（通信与信息系统专业论文）tdscdma无线通信系统智能天线的研究与仿真.pdf

ab s t r a c t ab s t r a c t s m a rt a n t e n n a s t e c h n o l o g y i s o n e o f t h e k e y t e c h n o l o g i e s i n t d - s c d m a f o r t h e 3 g s t a n d a r d o f c h i n a . t h i s p a p e r i n t r o d u c e s t h e t e c h n o l o g y o f s m a r t a n t e n n a s r o u n d l y a n d mi n u t e l y . i t d i s c u s s e s t h e p ri n c i p l e o f t h e s m a rt a n t e n n a s , i n c l u d e t h e d i r e c t i o n - o f - a r r i v a l e s t i m a t i o n m e t h o d s , b e a m - f o r m i n g a n d n u l l s t e e ri n g . t h u s , c o m b i n e d w i t h o t h e r c o r r e l a t e d k e y t e c h n o l o g i e s o f t d - s c d m a , w h i c h h a s b e e n m e n t i o n e 氏 i t m o r e a n a l y z e s t h e a d v a n t a g e s o f t h e a r r a y o f a n t e n n a s i n t h e t d - s c d m a w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n s y s t e m , c o m p a r e d t o a s i n g l e a n t e n n a i n a s y s t e m , re fl e c t i n g t h e i m p r o v e m e n t t o t h e p e r f o r m a n c e o f t h e ri s i n g a n t e n n a s y s t e m . f o l l o w i n g t h e p r a c t i c a l n e e d f o r t h e a p p l i c a t i o n s i n w ir e l e s s c o m m u n i c a t i o n s , t h e a u t h o r c o n c e n t r a t e s h i s m o r e v i g o r a n d t h e m o s t l e n g t h o f t h e p a p e r , t o a n a l y z e a n d t o d i s c u s s t h e u n i f o r m c i r c u l a r a r r a y . t h i s p a p e r c o m p a r e s t h e d i ff e r e n c e i n t h e p e r f o r m a n c e s o f t h e s e v e r a l k i n d s o f d i ff e r e n t n u m b e r s a b o u t t h e a r r a y u n i t s a r e u s u a l . t r e a t i n g t h e s e d i ff e r e n t b e a m - f o r m i n g s c h e m e s , t h i s p a p e r d i s c u s s e s t h e f o l l o w i n g c o n t e n t s r e s p e c t i v e l y : d i r e c t i o n - o f - a r r i v a l e s t i m a t i o n m e t h o d u s e d t o a d j u s t t h e w e i g h t i n g v e c t o r o f a n t e n n a a r r a y a n d t h e e s t i ma t i o n me t h o d s b e t t e r m e n t ; t h e n o t i o n o f t h e o p t i m u m w e i g h t v e c t o r , t h e f o r m i n g m e t h o d o f o p t i m u m w e i g h t s ; t h e a n t e n n a p a t t e rn a n d f u n c t i o n o f a n t e n n a p a t t e rn ; a d a p t i v e a l g o ri t h m s t o a d j u s t t h e r e q u i r e d a n t e n n a w e i g h t i n g s , i n c l u d i n g t h e i r c h a r a c t e ri s t i c , a n d t h e c h o i c e fr o m a p p l i c a t i o n n e e d s . v i a t h e i n q u i ry i n t o t h e m e c h a n i s m o f s e l f - a d a p t i n g b e a m - f o rmi n g , i t i s t h e k e y s t o n e o f t h i s p a p e r , t h a t t h e s e f o l l o w i n g q u e s t i o n s a r e d i s c u s s e d , w h i c h a r e h o w t o re a l i z e t h e m o s t f a m i l i a r b r o a d c a s t i n g m o d e o n t h e u n i f o r m c i r c u l a r a r r a y w i t h 8 u n i t s , w h i c h i s a c c e p t e d w i d e l y ; c o m p a r e d w i t h t h e s i n g l e a n t e n n a , h o w t o e s t i m a t e t h e d i s t ri b u t in g c o n d i t i o n o f t h e i n f o r m a t i o n s o u r c e a n d j a m m i n g , t h u s t o p e r f o r m b e a m - f o r m i n g a n d n u l l s t e e ri n g a u t o m a t i c a l l y t h r o u g h t h e d s p , a c c o r d i n g a s t h e f e a t u r e o f w i r e l e s s c h a n n e l , w i t h t h e m a t h e ma t i c a l me t h o d . t h e i n n o v a t i o n o f th i s p a p e r l i e s i n a b o v e - m e n t i o n e d re s e a r c h e s a n d d i s c u s s . c o m b i n e d w i t h t h e p r a c t i c a l a p p l i c a t i o n t o t h e t d - s c d ma w i r e l e s s c h a n n e l a c c e s s , abs t r a ct t h e p 叩e r b r i n g s f o r w a r d t h e i m p ro v e d o p t i m u m w e i g h t s , a n d d i s c u s s e s t h e a p p l i c a b l e c o n d i t i o n o f t h e i m p r o v e m e n t . a t t h e s a m e t i m e , t h e a b o v e - m e n t i o n e d r e s e a r c h a n d i m p r o v e m e n t h a s b e e n d e m o n s t r a t e d , t h r o u g h e m u l a t i o n i n fr e q u e n c y d o m a i n a n d s p a t i a l d o m a i n w i t h t h e c o m p u t e r a p p l i c a t i o n s o ft w a r e n a m e d m a t l a b , a n d r e l a t i o n a l c o n c l u s i o n s h a v e b e e n a r r i v e d成 v i a o b t a i n e d g r a p h s a s s o r te d w i t h a b u n d a n t a n a l y s i s . k e y wo r d s : t d - s c d ma , s m a r t a n t e n n a s , mu s i c a r i t h m e t i c , ma x i mu m li k e l i h o o d ru l e 图表目录 图表 目录 图1 . 2 . 1 图1 . 2 . 2 图1 . 2 . 3 图 1 . 2 . 4 图1 . 2 . 5 图 1 . 2 . 6 图2 . 2 . 1 图 3 . 1 . 1 图4 . 1 图4 . 1 . 1 图4 . 1 . 2 图4 . 1 . 3 图4 . 1 . 4 图4 . 3 . 1 图4 . 4 . 1 图 4 . 5 . 1 图5 . 4 . 1 图 6 . 2 . 1 图6 . 5 . 1 图6 . 5 . 1 ) 图6 . 5 . 2 图6 . 5 . 3 时分双工操作 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 时 分 双 工 与 频 分 双 工 的 频 谱 效率 ” ” ” “ “ ，. . “ “ 一 4 结合了t d m a / t d d与 c d m a的工作模式 “ ” ” “ “ :. 5 联 合 检 测 消 除 多 址 干 扰( m a d . . . . . . . . . . . . . . . . . . 一 7 传 统的 动 态 信 道 分 配 方 法 ， ， “ ” “ “ ” ” “ ” 8 终端同步 ” ” “ “ “ “ “ “ “ “ ， “ ， ” 一 9 不同的波束 对各 种状 态移动用户的 覆盖 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 6 t d - s c d ma 智能天线及其8单元环形天线阵列图 ， ” 一 2 2 智 能 天 线自 适 应 原 理 结 构 图 “ “ “ ” ， “ ” “ ” “ 一 2 9 均 匀 线 性 阵 列 几 何 结 构 图 “ ” “ “ “ “ “ “ “ “ 一 3 1 均 匀 环 形 阵 列 几 何 结 构 图 ” ” ” ” “ ” “ ， “ 一 3 2 极坐标中环形阵 列天线几何结构图 “ ” ” “ “ ， 3 3 常 见 不 同 阵 元 数 量 的 均 匀 环 形阵 列 h 平 面 方 向 图( op = 0 ) . . . . . . . . . . . . . . . ” 二 ” 3 5 智能天线在t d - s c d ma 中的具体实 现模块图 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1 仿 真 程序 模 块 结 构图 “ “ ，. “ ” ” “ “ “ “ : 4 6 8 阵元均匀环形 阵列天线仿真h平面结构图 ” “ ” “ ” 一4 7 信 源与干 扰源位于 示例位置的波达方向 谱 ” “ ” ” ，- “ ” ” ” 5 6 主 瓣 方向 内 满 足 信 源p z 通 信信 噪比 增 益 要 求 的 取 值 范 围 .“ “ 7 0 信源与 千扰源位 于 “ 临位”示例位置的波束 成形方向图 ( 比较) ” ” 7 6 信源与千 扰源位 于 “ 对位”示例位置的波束成 形方向图 ( 比较) :.“ 二 ” ” ， 7 7 8 阵元均匀环形 天线广播模式仿真归一化功率 方向图 ” ” ” 一 7 8 8 阵元均匀环形天线广播模式实际归一化功率方向图” ” ” “ “ “7 9 表5 . 1 表6 . 1 表 6 . 2 仿真试验信源及千 扰源设定坐标 ” ” “ “ “ 二 “ ， 一 5 5 不 同 气 ， 取 值 时 各 中 值 方 案 得 到 的 权 重 值 二 “ . ” ” . “ 二 6 6 仿 真 试 验 约 束 条 件 取 值 ” ” “ “ ” ” “ “ ” ， ” . 7 4 vi i 符号说明 符号说明 信源与基站天线之间在x - y坐标 系h平面内的距离 天线阵列对信源距离的估计值 在最大似然准则中使得似然函数最 大的 信号，称为s 的 最大似然估计 空间中的期望信号 空间中的干扰信号或者非欲接收信 源发出的信号，信号处理中被视为 干扰 阵 列第i 个阵元采样得到的 期望信 号 第p个信源的 信号 阵 列第i 个阵元采样得到的信号 阵 列 任意 阵 元 采 样得 到 第p 个 信 源的信号 第 p 个 信源 发 出的 符号 阵列第i 个阵元的权重 天线阵列的输出 第i 个天线阵 元所对应的坐标位置 不同终端接收天线相互间下行链 路信号强度离差 第p 个 信源 的 信 号到 达 第1 个 天 线 阵元和第一个阵元的距离差 天线阵列给定方向的功率强度归 一化函数 干扰源的数量 信源发出的符号数量 数字信号处理采样 ( 或快拍)次数 信源发出的符号被 p n 码序列扩频 成码片的数量 天线阵列接收信号向量的相关矩阵 理 想 信 号部 分r ss 对 应的 相 似矩 阵 a r , a 的 行 列 数 天线阵列的阵元数量 肉了肠5 天线阵列信源方向约束条件取值 最大似然准则权向量系数 第i 个阵元波束成形增益极坐标角 度自变量 天线阵列的方位角自变量 空间中期望信号的波达方向方位角 干扰信号的波 达方向方位角 第p 个 信 源 的 方 位 角 天线的效率参数 天线阵 列接收信 号的 俯仰角 信号角频率 信号波长 天线阵列接收信号向量的相关矩阵 第i 个非负特征值 噪声信号满足统计规律的方差 天线阵列接收信 号向 量的相关矩阵 理 想信 号部 分r 。 对 应的 相似矩 阵 a ra 的 第 i 个 特 征 值 第i 个阵元用 与x 轴的夹角 第i 个阵元与参考原点的信号分量 间相位差 第i 只天线阵元 对来自 第p个信源 的信号复 反映 光速 阵列相邻阵元间距 干扰源的序数 不同信源到基站天线之间距离的比 例系数 天线阵列阵元的序数 信源发出的符号的序数 数字信号处理的快拍采样序数 信源发射信号的波数比 阵列收到信号所来自信源的序数 阵列第i 个阵元采样得到噪声信号 口刃尸滋哟 凡s 51今sstssr 尹乳色礼冲口口几 鸡 今琳y人d马f 可呜 a o r gjklm cdgh忿.jk气pni vl l l 符号说明 人人氏几a气气q 信源数量 天线阵列接收到的信源期望信号 功率 天线阵列任意 阵元上接收到第p 个信源的期望信号功率 多 ( k) 个快 拍的波束成形器输出 的平均功率 单个信源总的 辐射功率 任意阵元上输入的信号功率 mu s i c算法改进中 估计的信源与 干扰源数量 m u s i c空间谱的峰值 计算m u s ic空间谱时估计的 峰值 均匀环形阵列半径 信源的波达方向向量 波束向量 传播波数 天线阵列的信源波达方向向量 天线阵列的信源波达方向单位向量 天线阵列第i 个阵元波达方 向向量 均匀圆阵列的信源波达方向向量 均匀线性阵列的信源波达方向向量 天线阵列采样得到噪声向量 天线阵列第i 个阵元处的位置向量 天线阵列接收信号向量 的相关矩 阵的第i 个归一化正交特征向量 三维空间坐标原点处的单位向t 天线阵列接收 到的全部理想信号的 信号向量 天线阵列接收到的全部理想信号 的单位信号向量 天线阵列权向量 天线阵列波束成形最优权 向量 天线阵列波束成形最大似然准则求 得最优权向量 天线阵列采样 得到的信号向量 天线阵列采样得到的理想信号向量 天线阵 列接收 信号向 量的相关矩阵 非负特征值构成的对角矩阵 天线阵 列接收信号向 量的 相关矩阵 噪声子空间非负特征值构成的对 角矩阵 天线阵列接收信号向 量的 相关矩阵 信号子空间非负特征值构成的对 角矩阵 噪声子空间上的投影算子 信号子空间上的投影算子 天线阵列多信源波达方向矩阵 天 线 阵列 对第p 个 信 源的 波 达 方 向矩阵 天线阵列除接收到期望信号的第i 个阵元外，其余阵元波达方向矩阵 天线阵列接收信号向量相关矩阵 的归一化正交特征向量构成的矩 阵 天 线 阵 列 接 收 信 号 向 量 : ( 幻的 相 关矩阵噪声子空间 天 线 阵 列 接 收 信 号 向 量 : ( 幻的 相 关矩阵理想信号子空间 天 线 阵 列 接 收 输 入 数 据 向 量 u (i ) 的相关矩阵或协方差矩阵 天 线 阵 列 接 收 信 号 向 量 : ( 勺的 相 关矩阵或协方差矩阵 天线阵列接收信号向量相关矩阵 的归一化正交特征向量张成的信 号子空间 天线阵列接收信号向量相关矩阵 的归一化正交特征向量张成的 噪 声子空间 天线阵列接收信号向量的相关矩 阵归一化正交噪声特征向量所构 成的矩阵 天线阵列对第p个信源的 上行波 束成形矢量 ( 或矩阵) 天 线阵 列对 第p 个 信 源 的 上 行 波 束成形矢量 ( 或矩阵) p p只只 眼狱 弓ps君.名尺.尺ro鱿.播价 凡凡凡凡u.叭又 fj. aaa叭马rssr 咒嘿 w w喇 w桃 x气a 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了 解南开大学关于收集、保存、使用学 位论文的规定， 同意如下各项内容:按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本;学校有权保存学位论文的印刷本和电子版， 并采用影印、缩印、 扫描、 数字化或其它手段保存论文; 学校有权提供目 录检索以 及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务: 学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印 件和电子版; 在不以 赢利为目 的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内 容用于 学术活动。 学 位 论 文 作 者 签 名 : 谢 州 2 - m 了 年15 - 月引日 经指导教师同意， 本学位论文属于保密， 在年解密后适用 本授权书 。 指导教师签名:学位论文作者签名: 解密时间:年月日 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下: 内 部5 年 ( 最长5 年， 可少子5 年) 秘密1 0 年 ( 最长1 0 年， 可少于 1 0 年) 机密*2 0 年 ( 最长2 0 年，可少于2 0 年) 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明:所呈交的学位论文，是本人在导师指导下， 进行 研究工作所取得的成果。 除文中已经注明引用的内容外， 本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、 己公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体， 均已在文中以明确方式标明。 本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学 位 论 文 作 者 签 名 : 命 七 叶 ”) 年” 月3 1 日 第一章 引言 第一章 引言 智能天线技术是 t d- s c d ma 标准所依赖的关键技术之一。在当代移动通 信系统中，智能天线实质上是一 种波束控制天线阵列，通过一组带有可编 程电 子 相位关系的固定天线单元控制方向， 跟踪经过小区单元的移动终端的 使 用， 控制基站和终端之间各链路的方向，分配功率指向小区单元内有移动终端的区 域。如果没有智能天线，功率将会 均匀分 配到整个小区单元。 智能天线减小了 多用户干扰，增加了 系统容量，提高了 接收 灵敏度，降低了 发射功率同 时提高 了小区单元覆盖范围。本文中终端与用户的含义基本相同，均指在移动通信系 统中，相 对独 立并 接受网 络服务的 个人移动 通信设备。 众所周知，智能天线不仅在民用通信中有广泛的应用前景，而且对于军事 国 防与国 家安 全也具有重要的 现实意义。从某种意义上说， 从问世到现在己 经 有接近三十年历史，拥有数以千 计天线阵元，具有优异性能的平板状相控阵 雷 达天线就是一种智能天线。此外，智能天线在军事保密通信与电子对抗中也具 有很大的 应用价值。 因此研究好智能 天线的意义与 重要性不言而喻。 第一节 3 g 标准 t d - s c d ma与智能天线的发展历史与现 状 为了满足 现在及未来十数年时间 信息 社会的 无线通信需求呈现爆炸 性增长 的趋势，第三代无线移动通信标准应运而生。第三代移动通信系统最初称为未 来公众移动通信系统 ( f p l m t s )， 后改为 i m t 2 0 0 0 ，其含义为 i n t e rn a t i o n a l m o b i l e t e le c o m m u n i c a t i o n 2 0 0 0 。 它是指在公 元 2 0 0 0年左右开始使用， 工 作在 2 0 0 0 m h z左右频段上， 支持的 业务 速率可以 达到 2 0 0 0 k b p s以 上的国际 移 动通 信系统。 1 9 9 9 年1 1 月召开的国际电 联芬兰会议确定的第三代移动通信无线接口 标准 是移动 通信领 域的 一个重要里程碑. 会议确定了5 个 i m t 2 0 0 0技术提案的 规 范， 包括 i m t - d s ( d i r e c t s p r e a d ) 、 i m t - m c ( m u l t i c a r r i e r ) 、 i m t - t d d ( t i m e d i v i s i o n d u p l e x i n g )、 i m t - s c ( s i n g l e c a rv e r ) 及i m t - f t ( f r e q u e n c y t i m e ). 最 后确立的 三个 3 g技术标准: i m t - d s 规范 下的 u i r a/ f d d ( w- c d m a ); i mt - mc规范下的 c dm a 2 0 0 0和 i mt - t d d 规范下的 t d - s c d ma。前两种 第一章 引言 提案采用了 c d m a技术架构， 后一种提 案采用的是 t d m a技术架构， 使现有 的 第二代 t d m a 网 络提供部分的 第三代 业务， 具有很好的兼 容性。 t d - s c d m a ( 时分同 步码分多址) 是中国 在百年的 通信史首次提出并被 广泛认可的 国际标 准。 目前 t d - s c d ma 标准的移动通信系统 己经进入组网商业试验运行的阶 段。它把采 用智能 天线等新 技术作为 解决如何更加有效 地使用有限 频谱资源这 一鱼待解决难题的手段。 从二 十世纪九十年代初开始， 人们就试图考虑将智能 天线技术引进到无线 通信中来。智能天线的概念来源于军事上雷达和声纳系统中所采用的阵列天线。 最初研究对 象是在上世纪八十年代初正式 应用的相控阵雷达天线，以提高 雷达 的性能和电 子对抗的能力。近年来，随着微计算机和数字信号处理技术的发展， 为无线 通信 领域顺利引进智能天 线技术创 造了条 件。 智能 天线的研究也己 经从算法理论的 讨论过渡到了 工程实践的多种 技术相 互融合与性能优化，从简单的多波束成形，固定波束成形过渡到自 适应波束成 形的阶段。 第二节 3 g 标准 t d - s c d m a 中的关键技术 3 g移 动通信系统的 主要挑战之一 是同时要向 诸如 ( 视频) 电 话， 具 有上/ 下行均衡数 据流量，采用电 路交换的通信 服务， 及向诸如移动 用户互联网 接入， 具有上/ 下 行非均衡数据流量， 采用包交换的 通信服务提 供支持。 为了 面对这 一挑战， t d - s c d m a 结 合了 两项前沿 技术: 具有运行在同 步模式 下， 带 有自 适 应 c d m a成分的 先进 t d m a / t d d系统。为了以后章节讨论的方便， 有必 要提前简 要介绍 t d - s c d m a标 准中 体现 其先进性的 各项关键技 术。 时 分双 工 ( t i m e d i v i s i o n d u p l e x , t d d ) 允许上/ 下行 链路使用同 一频段， 而不需要一对频段。在 时分双工时，上行和下行使用同样频率的信道，但在不 同 的时间 进行传输。 这样就能 通过双工切换位置的改变， 将上行的容量 搬移到 下行方向，或者反之成为可能，由此频谱利用效率最优，并可提供均衡与非均 衡的数据流量服务。 时 分多 址 ( t i m e d i v i s i o n m u lt i p l e a c c e s s , t d m a) 是一 种数字技术， 分割 每个频率信道为按时间顺序排列的具有许多时隙的帧结构，并且由此允许传输 第一章 引言 信道同 时向多 个用户提供服务。 码分多 址 c o d e d i v i s i o n m u lt i p l e a c c e s s , c d m a ) 通过使在同 一无线信道 内的多 个用户同时接入， 提高了 每个小区单元内的 数据流量 密度。 然而每个用 户构 成 了 对 其它 用 户的 干 扰， 这 导 致 了 多 址 干扰 ( m u ltip le a c c e s s in te r fe re n c e , ma i )。 联 合检测 ( j o i n t d e t e c t i o n , j d ) 允 许作为 信宿的天线 系统估计无 线信道， 并 同时处 理所有信号。 通过 对每个独立数 据流的并行处 理， 联合检测消 除 ma i , 并将小区 间干 扰最小化，由 此增加了 传输容量。 动 态信道分配 ( d y n a m i c c h a n n e l a l l o c a t i o n ) 使得 t d - s c d m a无线 接口 充 分利用所 有可以利用的多址技术，并 优化这些多址接入技术产生的自由 度，从 而具有根据干扰的情况自适应分配无线资源的能力，实现小区单元内干扰最小 化。 相互 终端同 步 ( m u t u a l t e r m i n a l s y n c h r o n i z a t i o n ) 通 过精确调整每 个终端的 传输时间， t d - s c d ma 改善了对终端的跟踪能力，减少了定位计算时间和切换 准备时 间。 由于同步， t d - s c d m a不 需要使用软切换技 术， 有助于实 现更大范 围的小 区单 元覆盖，减少小区单 元之间 干 扰， 并且降 低了 基 础结构和 运营费 用。 智 能天 线 ( s m a r t a n t e n n a s )阵 列天线控制波束， 跟踪通 过小区单元的 移动 用户，分配功率指向小区单元内有移动用户的区域。如果没有智能天线，功率 将会均匀分配到整个小区单元。智能天线减小 了多址干扰，增加系统容量，提 高接收灵敏度，降低发射功率同时提高小区覆盖范围. 1 . 2 . 1 t d - s c d m a无线信道接口 技术 t d m a 结 合 t d d技术， 通过调 整上/ 下行方向的 数据流量的 无线网络资 源， 显著 改善无线通信系 统的 灵活性。 t d - s c d ma标 准规定 t d m a使 用 5 m s 时长，并被分割成七个时隙的帧，能够灵活指定给数个终端或者一个需要好几 个时隙的 终端。t d d 原 理允许 上 / 下 行数据流量分别使用同一 帧内的 不同时 隙。 对于提供电话和包含多媒体应用视频通话的服务，上 /下行方向传输了大 致相同 流量的数据，这样各个时隙被均衡地分配给了两 个方向。 对于通过英特 网接入， 使用了 非对称通信服务， 从基站到终端需要很高的数 据传输流量， 需 要下行 方向比上行方向 分配更多的时隙 ( 图 1 . 2 . 1 )。 第二章 智能天线原理 第二章 智能天线原理 从某种意 义上， 智能天线是一种通过调 整每个天线单元的增益与相位 ，以 实 现整 个阵 列 性能 最优的系统。智能天线的 主要优点在于 在传统的时域、 频域 和 码域处 理的 基础上，引入了新的处理维度 空 ( 间) 域处理，因此作 为空 域处理的主要手段阵列信号处理技术显得尤为重要。 天线阵列 波束成形的原理是使一组天线 和对应的收发 信机， 按照一定 方式 排 列和激励， 利用波的干涉原理产生强方向 性的 波束方向图， 使 用 d s p方 法使 主 瓣自 动指向 并跟踪移动终端。一般地，阵 列信号处理的 主要内 容包括 波 束成 形 技术、 零点 控制技术以及波束到达方向 估 计技术等方面， 它们都是对 基 于信 号 空间 采样的 数 据进行处理， 因而彼此之间 是相互关联和相互 渗透的。 波束 成形技术的主要目 的是要使阵列天线方向图的主瓣指向 所需要的方 向。零点技术的主要 目的是使天线的零点对准干扰方向。波达方向估计技术也 被称作空间谱估计技术，其主要研究在处理带宽内空间信号波达方向的问题。 第一节 波达方向 估计原理 智能天 线实际上是利用共享同 一 ( 时域、 频域或码域) 信道的 不同 用 户之 间的 空间 特 性差异来实现信道倍增， 使用同 一频带、同一时隙 或同 一码地 址的 用户只要信号 的空间 特征不同就可以 通过空 域滤波实现用户信号的 分离。 因此 各个用户的 波 达方向 ( d i r e c t i o n s o f a r r i v a l , d o a )作为反映用户空间 特征 的 重 要参量在智能 天线技术中 扮演着重要的 角色。 为了正确实 现阵 列天线的自 适应 波束成形和空间滤波，必须获得各个用户的入射角度 ( 也就是用户的空间特性) 信息，因此 对用 户入 射角进行估计的能力成 为阵列天线应用的 一个关键问 题。 首先需要考虑阵列响应矢量和参考信号。 参考信号涉及到复杂的信道传输条件， 我们将在 后面 予以 讨论。 2 . 1 . 1 控制矢量的作用 控制矢量是阵列响应矢量的别名，它也被称为空间矢量。控制矢量包含了 天线阵列 所有单 元对系统功率窄 带信源的 响应。对于不同方向 的信号，阵 列的 响应是不同的.每个方向的信源都由一个控制矢量对应。这种对应的唯一性取 第二章 智能天线原理 决于 控制矢量方向 图。 天线阵 列相应阵元的空间位置不同，引 起信源发射的 平面波到达各阵元相 位不同，该矢量的每个部分产生了相位延迟。同样地在移动通信多径传播的情 况下，该矢量也指示了天线阵列对来自信源的所有信号的响应. 基站能够通过阵列天线系统估计移动终端对应的阵列响应矢量形成波束， 而无需事先知道移动终端方向 。系统 利用不同的 帧或者时隙分别 用于发 射和接 收。在接收状态下，阵列天线用接收来自 与基站编码匹配的移动用户的 信号来 估计阵列响 应矢量;由此在发射状态下，同 样要处理来自 移动终 端以独 特品质 发送的反 馈。在 c d ma系统中还可以 通过用户码地址信息，或 者当参 考信号 可用时估计阵列响应矢量。 天线阵列具有相 同的阵元，控制矢量的每个部分对应了阵列各阵元的量。 其中第i 个部分的相位等于信号在第i 个阵 元上的响应与由 信源对应的控 制矢量 产生的参考阵元之间的相位差值。 2 . 1 . 2 同 道信 号的盲估计 基站采 用多天线单元传感器，可以 利用来自 不同方向， 沿着不同 路 径移动 的不同终端 信号，到达各个天线单元的 时间不同 这一事实， 允许独立测 量来自 不同移动终 端的迭加信号。由 此，配 合着调制技术特性， 允许分离来自 不同移 动终端的信号。此外，利用测量位于 基站天线阵列的各单元 上的信号， 可以同 时分离出 所 有欲得到的信号，这个过 程涉及到同道信号的盲估 计， 它不 需要关 于移动终端的其它参数或方向 信息， 例如 参考信号或训练序列， 但利用了来自 不同阵 元接收信号中可能存在的继承了 信源信息的时间结构， 例如， 调 制技术 的使用。 通信中 遇到的绝大多数人工信号利用了 这些信号时间参数 部分上的 变化， 这些信号 可以 被调制成固定周期 ( c y c l o s t a t i o n a ry) 信号。 具有单周期或 多周期 的时间参 数变化的随机信号被称作固 定周期 信号。例如一个具 有两阶固 定周期 的 信号， 其自 相关函数在时域上周期变化。 通信信号的固定周期 特性己 经被用 于盲信号提取. 2 . 1 . 3 多径传输信道中的参考信号 相关文 献己 指出，通过来自 欲接收终端的参考信号， 智能天线在合 成天线 第二章 智能天线原理 阵列输出 信号之前估计每个天线单元的 权重。利用专门 为该目 的 传输的信号以 评估天线阵列的初始权重。 在 t d m a系统中，一个单 独信号可以 被用做这个 目 的。相 似的: 在 c d m a系统中， 一个单独序列可以 相位积分的形式被传输 转化成原始信号;同步序列在相同的系统中传输，这些用户用于识别，验证当 前信息是来 自 欲接收终端的信号，均可用于作为参考信号。 一旦初始权重被确定，被接收的信号将作为参考，为后来的权重更新，以 及跟踪该移动终端提供帮助。 第二节 波束成形零点控制与合成 利用 来自 天线阵列不同 阵元上的感 应信号合成整个阵列天 线的单 一输出。 阵列响应角 度函数的绘制涉及到阵列方向图 或波束方向 图。当 涉及到 绘制功率 响应方向图的时候，又通常被称作功率图，反映了被看作统一整体的阵列天线 作为功率源，其输出在特殊方向上所辐射功率。把来 自 不同阵元的信号合成的 过程，称作波束合成。 一个 更窄的波束宽度需要 一个具有更大阵元密度的 天线阵 列产生，这方面 内 容在 本文 4 . 1 节中有所讨论.阵列的 尺寸被称为阵 列的孔径， 而阵 列的孔径 取决于两 个阵 列中最远单元的 之间的 距离。 对于均匀线 性阵 列，其孔径等于阵 列任意面上相邻单元之间的距离。 关于 多波束成形， 仅一 笔带过。 位于基站的多天线可以 用来形成最简单形 式的多 波束， 覆盖整个小区 单元。 此时每个波束起到了 分割小区单元的作 用， 而且可采用传统手段进行频率调度。移动终端一旦离开了当前波束覆盖的扇区， 将会被转到下一个波束中， 其过程如同移动终端跨越了 小区单元间的 边界而进 行的切换过程。 2 . 2 . 1 传统波束成形的实现 仅仅 调整不同阵元信号的 相位， 使波束 指向需要的方向是一 种传统的波束 成形方法。 每个信号的增益保持相同。 这决定了天线阵列 在波束指向 方向 上总 的增益， 该波束指向方向也被 称作视线方向 ( l o o k d i r e c t i o n ) 。 这种 情况下， 天线方向图的形状是固定的，即相对于主波束，旁瓣的位置和幅度是固定的。 也即，当 调整不同的相 位后主 波束指向 不同 的方向， 但相 对于主瓣， 旁瓣的位 置始终不变。然而，我们需要通过调整每个信号的增益和相位以改变天线方向 第二章 智能天线原理 图。改变的幅度取决与天线阵列的阵元数量。 对由 每个天线单元产生的信号的增益和相位的 运用可以考虑成一个单复 数，由此涉及天线单元 运用 信号的 权重。如果只有一个天线单元，没有权重量 可以改变天线图。然而，有两 个天线 单元， 改变其中一 个单元的 权重可以调整 天线方向 图使某处达到理想的增益值。即，能够实现图 样中的 任意一处达到最 大或最小值。相似地， 具有 三阵 元的 线性阵列天线， 可以 指定 两个极点， 等等。 由此， 一个具有l 个阵 元的线 性天线阵列，能够确定l - 1 个极点。其中可有一 个极大值指向 理想信号的 方向 和l - 2 最小 值 ( 零点) 指向 不想要干扰的 方向。 具有l 个阵元的天线阵列能够指定方向图中l - 1 个位置的灵活性，这被称作阵 列的自 由 度。 对于均匀线性阵列，类 似于一个具有l - 1 项可变系 数的l - 1 次多 项式，其中第一个系数具有系统的值。 2 . 2 . 2 自 适应波束成形与零点波束成形的实现 相对于传统波束成形的固定波束形状，利用具有无约束波束成形能力的阵 列天线，发现每个移动终端的位置和干扰源的方向，并形成 对不同 移动终端或 移动终端群的 波束覆盖。当 阵列天线接收到信源发射信号时， 通过调整阵列权 重以 增强来自 特定移动终端上行链路信号的接收，同时零点对准 来自 其它移动 终端的信号，以抑制这些被作为干扰的信号。 系统在发射周期可以 采用这些 权重的 共辘复数 ( 通过 h e n n i ti a n转置实现) 以 增强 这些终端下行方向的 接收信号。 这取决于通过接收周期权重调整减少相 邻信道干扰的结果，实际 上是阵列方向图零点指向相 邻信道其它 移动终 端方向: 此后在发 射周期利用这些权 重的共 扼复数产生相同的图 样， 这样就没有能量朝 向那些邻道千扰源终端发射了。 2 . 2 . 2 . 1 自 适应波束成形的实 现 不同波束可以被考虑为独立单元，可以 使用同样的频 率或地址码组，完成 对不同的移 动终端或移动终端 群的 服务 ( 图 2 . 2 . 1 ) ， 参见本 文第 6 .2节中的讨 论。这种结构不同于前面提到的多波束成形的情况，那是一组固定形状的波束 覆盖了 整个小区单元。 这里， 随着终端的 移动，不同 的波束 覆盖了 不同的移动 终端群， 起到了向 这些移动终端传输信号能量的作用。该方案 特别适用于终端 以群的方式或者沿着固定路线移动，诸如高速公路移动的场合。 第二章 智能天线原理 图 2 .2 . 1不同的波束对各种状态移动用户的覆盖 由欲接收信号沿不同路径到达，引起多径传播导致的延迟扩散，使得在不 同 传输距离上的延 迟不同。 利用具有特定方向波 束成形，并将零点指向 其它方 向能力的自