子空间称 为信号子空间，由于噪声是与信号相互独立的高斯白噪声，它张成了与信号子