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w i m a x 系统中钾能天线技术的研究 摘要 随着移动通信技术的不断发展，便携移动“通信与计算”终端的普及，人们不再满 足于当前移动通信网络提供的简单语音通信服务和有限的数据传输能力。而基于i e e e 8 0 2 1 6 系列标准的w i m a x 系统是未来的主流宽带无线接入系统，凭借其更高的速率、 更大的容量、更低的成本等优势，得到更广泛的支持和关注。智能天线是w i m a x 系统 o f d m a 物理层的关键技术之一，它可以为终端用户提供更可靠的信息传输，从而提高 系统的性能和覆盖范围，所以对智能天线技术的研究具有很重要的实际意义。 自适应算法是智能天线的核心技术之一，因此本文首先介绍了常用的自适应波束成 形的最佳滤波准则和几种经典的自适应算法以及改进算法，并对这些算法进行仿真和分 析。 结合中兴公司的实际项目，本文分析了8 0 2 1 6 e 协议中有关智能天线部分的内容， 包括帧结构和使用智能天线技术后用户的初始接入流程。由于协议中并未规定智能天线 的实现方法，本文利用w i m a x 系统信道的互易性，对上行链路中导频信息进行信道信 息估计，并采用分段线性插值的方法，获取数据信息的信道信息，按照最大传输比法求 得权值，并将权值用于下行数据发射，完成波束赋形。通过仿真将本文采用的波束赋形 方法与基于特征值波束赋形法进行比较，仿真结果表明本文采用的方法，系统性能更优。 最后对智能天线给系统性能带来的影响进行研究，从仿真结果可知，采用智能天线技术 的w i m a x 系统误码率更低，且能增加覆盖距离。 二 关键词：w i m a x ；智能天线；波束赋形 w i m a x 系统中智能天线技术的研究 a bs t r a c t w i t ht h ec o n t i n u o u sd e v e l o p m e n to fm o b i l ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , a n dt h e p o p u l a r i t yo ft h ep o r t a b l em o b i l et e r m i n a li n t e g r a t i n gc o m m u n i c a t i o n sa n dc o m p u t i n g ，p e o p l e n ol o n g e rs a t i s f yw i t ht h ec u r r e n tm o b i l ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r kw h i c hp r o v i d e st h es i m p l e v o i c ec o m m u n i c a t i o ns e r v i c e sa n dt h el i m i t e d c a p a b i l i t yo fd a t at r a n s m i s s i o n b u tt h e w i m a xs y s t e m sb a s i n go nt h ei e e e8 0 2 16s e r i e so fs t a n d a r d sa r ew i d e l yd e p l o y e da r o u n d t h ew o r l d ，w h i c hi st h en e x tg e n e r a t i o nm a i nb r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s st e c h n o l o g y , w i t h a d v a n t a g e so fh i g h e rs p e e d ，g r e a t e rc a p a c i t y , a n dl o w e rc o s t i tp r o v i d e sh j l g hq u a l i t ys e r v i c e e x p e r i e n c ef o ru s e r s s m a r ta n t e n n at e c h n o l o g yi so n eo ft h ei m p o r t a n tt e c h n o l o g i e si nt h e w i m a xo f d m ap h y s i c a ll a y e r ，w h i c hc a l lp r o v i d et e r m i n a lu s e r sw i t hm o r er e l i a b l e i n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o n ，a n dh i g hs y s t e mp e r f o r m a n c ea n dl o n g r a n g ec o v e r a g e s ot h e r e s e a r c ho ns m a r ta n t e n n at e c h n o l o g yh a si m p o r t a n tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e a d a p t i v ea l g o r i t h mi so n eo ft h ec o r et e c h n o l o g i e s o fs m a r ta n t e n n a ，s ot h ep a p e r d e s c r i b e st h eb e s ta d a p t i v eb e a m f o r m i n gf i l t e rc r i t e r i aa n ds e v e r a lc l a s s i c a la d a p t i v e a l g o r i t h m sw i t hi m p r o v e da l g o r i t h m ，a n ds i m u l a t i o na n da n a l y s i so ft h e s ea l g o r i t h m s a n d t h e nw ee m u l a t et h e ma n da n a l y z e c o m b i n i n go ft h ez t ec o r p o r a t i o n sp r a c t i c a lp r o j e c t s ，t h ep a p e ra n a l y z e st h ec o n t e n t s a b o u tt h es m a r ta n t e n n ai n 8 0 2 16 ep r o t o c o l ，i n c l u d i n gt h ef l a m es t r u c t t t r ea n dt h eu s e r s i n i t i a lr a n g i n gp r o c e s sa f t e re n a b l i n gt h es m a r ta n t e n n at e c h n o l o g y b e c a u s et h ep r o t o c o ld o e s n o tp r o v i d es p e c i f i cm e t h o dt oa c h i e v et h es m a r ta n t e n n a , b a s i n go nt h ec h a n n e lr e c i p r o c i t y i nw i m a xs y s t e m s ，t h ep a p e re s t i m a t e st h eu p i i n kp i l o tc h a n n e li n f o r m a t i o n ，o b t a i n sd a t a c h a n n e li n f o r m a t i o nb yp i e c e w i s el i n e a ri n t e r p o l a t i o nm e t h o d ，t h e na c c o r d i n gt ot h e m a x i m u mt r a n s m i s s i o nr a t i or u l eo b t a i n st h ew e i g h t ，w h i c hi su s e df o rd o w n l i n kd a t a t r a n s m i s s i o n t h ep a p e rs i m u l a t e st h ep r o p o s e db e a m f o r m i n gm e t h o da n db a s i n go ne i g e n v a l u em e t h o d ，a n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o p o s e dm e t h o dh a st h eb e t t e rs y s t e m p e r f o r m s f i n a l l y , i ts t u d i e st h a tt h es m a r ta n t e n n ai n f l u e n c e so ns y s t e mp e r f o r m a n c e t h e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w st h a ts m a r ta n t e n n as y s t e m sh a v el o wb i te r r o rr a t ea n dc a ni n c r e a s e t h ec o v e r a g ed i s t a n c e k e yw o r d s ：w i m a x ；s m a r ta n t e n n a ；b e a m f o r m i n g 第1 章绪论 第1 章绪论 。 1 1选题背景 随着无线通信技术和互联网技术的快速发展，全球进入信息时代，一方面移动用户 不再满足于传统的短信、语音等业务，而需要视频、图像、多媒体及其他对需求更高带 宽的业务；另一方面，互联网用户不再满足于只能在家庭和办公室、图书馆等固定环境 使用宽带业务，而希望可以在移动的环境中随时随地使用宽带接入网络。用户的需求和 技术的发展使得宽带移动化成为发展的新趋势。 1 9 9 9 年7 月，i e e e8 0 2 1 6 工作组成立，专门从事宽带无线接入技术规范的研究， 目标是建立一个统一的全球宽带无线接入标准。至今为止，8 0 2 1 6 有两个标准意义深远： 8 0 2 1 6 d 固定宽带无线接入标准和8 0 2 1 6 e 移动宽带无线接入标准。8 0 2 1 6 e 标准的最大 改进就是增加了对移动性的支持，同时兼容8 0 2 1 6 d 标准，即在支持固定无线接入的同 时还能支持移动宽带无线接入。工作频段为6 g h z 以下，适合于移动性许可的频段，可 支持终端以适当车辆速度移动。 2 0 0 1 年，由全球知名设备商包括有英特尔、微软、华为、中兴等在内的设备商成立 了非赢利性论坛一w i m a x 论坛。其目的在于不仅要推动基于i e e e8 0 2 1 6 标准和e t s i h i p e r m a n 标准的认证、互通性和兼容性，同时还致力于可运营的宽带无线接入系统的 研究、需求的分析、应用模式的探索、市场的拓展等一系列大力促进宽带无线接入市场 发展的工作。如果说，i e e e8 0 2 1 6 工作组是w i m a x 标准的制造者，那么w i m a x 论 坛就是技术和产业链的推动者川嵋1 。 w i m a x 是i e e e8 0 2 1 6 系列标准的统称，全称为w o r l di n t e r o p e r a b i l i t yf o r m i c r o w a v ea c c e s s ，即全球微波互联接入。w i m a x 是一种开放的宽带无线接入技术， 它具有高速数据传输、覆盖距离远、业务广，并兼有一定范围内的移动性的优势。2 0 0 7 年1 0 月1 9 日，在国际电信联盟在日内瓦举行的无线通信全体会议上，经过多数国家投 票通过，w i m a x 正式被批准成为继w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 和t d - - s c d m a 之后的第 四个全球3 g 标准。而最新版本的i e e e8 0 2 1 6 m 将有望成为4 g 标准之一。这将进一步 促进w i m a x 产业和市场的发展。 为增强系统性能和竞争力，w i m a x 标准体系引入了业界许多前沿的核心技术，这 些关键技术包括有m i m o 、h a r q 、智能天线技术等p 1 ，本文重点研究智能天线技术。 在w i m a x 中智能天线技术又被称为自适应天线系统( a d a p t i v e a n t e n n as y s t e m ，a a s ) 。 智能天线可以利用用户空间位置差异，通过阵列信号处理降低干扰，提高通信质量，并 一 哈尔滨r 程大学硕十学俜论文 且可以提高信号的信噪比，从而增加系统容量、覆盖范围和频谱利用率等。 1 2 本课题研究的目的和意义 目l j 的w i m a x 移动宽带无线接入系统还面临着许多问题需要解决，比较突出的问 题，如频谱资源和通信的需求不断增长之间的矛盾，如室内覆盖、远近效应、切换、终 端功率限制等，因此就需要更好的技术来提高通信质量和系统容量。在8 0 2 1 6 e 中，a a s 是一种可选技术，在上下行链路中都可以选择使用该技术。采用a a s 技术可以提高系 统容量、扩大覆盖范围、提高通信的可靠性、降低运营成本等。与时间和频率资源相比， 智能天线技术引入了新的无线资源，即空间资源。但是，标准对于如何具体地实现i e e e 8 0 2 1 6 e 的a a s 则没有做具体的规定，也没有给出相应的算法实现。那么如何高效合理 地应用智能天绿采用什么样的算法来实现智能天线，这些全部都交给了设备厂商自行 完成。随着通信技术的不断发展，3 g 通信技术竞争激烈，为保证w i m a x 的技术优势 和推广，还需要解决包括a a s 在内的很多技术问题。因此研究w i m a x 系统中智能天 线技术是具有重要的理论价值和实用意义。 1 3国内外相关技术研究现状和发展前景 二 1 3 1晰m a x 产业的发展现状 在w i m a x 设备制造商方面，早期主要是a l v a r i o n 、a p e r t o 、a i r s p a nn e t w o r k s 、p r o x i m 等公司，后来诺基亚西门子、摩托罗拉、阿尔卡特朗讯等主流设备厂商也加入到了 w i m a x 设备生产，使得产业规模进一步扩大。 2 0 0 4 年6 月，a l v a r i o n 公司发布了它的w i m a x 系统平台b r e e z e m a x ，该平台产 一 品基于i e e e 8 0 2 1 6 标准，可用于支持基站和c p e 开发。b r e e z e m a x3 5 0 0 产品运行在 3 5 g h z 频段，可以提供高质量的口语音和高速数据传输等业务。之后又相继发布了 b r e e z e m a x3 6 0 0 无线解决方案，能够让运营商以更广阔的覆盖范围和更高的性能提供 宽带数据、语音和多媒体服务。2 0 0 5 年7 月，a l v a r i o n 推出了室内w i m a x 客户终端设 备b r e e z e m a xs i 。 2 0 0 5 年3 月，a i r s p a n 推出可自行安装的室内w i m a x 产品a s m a x ，并与日本电 信运营商y o z a n 合作建设w i m a x 网络。r e d l i n e 推出完全兼容8 0 2 1 6 2 0 0 4 的平台 a n 1 0 0 u ，可作为基站和用户站。英国c a m b r i d g eb r o a d b a n d 也扩展了其v e c t a s t a r 产品 系列，增加对w i m a x 的支持。 2 0 0 5 年中兴通讯和富士通宣布联合推广富士通的基于m b 8 7 m 3 4 0 0 芯片、经过 2 第1 章绪论 w i m a x 技术认证的设备。同时，两家公司还合作开发符合i e e e 8 0 2 1 6 d 标准的w i m a x 发射基站和用户接入点设备。 t 而华为公司也在2 0 0 5 年和i n t e l 进行合作。双方携手建设支持新型w i m a x 标准和 规范，并面向全球打造电信级的w i m a x 无线宽带网络。华为公司在2 0 0 5 年下半年推 出支持i e e e 8 0 2 1 6 d 的产品，2 0 0 7 年推出支持i e e e 8 0 2 1 6 e 的产品。 w i m a x 技术凭借其更高速率、更大的容量、更低的成本等优势吸引了大量的运营 商的支持。美国和日本w i m a x 运营商主要有c l e a r w i r e 、s p r i n t n e x t e l 和n t td o c o m o 。 美国的c l e a r w i r e 公司一直专注于w i m a x 业务，希望为全球用户提供优质的宽带 无线接入服务。在2 0 0 4 年，c l e a r w i r e 公司开始在美国开展w i m a x 业务，覆盖1 3 个州 的3 9 个主要城市，提供最高1 5 m b i t s 下行数据传输速率的接入服务，后又陆续提供了 v o l p 业务。c l e a r w i r e 还在2 0 0 5 年1 0 份开始向欧洲提供w i m a x 服务，并且提供最高 3 m b i t s 的下行数据传输速率的接入服务。现在c l e a r w i r e 已经成长为全球最大的w i m a x 服务提供商。 s p r i n t n e x t e l 是美国第三大移动运营商，在2 0 0 6 年8 月宣布采用2 5 g h z 频段建设 基于i e e e 8 0 2 1 6 e 2 0 0 5 标准的4 g 全国性宽带移动网络。在2 0 0 7 年末推出商用业务。 s p r i n t n e x t e l 不断在w i m a x 网络建设上投入资金，在2 0 0 8 年的投资额已经达到2 0 亿 “一 夫兀。 日本最大无线通信运营商n t t d o c o m o 也在2 0 0 6 年开始涉足w i m a x 网络的运营。 从2 0 0 6 年2 月开始，d e c o m o 公司开始进行一系列的测试，包括w i m a x 系统的实际 吞吐量，w i m a x 系统和其他通信技术的兼容性等技术问题。之后2 0 0 7 年，n t t 对 w i m a x 网络进行投资t 确定把w i m a x 技术作为今后的主要业务之一h 。 ： 目i j f ，我国的三大电信运营商没有加入w i m a x 论坛，但是并没有放弃对于w i m a x 技术的追踪和研究。而且我国运营商都有3 5 g h z 的经营牌照，在时机成熟时，可以快 速推出w i m a x 服务。 1 3 2 智能天线的研究现状和发展前景 智能天线技术是由上世纪5 0 年代末v a na t t a 提出的自适应天线阵发展而来的p 1 。 1 9 5 9 年，h o w e l l s 提出了自适应旁瓣对消技术，这是第个使干扰零陷的方案。而 a p p l e b a u m 为了满足归一化信噪比最大，研究了自适应的干扰对消的方法，与此同时， w i d o w 在1 9 6 7 年提出最小均方( l e a s tm e a ns q u a r e ，l m s ) 自适应算法，并且首次将 训练序列应用到自适应天线阵中，以使主波束方向对准期望信号并且获得较高的增益； 哈尔滨。f 程大学硕十学何论文 一置宣i i 昌昌；i 宣宣暑；皇；昌；暑；i 宣暑宣i ；i 鲁i ；宣i i i i ；i ；i i i ；i i ；昌暑；宣i 苗i i ；i i ；i i ；宣宣i i 暑；i i 誊 l m s 算法的特点是计算简单，需要参考信号，对大特征值发散度收敛缓慢。1 9 6 9 年c a p o n 使用最大似然法求解出自适应阵列天线的最小方差无失真响应。随后s c h m i d t 于1 9 8 6 年提出的著名的多重信号分类( m u l t i p l es i g n a lc l a s s i f i c a t i o n ，m u s i c ) 算法，它利用天 线阵导向矩阵与噪声子空间的正交性，对来波信号的方向进行估计。1 9 8 9 年，r o y 等人 首次提出的经过旋转不变性技术估计信号参数( e s t i m a t i n gs i g n a l p a r a m e t e r sv i a r o t a t i o n a li n v a r i a n c et e c h n i q u e s ，e s p r i t ) 算法，其中信号子空间是通过两个具有平移 不变性结构的天线阵产生的扣1 。 由于智能天线的优越性能，美国、日本等国家都非常重视其研发工作，已经开展了 大量的理论分析和实验研究，我国也加入了这一行列。下面将简要介绍一些国内外对智 能天线技术研究的成果。 ( 1 ) 美国a r r a y c o m m 公司的智能天线技术 a r r a y c o m m 公司是研究智能天线技术在无线通信系统中应用的最早公司之一。历经 长达8 年研发和实践，公司最近成功地推出了一种构造i n t e l l i c e l l 的完全自适应智能天 线实施方案。i n t e l l i c e l l 基站采用简单、o f f - t h e s h e l f 的天线阵元，通常为4 1 2 个，结 合复杂的信号处理技术，来管理基站发射和接收信号的能量。i n t e l l i c e l l 技术可以提高 系统的容量，信号的质量以及抑制干扰p 1 。 ( 2 ) 日本在智能天线方面的研究 从上世纪7 0 年代，日本学者就移动通信环境下的智能天线展丌了大量研究，包括 自适应算法、w c d m a 中的多址干扰抑制、数字波束形成方案，以及分别适用于基站和 移动终端上的智能天线类型等。n t t - d o c o m o 公司采用2 d r a k e 接收机结合最小均方 误差准则的自适应波束形成算法研制出用于3 g 的u m t sw c d m a 体制的智能天线实验 系统。该系统有3 个小区基站用以评估切换以及其他的网络功能。实验数据表明，使用 智能天线的平均误码率比使用空间分集有明显改善傅“针。 ( 3 ) 我国在智能天线方向的研究 我国无线通信标准组织提出的t d s c d m a 标准已经被国际电联采纳，t d s c d m a 正式成为3 g 标准之一，而智能天线是t d s c d m a 标准中的关键技术之一，其中大唐 移动通讯公司在这方面进行了大量的研究和工作。在基站端由8 个天线阵元的同心阵列 组成，直径为2 5 c m ，该智能天线采用自适应的方式工作，同全向天线相比可获得9 d b 的赋形增益。该智能天线可以自适应地产生多个波束，每个波束分别跟踪共享同一信道 的不同用户。由于智能天线技术在t d s c d m a 系统中实现，该技术具有可行性，因此 大唐公司提出在t d l t e 标准中支持单流和多流波束赋形，提高系统性能；在考虑多个 4 第l 章绪论 小区协作的情况e ，、智能天线技术可以通过抑制干扰以及信号增强等方法更好的发挥自一 身优势。由此看来，在t d l t e 及其后续演进过程中，大唐定会大力发展智能天线。 目前智能天线的研究内容主要集中在核心算法和应用方面。算法方面主要分为两大 类：波达方向估计算法和自适应算法。波达方向估计算法中具有代表性的就是m u s i c 和e s p r i t 及其改进算法，自适应算法中常用的算法主要包括基于最小均方误差准则的 l m s 算法、r l s 算法、采样矩阵求逆等。如何提出一种有效实用的波束形成算法仍然 是现如今的重点研究课题，也是本文重点研究内容0 1 。 1 4 本文研究重点及章节安排 从前面介绍的内容可以知道，智能天线的波束形成算法是智能天线研究的重点内 容。本文首先研究和分析了几种经典的自适应算法和子空间算法，如l m s 、n l m s 、i 也瓢一 m u s i c 算法基本原理，并对算法进行仿真和分析。 其次，结合8 0 2 1 6 e 协议中规定的系统帧结构和可用导频资源，提出基站对上行接 收数据的导频进行估计，再利用插值对数据信道进行估计，得到上行信道的状态信息， 求出权值，再根据互易性，将对上行信道的估计权值用于下行发射信息，进行下行波束 赋形。最后对采用智能天线后w i m a x 系统的性能进行仿真比较。 本文的内容安排如下： 第一章为绪论。首先陈述了选题背景和课题研究意义，接着简要回顾了w i m a x 和 智能天线技术的国内外发展概况，并介绍了智能天线的研究方向，最后阐述了本文的主 要工作以及各章的具体内容安排。 一 第二章概述了智能天线的基本概念和工作原理，介绍了阵列天线和信号的数学模 型，并对三种常见的接收准则进行简要的分析，为后续的研究工作做好准备o 第三章研究了几种经典算法，包括有l m s 及其改进算法、r l s 、m u s i c 和e s p r i t 算法，并进行m a t l a b 仿真和分析。 第四章研究了w i m a x 系统中智能天线的实现。对上行前导字( p r e a m b l e ) 的导频 进行信道估计，并通过分段线性插值，对数据载波进行信道估计，并求出权值，最后根 据t d d 系统上下行互易性，将所求的权值，用于下行波束赋形。还将本文采用的波束 赋形方法与基于特征值波束赋形法进行比较。 第五章对使用智能天线后对w i m a x 系统的影响进行研究。比较了使能智能天线和 普通系统的初始接入系统的性能进行比较，最后还对非理想波束赋形时系统性能进行仿 真和分析。 哈尔滨1 ：程大学硕十学位论：之 i 第2 章智能天线概述 2 1 智能天线的原理 智能天线是在自适应天线阵列基础上发展而来的。最初自适应天线在雷达和其他军 事领域中使用。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 方面的研究逐渐深入，自适应天线开始用于具有复杂电波传播坏境的移动通信。智能天 线的基本思想是通过天线阵列接收信号，根据一定的标准和处理算法，优化加权权重， 然后分别加权各天线阵元，使阵列方向图实时地对准有用信号方向，而在干扰信号方向 产生零陷，抑制干扰，进而提高信号干扰噪声比，提高系统性能。与传统的时分多址、 频分多址和码分多址有所不同，智能天线还引入空分多址的概念，无线资源空间可分性 被充分利用，即利用用户的不同空间位置对不同用户进行区分。在同一时隙，即便有相 同的频率或相同地址码，基站仍然可以依据不同用户的不同来波方向对用户进行区分， 以提高无线通讯系统的无线资源利用率，提高系统容量r 川。 由于现在使用的移动终端一般都只有一个天线，所以现阶段我们说的智能天线一般 是指基站端天线。当处于接收状态时，基站利用智能天线对用户进波达方向估计，空间 滤波，减少其他移动终端的干扰和多径干扰，这也被称为上行波束形成。当处于发送状 态时，智能天线对基站的下行传输信号进行波束赋形，使电波沿着上行信号来波方向发 送回移动终端，进而降低了发射功率，减少给其他移动终端带来的干扰。 2 2 智能天线分类 智能天线技术主要的实现模式有两种，切换波束系统和自适应天线阵列，通常说的 智能天线一般指白适应天线。切换波束系统包括天线阵列、波束形成网络，切换选择控 制逻辑单元，如图2 1 所示。切换选择控制逻辑单元需要一定的信号处理能力，搜索用 户，以及控制切换，使波束对准接收信号，并且满足此时有最大信噪比。当接收到的信 号的信噪比低于预设门限时，将用户切换到别的波束。 通过减少来自期望信号方向以外的干扰可以提高切换波束系统的容量。然而，切换 波束系统无法分辨在期望信号方向附近的多径分量，也不能够通过合并相干多径分量来 利用路径分集。因此，仅仅基于切换波束网络的系统对多径分量的角度分布比基于自适 应阵列处理的系统对角度的分布更为敏感。另外，接收到的用户的信号功率随着用户在 波束中心和波束边缘之间位置的移动而改变。 6 第2 章智能天线概述 ，l 田白1 对i 矗；的谗f 时 jj 一 父 l 用，。i 刖膨h 、j 饭仪仇 - 控制开关 - 波束形成网络 ： 、， f 、 用户k 对应的接收机 控制开关 图2 1 切换波束系统 自适应天线系统由空间分布的辐射元阵列、多个阵列处理器组成。阵元用以接收相 关的信号，每个阵元的输出按照一定的法则进行自适应的加权调整，各个阵列处理器独 图2 2白适庸阵列结构图 7 哈尔滨下程人字硕十号：位论文 立处理信号，从而实现多波束，自适应阵列的结构如图2 2 所示。假定阵元m 的输出为 连续基带信号，经过a d 转换后，变成离散基带信号，w 表示在某一时刻对方向图进行 调整的权向量，该权向量基于某种准则确定，以使阵列响应信号的性能在某种意义下最 优。 切换波束系统的主要优点是简单、有效、易操作、建设成本低。缺点就是缺乏灵活 性，不能保证用户的期望方向与波束的最大增益方向相同，所以当用户处在波束的交界 区域时，通信性能会受到一些影响，还有就是难以对干扰用户实现零陷抑制。 相对于波束切换系统，自适应天线系统具有更大的灵活性，波束方向能够随着移动 终端的移动而随时改变。自适应天线系统的自适应性由自适应算法实现。自适应天线系 统的设计关键在于确定相应的自适应算法：如需要对信号波到达方向进行估计，还需要 确定相应的波达方向估计的预测方法。自适应天线系统的自适应波束成形算法通常采用 数字波束成形技术来实现，一般很少用模拟方式实现，因为模拟方式难以实现灵活多变 的自适应控制算法。目前对实际应用和稳定的自适应算法的研究依然是广大学者和工程 师工作的重点，并且自适应天线系统是通信系统发展的必然趋势”1 1 。本文研究的智能天 线就是自适应天线系统。 2 3 智能天线的数学模型 智能天线是利用空间阵列分辨空间信号并进行波束赋形的技术。整个系统大致分为 三部分：入射信号、阵列接收、白适应处理。 萨矩 自 耀告 适 应输出 处 理 萨恒班 i j 二： i j 图2 3 天线阵系统结构 假设阵列天线由m 个天线阵元组成，有n 个信号入射到该阵列上，并且该阵列所 在的位置为信号远场区域，假设阵元个数等于通道数，即各阵元接收到信号后经过各自 的传输信道送给自适应处理器，也就是说处理器接收了来自m 个通道的数据。信号可 用复包络形式表示为 8 薯( o - - u , ( t ) e j 【吣+ 酬 ( 2 一i ) 式中( ，) 是带宽为b 的基带信号，缈( ，) 是信号源的相位，c o o 是信号源的载波频率。当 信号源入射到天线阵时，以某个阵元为参考，其他阵元接收到的信号都会有一定的延迟， 则某个阵元接收到的信号表示为 j ，t f ) = “，t f ) p ( a o ( 1 - r 一“一7 ) ( 2 2 ) 如果信号的带宽b 远小于信号源的载波频率，此时信号满足窄带信号条件，则有： 滕? 捌 亿3 ， l 缈( ，一f ) 伊( f ) 由于在w i m a x 系统中，信号带宽可以为5m h z 、7m h z 和1 0m h z ，远远小于其 中心频率2 5g h z 、3 5g h z ，所以本文中的信号模型均为窄带模型。 将式( 2 3 ) 代入( 2 2 ) 则有 s i ( t - r ) 墨( t ) e 1 7 i = 1 ，2 ，n ( 2 4 ) 则可以将第，个阵元接收信号表示为 葺( f ) = g 。( ，一) + 啊( f ) ，= l ，2 ，m ( 2 - 5 ) 其中，岛表示第，个阵元对第i 个信号的增益，表示相对子参考阵列天线第i 个信号 到达第，个阵元的时延，啊( ，) 表示在时刻，第，个阵元的噪声。 将f 时刻m 个阵元的接收的信号写成列矢量的形式，可得 恐( ，) ( ，) 9 2l e 一1 嘞 g u l e 一响锄 s 。( t ) s 2t ) s m ( t ) + ( f ) 慢( ，) ( t ) ( 2 6 ) 在理想条件下，忽略互耦等因素的影响，假设天线阵中各阵元具有各向同性和通道 一致性，则式( 2 6 ) 可以简化为 e j 嘞锄1e - j 唧2 s ，( ，) s ：( ，) ( f ) + r 6 ( r ) 伤( ，) ( f ) ( 2 7 ) 把式( 2 7 ) 写成矢量的形式如下 x ( t ) = 加( ，) + ( ，) ( 2 - 8 ) 其中，x ( t ) 为天线阵的m l 维快拍数据矢量，s ( ，) 为信号源的n x l 维数据矢量，( ，) 为天线阵的m l 维噪声数据矢量，a 为天线阵的m x n 维导向矢量阵，且 9 v 、 1 ：- 哦 址 锄 ： 一 一 口 p 吒 鳓 鳓： 一 一 p p 。if | 、j、j f r ，-、，l、 五而 哈尔滨t 稃人学硕十学位论文 a = ia i ( ) 口2 ( c o o ) ( c o o ) i ( 2 9 ) 其中q ( ) = lp _ j 啪，p 。嘞e 一峨铂1 1 ，f - - 1 ，2 ，n ，c o o = 2 7 r f = 2 e r e 2 ，c 为光速， 兄为波长。从前面分析的内容可以得出，当得到阵元问延迟时间f 的表达式，就可以求 出空间导向矢量2 。 通常在实际应用中，天线阵阵元都是按照一定规则进行排列的，例如等间距均匀线 阵、均匀圆阵、等距平面阵等。由于等距均匀线阵具有范德蒙德矩阵的形式，便于数学 上的处理，所以，本文的算法主要针对等距均匀线阵进行讨论。均匀线性阵列的几何结 构如图2 4 所示，m 个阵元排列成一条直线，阵元间距为d 。 由于当信号源到阵列距离较近时，也就是阵列处在信号源的近场区域中，阵列接收 到的信号波则是一个球面波，对于相同的信源来说，到达不同阵元的角度是不相同的， 因此在近场区域内对参数的估计就很复杂。本文只考虑远场平面波信号的情况，即阵列 孔径远远小于信号源与阵列之间的距离，从而信号入射波到达阵列前可近似看作平面， 即通常说的平面波。此时可以将信号到阵列中各阵元的入射角认为相等。 假设一平面波从目方向入射到等距线阵 j 祓争争 图2 4 直线阵 以坐标中心处阵元为参考，记作天线0 ，信号到达天线1 处与到达天线0 处的路程差为 缸：d s i n 口，1 9 i g - f ：竺：堂，信号到达天线，l 处与到达天线0 处的路程差为 缸：( 聊一1 ) d s i n p ，延迟乃= 等= ( m - _ 1 ) _ d s i n o 。则在阵元，l 接收到的信号为 1 0 第2 章智能天线概述 ( ，) ：s ( ，) 。学川甲 阵列接收到的信号可以表示为 x ( f ) = 五( f ) 而( f ) ( ，) t ri 玛枷 = 1 1e 。2 l - = 口( p ) s ( f ) ( 2 1 0 ) p j 等( m - i ) d s i n 0 卜) 协 其中 口( 秒) ：- lp 一- 等c ，s i n 一e j 等( 肼一1 ) d s i n 口 1 ( 2 1 2 ) il 为了便于分析，将阵列的权值用矢量形式表示为 ，= m 】h ( 2 - 1 3 ) 其中，h 表示h e r m i t i a n 转置。经过加权后阵列的输出信号为 y ( r ) = ( f ) x ( ，) = w h 口( 汐) s ( ，) = 厂( 秒) s ( ，) ( 2 一1 4 ) m = l 其中厂( 秒) = w h 口( p ) ，代表了阵列在平面内上的方向响应，也称方向系数或方向图。通 过调节阵元的权值w ，可以使阵列方向响应的主波束的最大增益方向对准期望信号方 向。通常阵列的性能输出受到许多因子的影响，阵列的孔径决定阵列所能接收到的最大 增益，阵元的数目决定阵列的自由度。 若空间有j v 个信源， m ，其来波方向分别为伊( f = l ，) 则方向矩阵为 a = 【口( 岛) ，a ( o n ) j lll p 一舡n 岛 ，e j 争螂p j 争如既 j 年m 1 ) d s i l i qj 争m o d s i n 呸 一j 萼- - ( m i ) d s i n 氏 eee ( 2 一1 5 ) 信源矢量形式表示为 s ( f ) = 墨( f ) s 2 ( ，) 蚧( f ) 1 ( 2 - 1 6 ) 通常阵列信号处理需要获取多次快拍的观测数据，则经过加权后的第k 次快拍的采样值 为 y ( k ) = w h a s ( k ) + n ( k ) ( 2 一1 7 ) 式中露似) 代表高斯白噪声，且与信号不相关。 哈尔滨- 1 i 程大学硕十学位论文 2 4自适应波束形成准则 对方向图而言，人们总是希望主瓣波峰对准期望信号，零陷对准干扰，这样信号能 尽可能有最大的增益，而干扰信号和噪声则被抑制。由于干扰的方向和期望信号不是已 知的，所以要求天线阵的方向图满足上述要求，因此就需要按照一定的准则来确定一个 最优的权值向量。下面介绍几种常用的准则u 3 1 。 2 4 1 最小均方误差准则 最小均方误差( m i n i m u mm e a ns q u a r e de r r o r ，m m s e ) 准则是应用比较广泛的一 种准则，它的核心思想就是使输出与参考信号之间的差的平方的均值最小。假设参考信 号为d ( k ) ，阵列输出为y ( k ) = w h x ( k ) ，最小均方误差准则的目标就是要使得误差 e ( k ) = e l ( k ) 一y ( 尼) 均方值最小化，所以目标代价函数为 ，( w ) = e l d ( 后) 一h x ( 七) 1 2 ( 2 1 8 ) 展开上式得到 j ( w ) = e | d ( 后) 1 2 ) - e l d ( 尼) x h ( 七) 1 ) w ( 2 1 9 ) 一w h e i x ( 后) d ( 七) i ) + h e l x ( 后) d ( 尼) 1 ) 砂 为了求得最优的权值，对，求偏导，有 百o j ( w ) = 2 e 肛( k ) w h ( 七) 眇一2 e 舨尼) 矿( 七) 1 ) = 2 戤，一2 ( 2 2 0 ) 其中，设如是接收信号的自相关矩阵，钰是接收信号和期望信号的互相关矩阵。 令型：0 ，能够得到 o w 戤，= r x a( 2 2 1 ) 若月。满秩，则有 w = 列饧 ( 2 - 2 2 ) 式( 2 2 2 ) 在最小均方误差准则下的求得的最佳阵列权向量。其优点是不需要知道来波 方向的先验知识，缺点就是必须产生参考信号。 2 4 2 最大信噪比准则 最大信噪比( m a x i m u ms i g n a lt on o i s er a t i o ，m s n r ) 准则是指经过加权后阵列输 出信号的功率与噪声的功率比值最大。假定阵列接收信号的向量可以表示为 x ( k ) = s ( | i ) + 刀( 尼) ( 2 - 2 3 ) 相应的阵列输出信号表示为 1 2 第2 章智能天线概述 y ( j | ) = w h x ( k ) 2 w h j ( j i ) + 桫h 聆( 七)j 其中将有用信号记作儿( 尼) = ，h s ( 七) ，干扰和噪声记作( 尼) = w h n ( k ) 。 册= 描= 一= 等 ( 2 2 4 ) ( 2 2 5 ) 由于咒。为正定的埃尔米特矩阵，所以存在如下分解式 如2 l 礁i 蛾 ( 2 - 2 6 ) e 刮2 障 h 赢w 甜z 协2 7 ) 式中z = 礁桫，则s n r 表达式改写为 黜：一：筚：西z h r z 协2 8 ， 其中r 爿骈民群。上式是典型的瑞利商表达式，可以证明r 的最大的特征值九。满足 氏= k ( 2 3 0 ) 因此最优权值为如1 戢的最大特征值对应的特征矢量。信号矢量表示为s ( 七) = 淞( 七) 其 中s ( 尼) 是有用信号，a 是导向矢量，信号自相关矩阵表示为 凡( j i ) 钮 s ( j i ) s h ( 后) = e 敝尼懈甜= p ，a a h ( 2 - 3 1 ) 式中见相当于是入射信号功率。将式( 2 - 3 1 ) 代入式( 2 3 0 ) 有 p , o t a h w o p t = k 如 ( 2 3 2 ) 因为口h w o p t 为纯量，所以可以得到 ：p , a w o p t 伍h ( 2 3 4 ) 哈尔滨t 程人学硕七