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p h s 系统中的数字波束成形技术及实现方法研究：摘要 p h s 系统中的数字波束成形技术及实现方法研究 专业：通信与信息系统 硕士生：李未科 导师：周渊平教授 摘要 p h s 系统由于其众多的优点在全国各地得到了广泛应用。p h s 手机具有功 耗低、重量轻、辐射小、通话时间长等优越性，其平均发射功率只有g s m 手机 的几十分之一，真正可以称得上绿色手机。而且由于p h s 通话费用是按照市话 收费，其价格比普通g s m 和c d m a 通信系统都要低廉的多。但是p h s 系统也 有其固有的缺点，因为基站发射功率低，所以覆盖范围小，掉话率高，语音质量 欠佳。对于一些用户量大的区域，需要安布大量基站，这给实际的布网带来了很 大的难度。 数字波束成形( d b f ，d i g i t a lb e a m f o r m i n g ) 技术利用阵列信号处理和现代高 速数字信号处理器，对空间信号进行自适应滤波，在期望信号方向上形成最大波 束，在干扰方向形成零陷，大大提高了输入信号的信干噪比，从而提高接收灵敏 度，降低掉话率，可以在同等发射功率下取得更远的通信距离。 本文首先对p h s 系统做了简单介绍，并对在p h s 系统中应用d b f 技术进行 了研究。其次阐述了自适应波束成形技术的原理，介绍了几种适合于p h s 系统 应用的自适应波束成形技术，如l m s ，r l s 等算法。然后介绍近几年出现的高速 d s p 系统，并对目前工业界最为流行的两款d s p ( t e x a si n s t r u m e n t s 的 t m s 3 2 0 c 6 4 1 6 和a n a l o gd e v i c e s 的a d s p - t s 2 0 1 ) 做了较为详细的介绍和比较。 在理论分析的基础之上，采用高速串行数据通信技术，设计构建了由两块1 1 公 司1 m s 3 2 0 0 6 4 1 6d s k 组成的一套d s p 系统，用来验证d b f 算法的正确性，测 试评估算法在实际系统中应用的性能。最后，结合西安海天天线科技股份有限公 司的线性天线阵列，将该d b f 系统直接应用于p h s 基站，接收实际p h s 手机产 生的信号。实验结果显示了在p h s 系统中应用d b f 技术的优越性。 獒鞋鼠tp h s ，智铯天线。数字波束成形，t m s 3 2 0 c 6 4 1 6 d s p d 适i t a lb e a m f o r m e ra n di t si m p l e m e n t a t i o ni np h s w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s y s t e m m a j o r ：c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m n a m e ：l iw e r e s u p e r v i s o r ：p r o f z h o uy u a n p i n g a b s t r a c t p h sw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m sh a v eb e e nw i d e l yu s e di nc h i n as i n c e s e v e r a ly e a r sa g od u et oi t sl o wc o s t ，l o wr a d i t i o n ，l o wb e t t e r yc o n s u m p t i o n ，a n de t e ap h sh a n d s e ti ss i m p l ei nh a r d w a r ed e s i g na n dl i g h ti nw e i g h t ，u s n a l l yw i t hal o w 阻i c e i t st r a n s m i tp o w e ri sa sl o wa saf e wp e r c e n to ft h a to fag s mm o b i l ep h o n e ， a n dg r e e np h o n ei st h e r e f o r en a m e df o ri t sl o wr a d i a t i o n h o w e v e r , t h e r ea r ea l s o s o m ed i s a d v a n t a g e sa s s o c i a t e dw i t hp h ss y s t e m s 。t h et r a n s m i tp o w e ro ft h eb a s e s t a t i o ni ss ol o wt h a ti tc a no n l yc o v e ras m a l ls e r v i c ea r e a i nar e g i o nw i t hh e a v y l o a d s ，al a r g en u m b e ro fb a s es t a t i o n sa r er e q u i r e dt oi n s u r et h es i g n a lc o v e r a g e ， m a k i n gt h en e t w o r kc o n s t r u c t i o nad i f f i c u l to n e d i g i t a lb e a n f f o r m i n gt e c h n o l o g yr e a l i z e ss p a t i a lf i l t e r i n gt h r o u g ha r r a ys i g n a l p r o c e s s i n gt h a tg e n e r a t e sa m a x i m u mg a i ni nt h ed i r e c t i o no fd e s i r e ds i g n a la n dn u l l s i ni n t e r f e r e n c e d i r e c t i o n s i nc o m p a r i s o nt oar e c e i v e rw i t ha l lo m n i d i r e c t i o n a l a n t e n n a ，ab e a m f o r m i n gr e c e i v e ra t t a i n s a h i g h e rs e n s i t i v i t y , a n i n c r e a s e d s i g n a l - t o - i n t e r f e r e n c e - p l u s - n o i s er a t i o ，a n da l le x t e n d e ds e r v i c er a n g ew i t ht h es a m e t r a n s m i tp o w e r t h i st h e s i sf i r s tg i v e sad e s c r i p t i o no np h ss y s t e m t h e n , i ti n t r o d u c e st h e p r i n c i p l eo fa d a p t i v eb e a m f o r m i n gt e c h n o l o g ya n ds e v e r a la d a p t i v ea 蜘r i t h m sa r e d i s c u s s e d i np a r t i c u l a r , t h ei m p l e m e n t a t i o no fa d a p t i v eb e a m f o r m e ru s i n gh i g hs p e e d d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r si sd e s e r i p e di nd e t a i l s t w om a j o rd s pp r o c e s s o r sf o r w k e l e s sc o m m u n i c a t i o n s ，t i g e r s h a r ca i x s p - t s 2 0 1o f a n a l o gd e v i c e sa n d t m s 3 2 0 c 6 4 1 6o ft e x a si n s t r u m e n t s ，a r es t u d i e da n dc o m p a r e d ab e a m f o r m i n g s y s t e mr e a l i z e db yt m s 3 2 0 c 6 4 1 6p r o c e s s o r si ss e tu pt oi m p l e m e n ta d a p t i v e b e a m f o r m i n ga l g o r i t h m s f i n a l l y , t h ea d a p t i v eb e a m f o r m e ri st e s t e , dw i t ht h er e a lp h s s i g n a l sc o l l e c t e di nf i e l db yx i a nh a i t i a na n t e n n at e c h n o l o g yc o m p a n y t h er e s u l t s d e n m o n s t r a t ea d v a n t a g e so f t h eu s eo f t h ea d p t i v eh e a m f o r m e ri nap h s s y s t e m k e y w o r d s ：p h s ，s m a r t a n t e r m a ，d i g i t a lb e a r a f o r m i n g ，t m s 3 2 0 c 6 4 1 6 d s p 第1 章绪论 1 1 研究背景 第1 章绪论 近年来，电信运营商所经营的固定电话网业务发展逐步放缓。首先，传统电 话业务的发展已经逐渐趋于饱和；其次，二十世纪后期业界大肆炒作的数据或宽 带业务远远没有达到人们所期望的效果，而且为维持和跟踪新技术、新业务的发 展还需要不断的增加投入，但效益却微乎其微；另一方面，g s m c d m a 移动 通信系统也给固话业务带来了挑战。但是g s m ，c d m a 存在一个很大的不足，就 是通信费用高昂。在这样的一个特定的背景下，兼具g s 矾d m a 手机和固话优 点于一身的p h s ( p e r s o n a lh a n d y - p h o n es y s t e m ，个人手持电话系统1 无线市话系统 在我国应运而生。 p h s 系统的最大特点是价廉物美，无论是拨打固定电话还是手机，统一按市 话标准收费，而且接听免费，与蜂窝式移动电话相比便宜的多。此外p h s 手机 具有体积小、重量轻、低功耗、通话时间长等特点。p h s 手机的发射功率小，平 均发射功率只有1 0 m w ，比g s m 手机和c d m a 手机小的多，因此更加省电， 辐射小，电池寿命长，长期使用对人体没有危害，被人们称为绿色通信工具。 在p h s 系统中，如何消除共道干扰( c c i c o - c h a n n e l i n t e r f e r e n c e ) 、多址干 扰( m a i 。m u l t i p l e a l c c 髂si n t e r f e r e n c e ) 与多径衰落( m u l t i p a t hf a d i n g ) 的影响、 降低掉话率一直是人们在提高系统性能时考虑的主要因素。智能天线技术是解决 上述问题的有效途径，同时还可以提高系统容量和通话质量【l - 3 】。智能天线技术 是近三十年中最先进的通信技术之一，它能产生空间定向波束，使天线主波束( 即 最大增益点) 对准期望用户信号到达方向，旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向， 从而给有用信号带来最大增益，有效的减少多径效应所带来的影响，同时达到抑 制干扰信号的目的( 图1 - 1 所示) ，相当于一个空间滤波器。智能天线技术通常 有两种实现方法，传统的智能天线技术采用控制射频通道的增益和相位来达到空 间波束成形，另一种是通过基带数字信号处理的方法来控制波束，也就是本文研 究的数字波束成形技术。实际应用中，第一种方法采用模拟控制的方式来实现， 中山大学硕士学位论文p h s 系统中的数字波束成形技术及实现方法研究 控制难度大，精度低，正逐步被淘汰。最近几年来，半导体工艺突飞猛进，高速 数字信号处理技术取得了很大的发展，利用d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ，数字 信号处理器) 直接在基带上进行自适应处理的方法开始得到广泛应用。使用智能 天线技术能带来很多好处，如扩大系统覆盖区域、提高系统容量、提高数据传输 速率、提高频谱利用效率、提高信号连接质量、降低掉话率、降低基站发射功率、 节省系统成本、减少信号间干扰与电磁环境污染等【4 1 1 5 1 。 图1 - 1 智能天线的基本原理 天线阵列是射频前端的很重要的设备，但数字波束成形技术最重要的部分在 于基带数字信号处理部分。目前已经有多种时域和空域的算法提出，如通过时域 信号处理获得天线最优加权的算法有：取样协方差矩阵的直接求逆( d m i ) 、最 小均方算法( l m s ) 、递归最小二乘( r l s ) 算法、恒模( c m a ) 算法等【7 l 【8 】； 通过在空域对频谱进行分析以获得信号到达方位角( d o a ) 估计的算法有：多 信号分类法( m u s i c ) 算法、旋转不变技术信号参数估计法( e s p i 姗算法等【6 】【7 l 。 传统的空域d o a 估计算法，比如m u s i c 和e s p i r i t 方法，尽管空间分辨 率相当高，但是其算法特性决定了计算复杂度过高，比如大量用到矩阵求逆运算， 对硬件系统的要求相当高，不适合在实际的移动通信系统中实现；再则，p h s 系统的一大特点是价廉，如果为了实现数字波束成形而增加过高的成本，也是不 现实的。所以，如何研究一种波束成形算法，既能实现p h s 系统的波束成形， 又只需要增加少量的成本，就成为一个非常有意义的研究课题。另外，p h s 是 t d m a t d d ( t i m ed i v i s i o nm u l t i p ca o e s 叽铀ed i v i s i o nd u p l e x ，时分复用时分 双工) 的移动通信系统，在低信噪比的情况下，p s ( p e r s o n a ls t a t i o n , 移动终端) 如何在自适应天线的帮助下完成接入过程、c s ( e e s t a t i o n ，基站) 如何实现与 第1 章绪论 p s 的同步，也是本文的研究内容。只有这些过程通过理论仿真完全实现，并且 通过实际数据在d s p 系统中的测试验证，才能使数字波束成形技术真正应用到 p h s 移动通信系统之中。 本文的主要研究内容一方面是p h s 系统的物理层和链路层，另一方面研究将 数字波束成形技术应用于p h s 系统，最终将数字波束成形技术与p h s 系统相结 合，并且将数字波束成形算法用定点方式实现，在d s p 系统中运行。 1 2 国内外相关工作 上世纪八十年代初期以来，随着无线移动通信的发展，自适应阵列天线开始 被考虑用于无线移动通信系统中。近十多年来，各国及各大公司均投入大量人 力、物力进行移动通信自适应阵列天线的算法研究和系统研制开发工作。欧洲进 行了基于d e c t 基站的自适应阵列天线技术的初步研究，于1 9 9 5 年初开始现场 试验。实验系统验证了自适应阵列天线的功能。在两个用户、四个空间信道( 包 括上行和下行链路) 下，试验系统比特差错率( b e r ) 优于1 0 3 。实验采用m u s i c 算法判别用户信号方向的能力。同时，通过现场测试，表明圆环和平面天线适于 室内通信环境使用，而市区环境则采用简单的直线阵更合适。在此基础上又继续 进行最优波束成形算法、系统性能评估、多用户检测与自适应天线结构、时空信 道特性估计、微蜂窝优化与现场试验等研究【9 1 0 】。 日本三菱电气、a t r 光电通信研究所等制作了基于波束空间处理方式的波 束切换自适应阵列天线1 1 1 】。天线阵元布局为问距半波长的1 6 阵元平面方阵，射 频工作频率是1 5 4 5 g h z 。阵元组件接收信号在模数变换后，进行快速傅立叶变 换( f f t ) 处理，形成正交波束。提出了基于软件无线电的自适应阵列天线概念； 用户所处环境不同，影响系统性能的主要因素亦不同，此系统可通过软件根据不 同的环境采用相应的算法。 美国的m c t a w a v e 公司对用于f d m a 、c d m a 、) m a 系统的自适应阵列天 线进行了大量研究开发：a r r a y c o m m 公司也研制了用于无线本地环路的自适应 阵列天线系统i s ；u n i v e r s i t yo fm i n n e s o t a 电子与计算工程系的j u nm a 等进行了 基于流水线c o r d i c 算法的q r d - m v d r 自适应波束成形系统的研究【1 2 】，该方 法用硬件实现矩阵的o r 分解，速度快，但是需要用到大规模的可编程逻辑器件 中山大学硕士学位论文 p h s 系统中的数字波束成形技术及实现方法研究 或者a s i c 。 韩国h a n y a n gu n i v e r s i t y 的h e u n g - j a ei m , s e t m g w o nc h o i 等进行了应用于宽 带c d m a w l l ( c d m a w i r e l e s s l o c a l l o o p ，本地无线环) 的自适应阵列天线测 试平台研究，并且使用了一种软件产生输入信号的方式代替物理信号【1 3 】。英国皇 家信号与雷达研究所的j gm e w h i r t e r 等提出了基于脉动阵列结构的m v d r 波 束成形处理器【1 4 j 。 国内，大唐移动通信正在研究应用于t d s c d m a 系统的自适应阵列天线1 5 1 。 t d s c d m a 系统的自适应阵列天线是由8 个天线单元的同心圆阵组成，直径 2 5 c m 。同全方向天线相比，它可获得8 d b 的增益。其原理同样是使组天线和 对应的收发信机按照一定的方式加权合并，以产生强方向性的辐射方向图，使用 d s p 使主瓣自适应地指向移动台方向。 香港中文大学电子工程系的j w u ，w - x s h e n g 等人也进行了基于数字波束成 形和软件无线电技术的自适应阵列天线实现方法研究【1 6 1 ，建立了一套完整的接收 系统，包括天线阵、r f 模块、数字中频模块和d s p 模块，采用4 片t e x a si n s t r u m e n t 公司的t m s 3 2 0 c 6 7 0 1 浮点d s p 并行工作进行数字波束成形，同时完成q p s k 解 调。 1 3 论文结构 本文研究的主要内容是面向p h s 系统的自适应波束成形算法及其d s p 实 现。第2 章主要介绍p h s 系统、自适应波束成形器的原理和若干算法。第3 章 主要围绕t e x a si n s t r u m e n t s 公司的t m s 3 2 0 c 6 4 1 6d s p 和a n a l o gd e v i c e s 公司的 t i g 盯s h a r c a d s p t s 2 0 1d s p 介绍了现代高速d s p 系统。第4 章通过对前文提 到的几种自适应波束成形算法的比较，优选一种算法，将其与现有的p h s 基站 系统结合。设计构建一套由两块t m s 3 2 0 c 6 4 1 6d s k ( d e s i g ns t a r t e r sk i t ) 构成 的d s p 测试平台，一个d s k 用于模拟产生d b f 接收端的多路信号，另一个d s k 用于d b f 算法，将d b f 算法转为定点形式，在t m s 3 2 0 c 6 4 1 6d s p 上实现，在 实际p h s 信号环境下进行测试，同时评估该算法的空间复杂度( 程序占用存储空 间大小1 和时闻复杂度。第5 章则对工作做了一下小结和展望。 第2 章p h s 系统与自适应波束成形器 第2 章p h s 系统与自适应波束成形器 2 1p h s 系统简介 p h s 无线市话是根据日本无线电系统研究与开发中心r c r 于1 9 9 2 年制订的 标准草案r c r s t d 2 8 第二代无绳电话系统研制开发的数字无绳电话系统， 它将市话传输与无线接入技术有机结合在一起，利用市话的交换传输资源，以无 线方式提供在一定范围内具备移动漫游性能的个人通信终端。简而言之，就是通 过一定的技术手段，使传统意义上的固定电话可以在无线网络覆盖范围内随身携 带、移动使用【1 1 。 业务拯供抟心拧捌七纯摧凡 图2 - l p h s 系统结构 p h s 无线市话系统采用微蜂窝技术，信道动态分配，系统可自动调整各基站 的载频分配方案，方便扩容，无需频率规划，增加了系统容量，降低了发射功率， 使得手机体积减小、功耗降低，支持覆盖区域内手机的无缝漫游、越区切换。采 用3 2 k b p sa d p c m 话音编码方式，理论上通话质量非常接近于有线市话，并且 优于普通蜂窝电话通话质量。采用石，4 一d q p s k 调制方式，以3 8 4 k b p s 的信道 中山大学硕士学位论文p h s 系统中的数字波束成形技术及实现方法研究 速率进行信息传送，大大提高了频谱利用率。有完善的鉴权和保密机制，防止非 法用户进入和窃听。 p h s 系统与交换机接口灵活，可通过标准化的v 5 2 接口相连，或者通过信 令转换设备与交换机的n o 7 信令系统相连。适合中小城市覆盖本地的p h s 系统 由移动管理中一i l ( m m c ，m o b i l i t ym a n a g e m e n tc e n t e r ) 、操作维护中一t l , ( o m c ， o p e r a t i o n m a i n t e n a n c ec e n t e r ) 、接入网络单元( a n u ，a c e s sn e t w o l ku n 蛐、本 地交换机( l e ，l o c a le x c h a n g e ) 、基站控制器f c s c ，c e l ls t a t i o nc o n t r o l l e 0 、基站 ( c s ) 和移动终端( p s ) 组成，它充分地利用了现有的市话网络，为用户提供固定市 话网的移动终端服务和多项增值业务。而适合大中型城市组网的p h s 系统则比 上述系统增加了互联互通网关( i g w ) 和归属位置寄存器( h l r a u c ) 。框架示意图 如图2 - 1 所示。它可以实现跨地市、跨省大规模覆盖范围内的网络互联。系统采 用标准的m a p 协议和成熟的交换机技术，能够满足网络互联互通的需求。由于 采用标准的n o 7 信令，使其与智能网的结合成为可能，便于开展多种增值业务 1 3 1 。 i g w 中的中心交换模块c s m 在一侧提供与m m c 、o m c 的t c p i p 接口， 另一侧提供与各接入网络单元( a n u ) 之间的接口。主要功能是对系统信令通路、 话路接续的操作管理及移动用户移动性管理，同时提供操作维护等管理平台所需 的集中监控通道。 移动管理中心( m m q 由h l r 0 t o n ml o a c a t i o nr e g i s t e r , 归属位置寄存器) 和 t m n ( t e l e c o m m u n i c a t i o nm a n a g e m e n tn e t w o r k ，电信管理网络) 组成。h l r 存 储网络中所有移动用户信息，包括用户标识、用户位置区信息及用户服务类别等， 所有用户信息以h l r 中的数据记录为基准。t m n 提供安全管理、故障管理、性 能管理和配置管理、移动用户管理、基站管理等功能的接口。m m c 分为业务接 口及数据组织，业务接口通过l a n 与c s m 相连，与a n u 之间的数据访问通过 t c p f l p 协议栈经c s m 的消息转发完成。通常，在多模块系统中只允许一个m m c ， 一个c s m 最多可以控制1 5 个a n u 。 接入网络单元( a md 的一次提供与交换网络之间的v 5 2 接口，另一侧提供与 基站控制器c s c 的e 1 接口。其主要功能是使用户通过本地网进行话音的呼入呼 出控制，提供集中的用户数据库、移动管理功能和集线控制功能。 基站控制器( c s c ) 通过e 1 方式与接入单元a n u 连接，基站c s 以i s d n 的 第2 章p e s 系统与自适应波束成形器 2 b + d 或4 b + d 方式连接在c s c 上。c s c 的主要功能是将c s 的q 9 3 1 信令呼叫 转换成用户线路信令发送到a n u 中，同时将a n u 的内部线路心灵转换成q 9 3 1 信令广播到相应基站处理。此外，c s c 提供给占的操作维护通道，包括程序和 参数的加载过程、基站状态的传递等。系统接口示意图如图2 - 2 所示。 图2 2 系统接口示意图 基站( c s ) 是无线收发单元，是用户与c s c 之间的通信传输中继站，c s 与收 集之间的无线链路采用基于r c rs t d 2 8v 2 标准的p h s 技术。基站协议架构框 图如图2 - 3 所示。从本地交换机输出的信号通过标准接口v 5 2 和a h u 相连，喜 好在a n u 进行数字复用和协议处理后，通过光纤、微波或铜缆传输链路走e 1 接口接至远端基站控制器( c s c ) 。基站控制器接收从a n i j 传来的4 个e 1 基群信 号，在网络协议的物理层复合g 7 0 3 、g 7 0 4 标准，网络层按q 9 3 1 协议规程。 基站主控板c s m c 通过专用接口与基站相连，主要用来控制基站c s ，协议转换、 存储并确认终端特征数据；对基站远端供电和监控，以及通过a n u 与交换局进 行双音多频d t m f 拨号通信，并将e 1 中分离出来的同步时钟信号分配给各c s 。 中山大学硕士学位论文p h s 系统中的数字波束成形技术及实现方法研究 图2 - 3 协议架构流程 蜒b 埘： 辩毒* 竣 精鹬蛙 鞠押糕 p h s 手机( p s l 通过空中无线信号与基站取得联系，再通过基站与电信的业务 平台接通。通过业务平台于其他通信网络的互联，用户可阻在网络覆盖范围内自 由拨打接听电话。 p h s 系统的接入方式采用多载波t d m a ，传输方式采用时分双工t d d ，工 作频带从1 8 9 5 1 9 1 8 m k ，载波间隔为3 0 0 k h z ，每个载波按5 m s 一帧分为8 个 时隙( 每时隙6 2 5 u s ) ，其中1 4 号时隙分配给下行链路( c s p s ) ，5 岛号时隙分 配给上行链路0 s c s l ，因而，每个载波可以建立4 个双工通道。调制方式采用 滚降系数为0 5 的石4 一d q p s k ，调制信号是和3 8 4 k b p s 比特流对应的1 9 2 k s a m b l e s l s 的符号流，语音编码采用i t u t 建议g 7 2 1 的3 2 k t 】p s a d p c m 。 2 2p h s 标准信道结构和数据帧结构 p h s 的帧结构如图2 4 所示。 第2 章p i i s 系统与自适应波束成形器 12345678 眙，= 、1 i控制时隙 |通信时隙 图2 - 4 p i t s 帧结构 每个时隙称为一个物理信道，它可以用于信令的传输，称为控制时隙；也可 以用于用户信息，成为通信时隙。时隙数据帧结构如图2 5 所示。 ( a ) 控制时隙 2 4 0 b i t 6 2 5 u s 。 rs sc t 4 22 1 81 6 p ru 1 i | c is ai ( f a c c h )c r c i l 垦| ! ! l 璺l ! 曼l! 鲤 一l ! 曼l ( b ) 通信时隙 图2 - 5 控制时障与通信时隙 - 9 - 中山大学硕士学位论文 p h s 系统中的数字波束成形技术及实现方法研究 每个物理信道中可以包含一个或多个逻辑信道，视逻辑信道需要的比特数决 定。逻辑信道指具有某种功能的数据组，如用于用户信息的信息( 业务) 信道或 呼叫控制的控制( 信令) 信道。常常在一个物理信道同时安排信息和控制这两种 逻辑信道。 表2 - 1 p i i s 的逻辑信道 占用时隙逻辑信道名称功能 控制时隙 广播控制( b c c h ) c s p s ，单向传输c s 的识别码等公用信息 寻呼( p c h ) c s 一 p s ，单向寻呼p s ，可以在一个或数个为 蜂窝内同时进行 信令控* ! j ( s c c r l ) c s p s ，用于呼叫建立过程中双向传送系统 指令，如登记、鉴权、信道分配等 用户分组( u p c n )p s 一 c s ，用于p s 主叫得建立。请求分配一个 s c c h 信道等 同步( s c h ) c s p s ，使双向通信时隙同步，给出同步码 字、复帧的组合方式、复帧中的帧号等信息 通信时隙 单独( 1 c 哪 c s p s ，双向传输用户信息 低速结合控制c s p s ，占用部分通信时隙，双向传输与某 ( s a c c r 0信道有关的功率控制、用于微蜂窝切换的小区 信号强度信息等 高速结合控制c s p s ，占用全部通信时隙、双向传输与某 t f a c c r r )信道有关的倍令，如进行小区切换时，因占用 时间短，不妨碍通话 业务f r c h 3 c s p s ，语音业务和数据业务 各种功能的逻辑信道的分类见表2 - 1 。控制时隙和通信时隙中数据的安排见 图2 - 2 。控制时隙的数据帧结构可以用于各种逻辑信道，各种信令逻辑信道的数 据放在控制时隙的信息比特( i ) 的位置传输。通信时隙主要用于用户信息的传输， 但在其中也安排部分随路信令。在传输f a c c h 信令是，占用全部时隙。在i c h 和f a c c h 逻辑信道中的s a 代表s a c c h 逻辑信道的数据。时隙数据中各英文 代码的含义和作用见表2 2 。 表2 - 2 时隙各个组成部分列表 英文代码信号名称用途 r 应答相邻时隙缓冲间隔，可取4 位全0 第2 章h i s 系统与自适应波束成形器 s s 初始码元帧同步码字。用于8 时隙帧或复帧同步 p r 前缀用于时间同步，可取1 0 1 0 1 0 u w 用户字用户代码，一般由个人和群地址两部分组成 c i 信道类别给出各逻辑信垣杯不行 c r c 循环冗余校验c r c 校验码 g t 保护时间防止同步情况不理想时两相邻时隙数据重叠，一般全0 2 3 自适应波束成形技术 自适应天线阵由天线阵和实时自适应信号处理器所组成的一个闭环反馈控 制系统，它用反馈控制方法自动调整天线阵的方向图，使它在干扰方向形成零陷， 抑制干扰信号，而且将主瓣对准期望信号，使期望信号得到加强，从而达到抗干 扰的目的。 2 3 1 阵列输入矢量嘲 为了分析方便，这里先阐述一下空域处理的基本概念。 对于一个均匀线阵( 图2 - 6 所示) ，设有频率为的窄带平面波以来角一入 射到阵上。设阵元1 收到的信号为1 8 1 而o ) - s ( t ) - e ， ( 2 - 1 ) 则由于平面波到达阵元2 的时间超前于阵元1 ，超前时间为 f ds i n o ( 2 2 ) c 所以阵元2 的信号为 屯( f ) - 工x ( t + _ r ) _ s o + f p 屿o + 。一s ( t + f 弘q o + 们( 2 3 ) 其中 驴掣s i n 0 ( 2 4 ) 中山大学硕士学位论文p h s 系统中的数字波束成形技术厦实现方法研究 气o )屯0 ) 屯o )葺o ) 0 ) 图2 - 6 平面波入射到均匀线阵 类似地有薯o ) 一s o + o 一1 弦) p 州e 巾。1 h( 2 - 5 ) 对于窄带信号，有s ( f + a 一1 弦) - k t ) ，i = 1 ，m ( 2 - 6 ) 从而阵列输入信号矢量可表示为 x ( t ) = s ( t ) e 7 吖n e 一，e ”4 r - s o 弘7 州v ( o )( 2 - 7 ) 式中v ( o ) 一 l e ，e 儿”1 h 】r( 2 - 8 ) 仅与电波到达角0 、信号频率、阵元间距有关。v ( 0 1 称为方向矢量或者操纵 矢量( s t 血gv e a o r ) l 8 l 。 若同时有同一频率的l 个窄带平面波信号墨( f ) ，5 ：o ) ，吒( f ) 分别以 0 1 ，o z ，吼方向入射到图2 - 6 的均匀阵上，并假定阵元1 收到的信号为 五p ) - s , ( t ) e j 唧+ 岛p 弦扯。+ + 屯0 弦唧 ( 2 9 ) 则类似地，各阵元信号为 t ( f ) 一j 1 0 弦州e “枷 + s 2 0 弦州e 州一1 + + 气o 弦7 叫e 。一q 屯( 2 - 1 0 ) 式中，哦。掣s i n b ，f k m 在考虑接收噪声的情况下，阵列接收到的信号可以表示为 r o ) ix i ，) + ( f ) 穹 而o ) ( f ) ： ( f ) 11 1 e 埔e 聃 e 地 ； ； e ，( 脚- 1 ) e j ( 一1 ) 屯 e ( n 1 ) 九 毛( f ) 屯o ) ： o ) + 一o ) 订2 0 ) ： 万盯o ) ( 2 一1 1 ) 第2 章p i i s 系统与自适应波柬成形器 2 3 2 线形波束形成嘲 图2 - 7 采用线形组合器的均匀线阵 图2 - 7 所示的是采用线形组合器的均匀线阵。该阵列有m 个阵元，阵元间 距为d 。 阵列的空间滤波响应即波束图定义为当阵列输入为平面波时，阵输出f 通常 只考虑幅度或功率) 与平面波入射角的关系。对于上图所示的均匀线阵，在阵列 确定后，其空间响应即波束完全取决于权向量 w - 【w l ，1 4 r ( 2 - 1 2 ) 为了得到波束图，用入射角为0 的单位平面波入射到阵，此时阵的输入为操 纵矢量v ( v ( o ) 一b e 挣，一似川r 式中妒。掣s i n 一 此时的操纵矢量v ( 疗) 又称为扫描矢量嗍。 幅度波束图为 f p ) - w “v ( o _ 如果w v ( o o ) 【1 , e 埔，p ”枷 r 式中九孚s i n o o r 2 1 3 ) f 2 - 1 4 ) 波束最大值指向吼方向，且期望信号也是从岛方向入射，考虑噪声时的输 中山大学硕士学位论文 p h s 系统中的数字波束成形技术及实现方法研究 入矢量为： r ( t ) = 5 0 ) v ( 岛) + n ( f ) 在任意阵元上，信号功率e 。一只；e s 2 0 ) ) 噪声功率只。= e 伽2 0 ) = 口2 输入信噪比? v r ) 。一a 2 阵输出的信号功率只。一e w h v ( 吼p o ) 1 2 】= m 2 只 阵输出的噪声功率只。；e 1 w “n o l 2 ) m 0 2 输出信噪比( 舒，r ) 。= m 识a 2 ) - m ( s z c r ) 。 即这种阵的信噪比改善为m 倍。 2 3 3 模拟波束成形和数字波束成形 f 2 1 5 ) f 2 1 6 ) r 2 1 7 ) r 2 - x 8 ) ( 2 1 9 ) r 2 - 2 0 ) f 2 2 1 ) 自适应波束成形器可以分别利用模拟器件和数字器件以不同方式实现，如图 2 8 和2 - 9 所示【4 】。基站同时接收多路上行链路信号时，图2 - 8 所示的r f i f 处理 结构不如图2 - 9 所示的结构有效。因为在使用模拟器件时，每个独立的波束需要 单独的r f 波束网络。而数字系统可以同时形成多波束，每个波束对应一个感兴 趣信号( s o i ，s i g n a lo f i n t e r e s t ) a 图2 - 8 模拟加权合并 第2 章h i s 系统与自适应波束成形嚣 图2 - 9 数字复基带加权合并 下面证明模拟的波束成形和基带的数字波束成形是等效的。 设系统采用q p s k 数字调制，两路基带信号分别为4 ( f ) 和4 ( f ) ，载波频率 为国，则经过调制以后的信号可以表示为： 誉竺等：兰：2 ：) 蚴( 2 - 2 2 ) - 4 9 ) 2 + 4 0 ) 2 e “+ “啪 热砸) - 删糟 设信道的响应为埔 则天线阵列接收到的信号为： r ( f ) - s ( t ) b e j h v ( o ) + n ( t ) f i a t ( t ) 2 + a 2 ( t ) 2 e ( h + ，( | ) j b e j v ( o ) + n ( t ) 曰扛万丽脚砌h ) v p ) + n o ) 因为v ( o ) 一n e ，e 7 叫。1 r 式中妒孚s i n o 故有 f 2 2 3 ) 中山大学硕士学位论文p h s 系统中的数字波束成形技术及实现方法研究 r ? 一 = 口4 0 ) 2 + 4 q ) 2 1 e 埔 e j 一1 ) e j ( “+ 9 0 ) + 如) p j o ) + 九+ ) e ，( “”( ) + b + 一1 ) ) 加权合并处理，可以得到 y ( t ) 一w “r ( t ) + = hw 2 + p 氲丽 + 一q ) h 2 0 ) ： o ) o ) n 2 ( t ) p ) e ，似”( ) + i ) e ( 耐坤o ) + b + ) e j ”( 帅 + ( u - 1 ) ) + o ) n 2 ( f ) n m ( t ) ( 2 2 4 ) ( 2 2 5 ) 令m = c t e 垮，则 y o ) 一w ”r ( f ) 一口厮驴”种恍弘缈 。 一种简单的加权方式是通过对每路接收信号进行信道估计，使得 如+ ( i - 1 ) 南+ 岛- 0 ，i 一1 ，2 ，m( 2 2 7 ) 这样， y o ) i ( 善q 归4 0 ) 2 + 4 0 ) 2 e “柙”+ 善q 吩o k 鹰( 2 - 2 8 ) 从式( 2 2 6 ) 车1 1 ( 2 - 2 7 ) 可以看到，加权调整只是改变九和九带来的影响，载波 e j “的存在与否对波束成形没有任何影响，也就是说在射频段和数字基带上做波 束成形是等效的。 对于模拟加权合并的信号，射频解调就是与本地载波e 一脚相乘，然后通过低 通滤波器，便可以得到解调后的基带信号： j ( f ) 一b c 4 ( t ) + n i ( t )( 2 - 2 9 ) q ( t ) = b c a 2 ( t ) + n o ( t ) ( 2 - 3 0 ) 第2 章h i s 系统与自适应波束成形器 号为 其中c 。善q ，一( t ) - r c ( 善q ( f 弘墙) ，n o ( t ) 叫善q 吩( f 弘磕) 噪声不具有方向性，所以加权对其没有影响。 对于数字波束成形，由于在加权之前，e 胁已经不存在了，所以加权后的信 y ( t ) = w “r o ) - ( 萋q ) b 、 a i ( t ) 2 + a z ( t ) z e 如( f ) + 萋岛吩o ) e 商2 - 3 1 也同样可以得到( 2 - 2 9 ) 和( 2 - 3 0 ) 同样的解调结果。 如何得到一组合适的权向量是自适应波束成形技术的关键，通常根据以下几 种最优准则来得到权向量：最小均方误差( m m s e ) 、最大信噪比( m a x s n r ) 和线性 约束最小方差( l c m v ) 等。实际应用中，直接矩阵求逆m i ，d i r e c tm a t r i xi n v e r s e ) 的方法( 如m m s e ) 很少被采用，因为移动环境是时变的，权向量必须周期性 的更新或者自适应，一个周期更新计算的权向量通常相对于上一次计算的权向量 只有很小的变化。而且，由于估计最优解所需的数据受到噪声的影响，需要对权 向量的上一个解进行更新，以平滑对最优响应的估计，减少噪声的影响；另外， d m i 方法还受到计算能力的限制。所以，实际应用比较多的是迭代的算法，比 如l m s 、r l s 等，第n 步迭代时，当前权向量w ( n 1 改变一个增量，形成新的权 向量w o + 1 ) ，来近似得至最优解w 。f 4 】。 通常采用4 1 6 天线阵元的天线阵。相邻阵元闻距一般取为传输信号中心频