（通信与信息系统专业论文）svm在阵列天线领域的应用研究.pdf

浙江人学坝l j 学位论史 摘要 本文丰要包含三方面的内容：阵列天线、支持向量机以及两者结合应用研究。 支持向量机是由v a p n i k 等人提出的小样本统计理论统计学习理论发展 而来的一种新的通用学习算法，特别在高维空间中表示复杂函数，避免了常规算 法“维数灾难”等麻烦问题，可直接用阵列原始数据作为特征向量而4 ；影响系统 性能。本文主要将s v m 这一新的机器学习方法应用到阵列天线领域，并用该算 法实现对目标信源的测定。 为了利用支持向量机的函数拟合来预测信源位置，我们将支持向量机理论和 阵列天线模型结合在一起，根据两者的不同特点构造了一个训练数据结构；并设 计了通过改变不同参数对训练机器进行优化的新的系统模型。这样不仅发挥了 s v m 技术的优越性，而且还推广了该技术应用领域。本文仿真采用6 元直线等 距阵列天线对于平面波入射的处理情形。把阵列天线采集的训练样本的协方差矩 阵进行适当变换之后送入s v m 训练器进行学习，然后根据这个学习机对未知样 本进行s v m 的函数拟合，得到信源方向。训练中需要采用不同的参数，以求得 最佳学习机。这种算法处理速度很快，能实时跟踪目标运动，且在环境不是很恶 劣的情况下精度较高，能有效的减少运算量。同时我们还将s v m 与m u s i c 算 法进行了比较，可以看出，在预测精度和跟踪速度方面，s v m 算法的优点得到 了很好的体现。 关键字：阵列天线，自适应算法，统计学习理论，支持向量机，核函数 塑垩叁堂堡! ：堂些堡兰一 a b s t r a c t t h i st h e s i si n c l u d e st h r e ea s p e c t so fc o n t e n t s ：a n t e n n aa r r a y , s v ma n dt h e i r c o m b i n a t i o n s v mi sak i n do fu n i v e r s a ll e a r n i n ga l g o r i t h m ，w h i c hd e v e l o p e df r o ms t a t i s t i c a l l e a r n i n gt h e o r y ，t h a ti s ，s m a l ls a m p l el e a r n i n gt h e o r yp r o p o s e db yv a p n i k i tc b x i r e p r e s e n tc o m p l i c a t e df u n c t i o n se s p e c i a l l yi nh i g hd i m e n s i o n s ，w h i c hc a l la v o i dt h e t r o u b l eo ft h ed i m e n s i o nt r a g e d yt h a th a p p e n e di ng e n e r a la l g o r i t h m i ta l s ow i l ln o t a f f e c tt h es y s t e mp e r f o r m a n c eb yu s i n go r i g i n a ld a t ao ft h ea r r a yf o rt h ee i g e n v e c t o r d i r e c t l y w ea p p l ys v m ，t h en e wm a c h i n e l e a r n i n ga l g o r i t h m ，t ot h ed o m a i no f t h e a n t e n n a a r r a y , i no r d e r t or e a l i z et h es o l i c el o c a t i o ni nt h i st h e s i sm a i n l y i no r d e rt op r e d i c ts o n r c el o c a t i o nb y u s i n g t h es v m r e g r e s s i o n ，w ec o m b i n e t h e s v m t h e o r y t h ea n t e n n aa r r a ym o d u l e c o n s t r u c t a t r a i n i n gd a t as t r u c t u r e ；d e s i g na n e w s y s t e m m o d u l ew h i c h o p t i m i z et h et r a i nm a c h i n eb ya l t e r i n gd i f f e r e n tp a r a m e t e r i td o e sn o to n l ye x e r tt h es u p e r i o r i t yo ft h es v m t e c h n o l o g y , b u ta l s oe x t e n di t s a p p l i c a t i o nd o m a i n w e u s es i xl i n e a re q u a l l ys p a c e da n t e n n a a r r a y st os i m u l a t es v m a l g o r i t h mf o rt r e a t i n gw i t ht h ei n c i d e n tp l a n ew a v e t h ec o v a r i a n c eo ft h et r a i n i n g s a m p l e sw h i c ha r es a m p l e df r o mt h ea n t e n n aa r r a y si sd e l i v e r e di n t os v mt r a i n i n g m a c h i n ea f t e rt r a n s f o r m e ds u i t a b l y , t h e nw el i s es v m r e g r e s s i o no nt h eb l l k i l o w l l s a m p l e sa c c o r d i n ga st h et r a i n e dm a c h i n ef o rg e t t i n gt h es o t t r c el o c a t i o n w es h o u l d a d o p t d i f f e r e n t p a r a m e t e r t o g e t t h e o p t i m a ll e a r n i n g m a c h i n e t h i sa l g o r i t h m p r o c e s s e sr a p i d l y , a n d c a nt r a c kt h em o v e m e n to f t h es o u r c e i ta l s oh a sh i g h p r e c i s i o n w h e r et h es n ri sn o ts ob a d ，a n dc a l lr e d u c et h ec o m p u t eq u a n t u me f f i c i e n t l y , t h e s v mh a s h i 曲p r e c i s i o no f t h ef o r e c a s t & t r a c k i n gs p e e dc o m p a r e dw i t ht h em u s i c a l g o r i t h m k e y w o r d s ：a n t e n n aa r r a y , a d a p t i v ea l g o r i t h m ，s t a t i s t i c a ll e a r n i n gt h e o r y , s u p p o a v e c t o rm a c h i n e ，k e r n e lf u n c t i o n 第一章绪论 我 | - 每灭都沉没在射频无线电波的海洋之中，看不见的电磁波有不同的源头：广播塔、 蜂窝电话网平警察的无线通讯等等。这些辐射也许对人体无害，但它们会严重影响我们收发 信息。过度的无线能量也是一种污染，冈为它将破坏有用的通信。随着电子通信的t 3 茄频繁， 无线电干扰也日渐忤杂，我们环境中射频干扰信号强度的增加，使我们必须加火无线信号的 强度，才能在背景电磁噪声中将有州信号区分开来。这样阵列天线的深入研究就逐渐被提上 日程，在某些领域已经得到了广泛的应用。 阵列天线最初应州丁_ 雷达、声纳、军事方面，主要j _ l ：】米完成空间滤波和定位。在无线通 信系统中，天线是一种重要的设施。利_ j 简单的天线阵列可以实现容量的低成本增加，实施 新型的信号处理算法后，支持蜂窝通信系统的阵列天线方案能够增加每个小区站点的覆盖范 同，增强抗干扰能力，并大幅度增加容量；而在其他领域中，大家熟悉的相控阵雷达就是一 种较简单的白适应天线阵。它是由一些空分的独立天线元素组成一个天线阵列系统，这个阵 列的输山信号和收、发信机的一组多个输入相组合，提供一个综合的时空信号，这与采用同 定方式组合在一起的单个天线阵列系统的收、发信机信号相比较。阵列天线阵列系统能够动 态地凋整信号的结合方式以提高系统的性能，也正是由于这个原因，天线阵列经常被称为智 能天线，它被视为相当丁一个特性能够根据需要自动调整的天线。在阵列天线中需要确定估 计阵元之间的组合权值以尽可能地抑制干扰，增人输出信号的信干比，提高系统的性能。 近年来，随着移动通信的发展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，现代数字信号处理技术发展迅速，数字信号处理芯片( d s p ) 处理能力不断提高 利芯片价格的不断r 降，使得利用数字技术在基带形成天线波束成为可能，提高了天线系统 的可靠性与灵活程度，智能天线技术因此用丁i 具有复杂屯波传播环境的移动通信。此外，随 着移动通信州户数迅速增跃年人们对通话质鼙要求的不断提高，要求移动通信网在大容揖下 仍具有较高的话音质量。经研究发现，阵列天线可将无线电的信号导向具体的方向，产生空 间定向波束，使天线主波束对准瑚户信号到达方向d o a ( d i r e c t i o no fa r r i v a l ) ，旁瓣或零陷 对准干扰信号到达方向，达到充分高效利州移动用户信号并删除或抑制干扰信号的目的。同 时，利川各个移动j _ i j 户间信号空间特征的差异。通过阵列天线技术在同一信道上接收和发射 多个移动用户信号而不发生相互干扰，使无线电频谱的利州年i i 信号的传输更为有效。在不增 第一章绪论 加系统复杂度的情况f ，使瑚智能天线可满足服务质量利网络扩容的需要。实际上它使通信 资源不再局限丁时间域( t d m a ) 、频率域( f d m a ) 或码域( c d m a ) ，而拓展到了空间域属丁 空分多h i ：( s d m a ) 体制。由丁阵列天线能显著提高系统的性能年容龄，井增加了天线系统的 灵活性，未米儿乎所有先进的移动通信系统都将采h j 该技术。比如，在基站中，s d m a 不 断调整无线环境，为每位t 【l j 户提供优质的上 ，链路和下行链路信号。在网络中，这种先进的 基站性能可以州米增加基站覆盖范同，从而降低网络成本，提高系统容量，最终达到提高频 率利用的目的。s d m a 可以与任何空间调制方式或频段兼窖，因此具有巨大的实用价值。 美国爱瑞通信公司的i n t e l l i c e l l 技术是一种先进的智能天线技术，使用了白适应阵列信号处 理软什，即使基站在充满噪音和干扰的环境中，也能监测与保持与多个不同的_ i = i 户的通信连 接，从而实现空分多址的效果。阵列天线麻h | 广泛，它在提高系统通信质最、缓解无线通信 日茄发展与频谱资源不足的矛盾、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。 1 1天线的物理学原理 要了解阵列天线，先要了解比较“笨拙”的普通天线的工作原理。射频天线将发射机产 生的电流和电压信号转变为电磁波并将之发射出去，同时天线也能截取这些电磁波并将之转 化为接收机能处理的电流乖i 电压信号。最简单最常用的天线是偶极子它不过是特定长度的 能向空间全向发射能量的竖杆而已，无线电波在空中传播的过程中，强度逐渐减弱。并被空 气、树小和建筑等障碍物吸收。商用广播雨i 电视台必须向地理分布上分散的用户提供服务， 自然要进行全向广捅。而一次蜂窝电话通信通常只针对一个用户，在蜂窝网中，用户希最近 的基站进行通信，在基站里有一套天线负责处理周围区域( 称作小区) 内所有的无线业务信 号。基站按照一定的规律设立，使整个覆盖区域能划分为多个小区；用户从一个小区移动到 另一个小区时，系统能自动将通话切换到其他合适的基站。在这种情况下如果能将无线能 量集中到单个刚户身上，就像手电筒通过反射镜将光线集中成束那样，效率就会高得多。同 样的功率，集束的信号能比全向发射的信号传播到更远的地方。基站向不同用户发送的波束 在空间上是分开的，这样相互干扰也降低了。反射机能把无线电波聚焦成束，但是它们实在 是又笨重又昂贵。所以工程师们想出了许多不用反射机却能产生无线波束的办法。如果我们 并排放置两根天线，它们之间的距离是无线信号波长的- - j 1 - - ，那么从上面看f 去时，这个简 单阵列发射能量的方向幽就是8 字梨的。在垂直于阵列( 即垂直丁两根天线之间的连线) 2 第一章绪论 的两个方向，无线l 也波的传送距离将达到最人，冈为在这两个方向上h j 户能同时收到两根天 线发送的信号( 换句话说，就是两个信号是同相的) 。然而，在平行丁阵列的方向上，_ l j 户将 接收到相位相差1 8 0 度的两股信号。两股信号的波峰希l 波谷相遇之斤就彼此抵消了，【 1 此 就产生了零区，在那里将检测不到任何信号。 这种由两根天线组成的天线阵列的波束是相当宽的，而且它还将向两个相反的方向发 射。通过加入更多的天线，波束的宽度变得越米越窄。二战以来，这种类型的相阵天线被1 l i 于雷达波束的聚焦。虽然天线数i t 的增加使得波束变得更窄，同时却在主波束旁边产生了更 多的旁瓣。根据用户方向的不同，波束信号既有可能比单天线发射的信号更强( “增益”) ，也 有可能由丁抵消效应的存在变得比后者更弱( 。损失”) 。 1 2阵列天线结构 无线天线从一种介质( 如空间) 上收集电磁能量，并将它传输到另一种介质上，如有线、 同轴电缆或波导管，通过在阵列中组合单个天线的输出能量，就可以实现一套独立的天线系 统，使其具有不同于阵列中其它单个单元的接收与发送特征。由于无线的接收与发射是相反 的，所以天线可以实施具有增益的发射指示。支持接收的任何方向性模式都可适用于发射。 阵列天线由多个天线单元组成，每一个天线后接一个加权器( u p 乘以某一个系数，这个 系数通常是复数，既调节幅度义调节相位，而在相控阵雷达中只有相位可调) ，最后_ j 相加 器进行台并。这种结构的阵列天线只能完成空域处理，而同时具有空域、时域处理能力的阵 列天线在结构上相对复杂些，每个天线斤接的是一个延时抽头加权网( 结构上与时域f i r 均 衡器相同) 。上面介绍的其实是阵列天线用作接收天线时的结构，当用它进行发射时结构稍 有变化，加权器或加权网络置于天线之前，也没有相加合并器。 智能天线也是阵列天线的一种实现，该技术有两个主要分支：波束转换天线( s w i t c h e d b e a m a n t e n n a ) t t l 白适应天线阵( a a a ，a d a p t i v e a n t e n n a a r r a y ) 。天线以多个高增益的动态 窄波束分别跟踪多个期望信号，来自窄波束以外的信号被抑制。但阵列天线的波束跟踪并不 意味着一定要将高增益的窄波束指向期望用户的物理方向，事实上，在随机多径信道上，移 动川户的物理方向是难以确定的，特别是在发射台至接收机的直射路径上存在阻挡物时，_ l _ | j 户的物理方向并不一定是理想的波束方向。阵列天线波束跟踪的真正含义是在最佳路径方向 形成高增益窄波束并跟踪最佳路径的变化，充分利用信号的有效的发送功率以减小电磁干 扰。 3 第一帝绪论 1 2 1波束转换天线 如果不能指向特定的接收者，无线波束还是没有多人川途。最显而易见的解决方案就是 移动天线阵列本身，但显然这个办法是笨拙雨i 代价昂贵的。刚电子的方法米操纵波束将简便 得多。通过一种叫波束转换技术，天线阵列能产生一组相互有所交叠的波束，这些波束在一 起就能覆盖周嗣的区域。当一个移动_ i 户进行通信时，无线接收机首先确定从哪个波束方向 米的川户信号最强，然斤阵列发射机就按j c i 这个波达方向给用户“亓i 信”。如果用户从原有波 束走入另一个相邻的波束，控制系统就自动将发射和接收都切换到那个新的波束。 波束转换天线具有有限数目的、l 制定的、预定义的方向图，通过阵列天线技术在同一信 道中利州多个波束同时给多个用户发送不同的信号，它从几个预定义的、同定波束中选择其 一，检测信号强度，当移动用户越过扇区时，从一个波束切换到另一个波束。在特定的方向 上提高灵敏度，从而提高通信容量车质量。为保证波束转换天线共享同一信道的各移动j j 户 只接收到发给自己的信号而不发生串信，要求基站天线阵产生多个波束来分别照射不同州 户，特别地，在每个波束中发送的信息不同而且要互不干扰。每个波束的方向是固定的，并 且其宽度随着天线阵元数而变化。对丁移动用户，基站选择不同的对应波束，使接收的信号 强度最大。然而波束切换在现实的无线通信环境中还是不能很好地丁作。只有当用户处于波 束正中央时，波束才是最有效的。但用户信号未必在固定波束中心，当使用者楚在波染边缘， 干扰信号在波束的中央，接收效果嘏差。正如离开手电筒的光线方向就会变暗一样，一旦用 户离开波束中心，信号就会发生衰落。当崩户靠近波束的最边缘时，在系统将之切换到相邻 波束之前，信号强度会发生相当大的衰落。如果另一方向上的某个用户需要使用同一无线信 道怎么办? 如果第二个用户处于零陷方向还好，不会给前一位用户带来干扰，但是一旦他处 j ：某个旁瓣的中心，那么给他的信号将会阻塞或扭曲前一位用户的信号。波束切换系统的另 一个问题是，实际上在几乎所有的环境中，无线信号都很少沿着直接路径进行传播。我们手 机上接收到的信号通常是由多个反射信号合并而成的。反射体可能是自然或者人造的物体 ( 建筑、山脉、汽印平树木等等) 。这些发射信号还在不停地变化，特别是那些由大型车辆( 例 如巴十) 造成的。这种所谓的多径现象也会影响从手机发送到基站的信号。在波束切换系统 中，如果州户靠近波束的边缘，那么他或她所发送的信号有可能在到达天线阵列前就被反弹 到其他波束中。在这种情况下，天线阵列就有可能发送错误的波束，用户则可能完全得不到 嗣廊的信号。在实际应用中，只有波束切换系统显然是不够的。一个真正智能的天线阵列应 该能直接给移动用户一个波束，而不是选择一个相对靠近用户的波束。理想的天线阵列还必 4 第一章绪论 须能凋牿波求的方向图，将来自同一频段信道上其他州户的干扰最小化。晟厉，这种天线阵 列必须能根据川户位置和反射的迅速变化做山快速反应。这些都是为什么要引入白适应天线 阵列的原冈。因此，与白适应火线阵比较，波束转换天线不能实现最佳的信号接收。由丁扇 形火真，波束转换大线增益在方位角上不均匀分布。但波束转换天线有结孝句简单羽l 不需要判 断州户信号方向( d o a ) 的优势。波束转换天线主要用丁- 模拟通信系统。 1 2 2自适应天线阵 白适应阵列天线系统将持续监控其覆盖的范嗣，以适应不断变化的无线环境( 包括移动 刚户和干扰信号) 。在最简单的情况下( 即一个用户、无干扰) ，系统将提供有效的天线模式来 跟踪州户，为州户所在的方向提供最大的增益，从而适应州户的位置移动。空分多址的基站 绸什就是一种先进的1 3 适应阵列系统。它的实施实际上是基于对人类听力的模拟。 融入自适应数字处理技术的阵列天线是利用数字信号处理的算法去测量不同波束的信 号强度，冈而能动态地改变波束使天线的传输功率集中。应用空间处理技术( s p a t i a l p r o c e s s i n 9 1 _ e c h n o i o g y ) 可以增强信号能力使多个用户共同使用一个信道。每个天线后接 一个延时抽头加权网，可自适应的调整加权系数。这样一米同时具有时域和空域处理能力。 臼适应天线阵是一个由天线阵和实时1 3 适应信号接收处理器所组成的一个闭环反馈控制系 统，它h i 反馈控制方法自动调准天线阵的方向图，使它在干扰方向形成零陷，将干扰信号抵 消，而且可以使有用信号得到加强，从而达到抗干扰的目的。由自适应天线阵接收到的信号 被加权平合并，取得最佳的信噪比系数。采用m 个阵元自适应天线，理论上，白适应天线 阵的价值是能产生m 一1 倍天线放大，可带来l o l g m 的s n r 改善，消除扇形失真的影响， 并且它的 ，一1 倍分集增益相关性是足够低的。对相同的通信质量要求，移动台的发射功率 可减小1 0 l g f 。这不但表明可以延长移动台电池寿命或可采用体积更小的电池，也意味着 基站可以利信号微弱的_ i j 户建立正常的通信链路。对基站发射而育，总功率被分配到m 个 阵元，义由于采用数字波束形成( d b f ，d i g i t a lb e a m f o r m i n g ) 可以使所需总功率下降，因 此，每个阵元通道的发射功率大大降低，进而可使用低功率器件。采用自适应抽头时延线天 线阵对信号接收、均衡芹ij 测试很有帮助。对每一接收天线加上若干抽头延时线。然后送入锣 能处理器，则可以对多径信号进行晟佳接收，减少多径干扰的影响，从而使基站的接收信号 的信啭比得到很大程度的提高，降低了系统的误码率。 5 第一章绪论 j 适戍天线结构通常采1 l 4 - - 1 6 个天线阵元，相邻阵元间距一般取为接收信号中心频 率波氏的一、h | j _ j ：元间距过人，降低接收信号相关度；阵元间距过小，将在方向图引起不必 要的波瓣，冈此阵元f 波艮间* e 通常是优选的。白适应天线完成i l i j 户信号接收和发送可认为 是全向天线。它采州数字信号处理技术识别州户信号的d o a ，或者是主波求方向。根据不 同空间州户信号传橘方向，提供不同空间通道，有效克服对系统干扰。白适应天线主要_ l | j 丁 数字通信系统。 全1 3 适应阵列天线虽然从理论上讲可以达到最优，但相对而言各种算法均存在所需数据 耸、计算量人，信道模型简单，收敛速度较慢，在某些情况r 甚至可能山现错误收敛等缺点， 实际信道条件卜当干扰较多、多径严重、特别拦信道快速时变时，很难对某一用户进行实时 跟踪。正是在这一背景下，基于预多波束的切换波束工作方式被提出。此时全空域( 各种可 能的入射角) 被一些预先计算好的波束分割覆盖，各组权值对应的波束有不同的主瓣指向， 相邻波束的主瓣间通常会有一些重叠，接收时的主要任务是挑选一个( 也有可能是几个，但 需合并后再输出) 作为1 ：作模式，与自适应方式相比它显然更容易实现，实际上我们可将其 看作是介丁扇形天线与全1 3 适应天线间的一种技术。波束切换天线中值得研究的有以下内 容：如何划分空域，即确定波束的问题，包括数目和形状；挑选波束的准则；波束跟踪的实 现，主要指的是实现快速搜索算法等；以及切换波束与白适应波束成型的理论关系。 1 3阵列天线工作原理 上面介当f _ | 了一般天线的工作原理，有了阵列天线结构的概念之后，我们可以讨论一。f 阵 列天线的- i ：作原理了。假设满足天线传输窄带条件，即某入射信号在各天线单元的响应输山 只有相位差异而没有幅度变化，这些相位差异由入射信号到达各天线所走路线的长度差决 定。若入射信号为平面波( 只有一个入射方向) 则这些相位差由载波波长、入射角度、天线 位置分布唯一确定。给定粗加权值，一定的入射信号强度，不同入射角度的信号由于在天线 问的相1 1 i ) = 差不同，合并器后的输出信号强度也会不同。 以入射角为横坐标，对应的智能无线输出增益( d b ) 为纵坐标所作的图被称为方向图( 天 线术语) ，阵列天线的方向图不同于全向天线( 理想时为一直线) ，而更接近方向( d i r e c t i o n a l ) 天线的方向图，即有主瓣( m a i nl o b e ) 、副瓣( s i d el o b e ) 等，但相比而育阵列天线通常有较 窄的主瓣，较灵活的主，副瓣大小、位置关系，和较人的天线增益( 无线术语，天线的一项 重要指标，是最强人向的增螽与各方向平均增益之比) ，另外和固定天线的最大区别是；不 6 第一章绪论 同的权值通常对麻不同的方向幽，我们可以通过改变权值米选抒合适的方向图，即天线模式 ( a n t e n n ap a t t e r n ) 。合适的方向图是为了最人限度地放人有川信号，抑制干扰信号。最占观 的是我们可以将主瓣对准有川信号的入射方向，而将方向图中的最低增益点( 被称之为零| ；f j ) 对准干扰信号方向。当然这只是理想情况。实际的无线通信环境是很复杂的，干扰信号很多， 存在多径传输，丽天线阵元数不会很多精确的自由度，有州信号与干扰信号在入射方向上差 异可能不人等都使前面的方案并不可行，但追求最大信噪比s n r 依然是最终日标。阵列无 线的实际1 ：作原理要比上面介纠的复杂，特别是当进行空、时联合处理时，这时最好楚从信 号处理、特别是白适应滤波角度解释。 f 面介纠一f 上面提到的两类阵列天线r 作原理： 多波束天线利用多个并行波束覆盖整个用户区，每个波束的指向是固定的，波束宽度也 随天线元数目而确定。当用户在小区中移动时，基站在不同的相应波束中进行选择，使接收 信号最强。冈为川户信号并不一定在波束中心，当用户位于波束边缘及干扰信号位于波束中 央时，接收效果最差，所以多波束天线不能实现信号最佳接收，一般只用作接收天线。但是 与白适应天线阵列相比，多波束天线具有结构简单、无须判定用户信号到达方向的优点。 白适应天线阵列一般采用4 1 6 天线阵元结构，阵元间距为半个波长。天线阵元分布 方式有直线型、圆环型利平面酗。臼适应天线阵列是阵列天线的主要类型，可以完成用户信 号接收和发送。臼适应天线阵列系统采用数字信号处理技术识别用户信号到达方向，并在此 方向形成天线主波束。 现在，简要地介绍一下阵列天线如何克服无线通信中的时延扩展和多径衰落来提高系统 的性能帚j 容量。设天线阵列的不同天线元对信号施以不同的权值，然后相加，产生一个输出 信号。一般来说m 元的天线阵列可以提供m 倍的天线增益加上一个分集增茄，具体提高 的值决定于天线阵元间的相关性。 多波束天线是在一个扇区内放置多个天线来覆盖整个扇区，每个天线只覆盖一部分角度 范罔。扇区天线的另外一个优点就是在下行的波束方向可以利用上行的波束方向，这样在下 行方向也可以获得m 倍的天线增赫。但扇区天线由丁其自身的构成形式，有r 面缺点：相 邻天线之间重叠的部分由于天线增黼比较小，会有2 d b 的降低：当由于多径或干扰而错误 地锁定天线波束时，多波束天线能提供的增黼很小。 白适应天线阵列各天线元的放置形式可有多种，相邻天线元间距为一特定值。在接收信 号到达天线阵时，每个阵元上的信号经过不同的加权，然后再叠加产生一个输出信号，加权 系数和叠加可以根据不同的准则。需要注意的是，白适应天线的阵元必须具有相似的波粜， 7 第一章绪论 而在多波束天线中则没有这样的要求。与多波束天线相似，一个吖元臼适麻天线阵可以提 供肘倍的天线增茄，但它没有波求之间部分重叠的缺点。m 元白适应大线阵列可以完全抑 制n ( n m 时也可以获得很人的增益。尽管白适应天线较多 波束天线有更多优点但白适应天线计算加权系数的速度必须与衰落速率相当才能跟踪_ l f j 户。而多波束天线波束之间的切换只要儿秒钟一次即可。 白适应天线阵列刚在无线系统中一个关键问题是在视距( l o s ) 和非视m y e ( n l o s ) 情况卜 的性能筹异。在视距情况下，对接收到的信号进行加权、合并后产生一个天线图案，它的主 波求方向就指向l 1 标用户，而在其它方向上抑制干扰用户。此时若天线阵元数人于到达的 信号数，可以用信号处理中m u s i c 、e s p r i t 等现代谱估计算法来估计信号的到达角度， 这样一个阵列至少可以在h 一1 个方向上形成方向图零点。在非视距情况下，无线信号的到 达经由了多次反射并i i 多个途径( 两条不同路径之间的相对时延人的必须作为两条独立的路 径) 。白适应天线在多径环境的一个重要特点就是能够抑制干扰用户而不管其到达的方向， 也就是说，即使干扰用户雨l 所有州户只相距儿英寸，自适应天线阵也能抑制干扰用户。这是 由于在多径环境中天线周围的物体就是一个巨大的反射天线，使得接收天线阵列能够区分不 同_ j 户的信号。特别是若接收阵元间距足够大，阵列能够形成比扩展角度小的波束。能够区 分的信号数随天线阵元数、角度扩展，在扩展角度内多径反射密度的增加而增加。从这个意 义上来说，多径是一个有利的因素。但由于时延扩展，1 3 适应天线把时延信号作为干扰信号 而进行抑制。m 元的白适应天线可以抑制m 一1 时延信号，这是一个很不利的因素。为了 充分利用接收到的信号，我们可以在每个天线阵元上加一个时域的处理，比如自适应均衡或 r a k e 接收，然后冉进行自适应波束形成。 1 4阵列天线算法 阵列天线技术研究的核心是波束赋型的智能算法。智能算法决定瞬时响应速率和电路实 现的复杂程度，因此重要的是选择较好算法实现波束的智能控制。通过算法自动调整加权值 得到所需空间和频率滤波器的作用。从是否需要参考信号( 导频序列或导频信道) 的角度来划 分，这些算法可分为盲算法、半盲算法和非盲算法三类。 非盲算法是指须借助参考信号的算法。由丁发送时的参考信号是预先知道的，对接收到 的参考信号进行处理可以确定出信道响应，再按一定准则( 如著名的迫零准则z e r of o r c i n g ) 确定备加权值，或者直接根据某一准则白适应地调整权值( 也即算法模型的抽头系数) ，使输 8 第一蕈绪论 山误差尽量减小或稳定在可预知的范同内，井使阵列大线输山与已知输入最人相关。常川的 相关准则有m m s e ( 最小均方误差) 和r l s ( 递门最小二乘) 等等；而1 3 适应调整则采取最优化 方法，最常见的就是最人梯度r 降法。 盲算法则无须发送参考信号或导频信号，而是充分利川调制信号本身闹有的、与具体承 载信息比特无关的一些特征( 如恒包络、子空间、有限符号集、循环平稳等) 米调整权值以使 输山误差尽龉小。常见的算法有常数模算法( c m a ) 、子空间算法、判决反馈算法等等。常数 模算法利州了调制信号具有恒定的包络这一特点，具体又分最小二乘c m a 算法、解析c m a 算法、多目标l s - - c m a 算法等；子空间算法则将接收端包含有其它用户干扰及信道噪声的 、混合空间划分为信号子空间雨l 噪声子空间，对信号子空间进行处理；判决反馈算法则由收端 白己估计发送的信号，通过多次的迭代，使阵列天线输山向最优结果不断逼近。 非亩算法相对盲算法而言，通常误差较小，收敛速度也较快，但发送参考信号浪费了一 定的系统带宽。为此，学者们又发展了半盲算法，即先刷非盲算法确定初始权值，再用亩算 法进行跟踪和调整。这样做方面可综合二者的优点，一方面也是与实际的通信系统相一致 的，因为通常导频信息不是时时发送而是与对应的业务信道时分复t | = i j 的。 本文将在斤面的章节中对上述的算法进行详细讲解，并在此基础上引出机器学习中的一 种新型算法支持向量机，结合阵列天线的阵列结构，对支持向量机在天线对信源定位问 题进行了仿真。 1 5阵列天线的优点与应用 在无线电通信领域，智能天线有诱人的前景。阵列天线的优越性在于自身可以分析到达 无线阵列的信号，灵活、优化地使用波束，减少干扰羽i 被干扰的机会。可以明显改善无线通 信系统的性能，提高频谱利j = l = | 率以达到提高系统的容量，扩火小区的昂大覆蔫范围，减小移 动目标的发射功率，减少干扰，提高信号的质量并增大了传输数据速率。这就是自适应天线 阵列的智能化，它体现了自适应、白优化和白选择的概念，对当前移动通信系统的完善起到 重人的推动作鹏。阵列天线虽然从理论上讲可以达到最优，但要实现理想的智能的天线，还 需要许多问题有待研究解决。阵列天线研究值得关注的有以f r 容：阵列天线的接收准则及 1 3 适应算法；宽带信号波束的高速波束成形处理：用于移动台的智能天线技术；智能天线实 现中的硬1 1 技术；智能天线的测试平台及软件无线电技术研究等方面。 与传统的蜂窝网络相比，采用白适应天线阵列的无线网络具有很多优点。对丁同样的功 9 第一章绪论 率，由丁装备有白适应阵列的基站的覆盖范同比背通基站人得多，冈而覆盖同样的区域，所 需基站的数培也相应减少。堪管白适应阵列可能比传统的天线更昂贵，但基站数日的减少能 急剧降低设备平运营无线网络的成本。在某些通信拥挤的区域，有时候同时迸发的信号苗超 过了系统中有限数目的无线信道所能承载的数量。由丁自适应阵列允许同一基站覆盖范嗣内 的一些h 户同时使州同一无线信道，冈此就增加了频谱的容量。相对于普通天线而言这种改 进比较显著：对语音业务配备有白适麻阵列的基站的用户容量提高了6 倍；对丁数据业务， 这。数字更是高达4 0 倍。采用白适应天线阵列的结果是更好的服务雨i 更少的干扰，除此之 外还有较少的能精浪费和射频污染。 白适应天线在某些国家已经获得的商业廊_ | = j 。在日本、中国、泰国以及亚洲和非洲的其 他一些地，已有超过1 5 万的基站装备了使用爱瑞公司技术的天线阵列，为总计超过1 5 0 0 万人提供l h 话服务。自适应阵列在美国币i 欧洲的商业席州进展得相对比较缓慢，这要部分归 咎丁电信业不景气所导致的对蜂窝网络新投资的削减。但是还是有一家美国制造商( 佛罗里 达州蒙特利尔的a i r n e t 公司) ，正在生产使用爱瑞公司技术的蜂窝基站。 白从上个世纪9 0 年代末电信业就开始欢呼无线因特网的到来。虽然新网络的发展速 度并不像预期的那样快，但还是在逐步取得迸展。随着无线运营商对3 g 网络的继续追求， 其他的公司也正在提供多种有竞争力的高速数据传输解决方案，其中有些解决方案就采用了 智能天线井能在现有网络中使用。一个采用了爱瑞公司技术的数据网络正在澳火利亚悉尼运 营着，类似的网络很快将在美国利韩国建立。美国德州n a v i n in e t w o r k 公司开发的自适应 阵列，正在接受一些无线运营商的测试。一些大型电信设备制造也准备在它们的下一代产品 中采删智能天线技术。 第二章阵列天线的算法 阵列天线技术研究的核心是波束赋型的智能算法。智能算法决定瞬时响应速率和电路实 现的复j 2 程度，网此重要的是选择较好算法实现波束的智能控制。通过算法臼动调整加权值 得到所需空间和频率滤波器的作h j 。从是否需要参考信号( 导额序列或导频信道) 的角度来划 分，这些算法可分为盲算法、j r 盲算法和非盲算法三类。 1 f 盲算法是指须借助参考信号的算法。由于发送时的参考信号是预先知道的，对接收到 的参考信号进行处理可以确定出信道响应，再按一定准则( 如著名的迫零准则z e r of o r c i n g ) 确定各加权值，或者直接根据某一准则白适应地调整权值( 也即算法模型的抽头系数) ，使输 山误差尽量减小或稳定在可预知的范围内，井使阵列天线输出与己知输入最人相关。常用的 相关准则有最小均方误差( m m s e ) i 最小二乘( l s ) 等等；而自适应调整则采取最优化方法， 最常见的就是最人梯度下降法。 盲算法则无须发送参考信号或导频信号，而是充分利用调制信号本身周有的、与具体承 载信息比特无关的一些特征( 如恒包络、子空间、有限符号集、循环平稳等) 来调整权值以使 输山误羞尽量小。常见的算法有恒模算法( c m a ) 、子空间算法、判决反馈算法等等。常数模 算法利用了调制信号具有恒定的包络这一特点，具体又分最小二乘c m a 算法、解析c m a 算法、多目标l s c m a 算法等；予空问算法则将接收端包含有其它用户干扰及信道噪声的 混合空间划分为信号子空间年l i 噪声子空间，对信号子空间进行处理；判决反馈算法则由收端 自己估计发送的信号，通过多次的迭代，使阵列天线输出向最优结果不断逼近。 非盲算法相对亩算法而言，通常误差较小，收敛速度也较快，但发送参考信号浪费了一 定的系统带宽。为此，学者们又发展了半盲算法，即先用非盲算法确定初始权值，再_ l = j 盲算 法进行r 踪和调整。这样做一方面可综合二者的优点，一方面也是与实际的通信系统相一致 的，因为通常导频信息不是时时发送而是与对应的业务信道时分复用的。 2 1 非盲自适应算法 在最优波束形成技术中，要确定使代价函数虽小的权向量。通常代价函数与阵列输出端 的信号质量成反比，因此当代价函数晟小时，阵列输出端的信号质量最优。通信系统中最常 _ h j 的1 f 盲算法相关准则是最小均方误差( m i n i m u mm e a ns q u a me r r o r 。m m s e ) 平最小二乘 f l e a s ts q u a r e ，l s ) 。 第一章阵列灭线的算法 2 1 1 最小均方误差( m m s e ) 准则 当信源处丁：移动状态，从而引起无线信道的时变列，我j 采州白适应空间滤波来跟踪信 源。如果有d 个信号入射到阵列上，则m 一元阵列上每个阵元的输入数据可表示为d 个入 射波形与噪声的线性组合。即： “( f ) = 艺a ( 氟) 吨( f ) + ( f ) i e 【1 ，m 】 j l ! l jm 一元阵列输入数据向昔可表示为 舀( f ) _ 【五( 破) 厅( 唬) 面( 九) 卜! ls l ( f ) 勤( ，) ( 2 1 ) + 亓( f ) = j i o ) + 元0 )( 2 2 ) 式中，i 7 ( ，) = 【5 ( f ) s 2 ( f ) 】为1 d 的入射信号向量，n ( t ) = 【亓l ( f ) n 2 0 ) ( f ) 】是 m d 的噪声向量，五( 痧) 是对应于第，个信号的波达方向的m x l 的阵列导引向量，而导 引向量矩阵_ = i ( 妒) 具有m d 的特殊结构，j ( 妒) = 陌( 破) ，a ( 破) ，打( 九) 】输入数据向量 ( f ) = 【( ，) “2 ( f ) “ ( f ) 】具有l m 结构，则阵列输出可以表示为 m j ，( f ) = 田“( f ) = ( 2 - 3 ) 式中，函8 ( f ) = i o n ( t ) 劬( ，) n k ( f ) 】为输入数据与输出数据之间的1 x m 传输向量。 令d ( f ) 为“所 9 望的信号”，并定义误差信号 占( f ) = d ( t ) 一y ( t ) = d ( t ) 一面7 ( f 归( f ) 构造输入数据向量面( f ) 相关矩阵为 j i = 研霸( f ) 西”( f ) 构造输入数据向量厅0 ) 和d ( f ) 间的互相关向量 则其代价函数就有： 芦= e 【厅( f ) d ：( r ) 】 ( 2 - 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) 1 2 第一二章阵列天线的算法 j ( 面) = e 占2 ( f ) ) = e j 2 0 ) ) 一2 芦7 面+ 面五西 ( 2 - 7 ) 这表明均方误著是权系数向罐西的：次函数，它是一个中间向f 凹的抛物面曲面， 是具有唯一最小值的函数。最小均方著法( m m s e ) 是将阵列输山与期望信号d ( f ) 之著最小 化。调仃权系数向鼙面使均方误筹最小，相当r 沿抛物面f 降找最小值。 将( 2 7 ) 式对权系数向量面求导数，得到均方误差函数的梯度： w c 一嘶) ) - 掣，掣卜胛孟面陋e ， 令w ( 面) = 0 ，即可求得阵列天线的最佳权系数向量： 氟= r 。西 l ( 2 - 9 ，1 因此最小均方误差为： e 扛2 ( ，) k 。= 曰p 2 ( r ) 一p 7 西( 2 - l o ) 当五非奇异时，也即( 2 9 ) 式中的噪声分量方差非零时，( 2 - 9 ) 式有解，且称为正规方程 的直接解。假设相关矩阵非奇异，这也是绝大部分真实环境的情形。因为订是均值为零的随 机过程，五有时也叫空间协方差矩阵。m m s e 方法非常有用，因为这样就可以在空间滤波 中采用随机系统理论和经典最优滤波的强人技术。另外，由于不可能直接使用集平均，推导 基于m m s e 准则导出的臼适应算法时通常必须做各态遍历平平稳过程的假设。基丁i m m s e 准则导山的臼适应算法的一个例子就是晟小均方( l m s ) 算法。 利t 【_ j ( 2 9 ) 式求最佳权系数向摄面的精确解需要知m r 和芦的先验统计知识，而且还需 要进行矩阵求逆等运算。w i d r o w 1 1h o f f 提出了一种在这些先验统计知识都未知时求西的近 视值方法，习惯上称为w i d m w - h o f fl m s 算法，这种算法的根据是最优化方法中的最速下 降法( s t e e p e s t - d e s c e n t a l g o r i t h m ，s d a ) ，它是随机梯度法利用m m s e 法则给出的一个迭 代更新解，其权系数更新公式为： 面( f + 1 ) = 面( f ) - a v d ( 面( o ) 2 【 2 - 1 1 ) 式中，“是一个控制收敛速度与稳