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太原理工大学硕士研究生学位论文 f d d 系统中基于d o a 估计的下行波束形成技术研究 摘要 智能天线技术是第三代移动通信系统中的关键技术之一。智能天 线技术引入了空分多址( s p a c ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，s d m a ) 方式， 利用信号不同的空问传输路径，可以将相同频率、相同时隙、相同地 址码的信号区分开来，并能够与其他多址技术相结合，使得通信资源 由时间域、频率域和码域扩展到了空间域，从而有效地增大了系统容 量，最大限度地利用了有限的频谱资源。在频分双工( f d d ) 系统中， 由于上、下行载波的频率差大于相干频带，上、下行信道衰落是不相 关的，而且阵列响应也与信号的载波频率有关，因此，上行信道不能 直接用来估计下行信道，故智能天线应用于下行链路是一个难点。但 是，如果上、下行载波频率间隔不是太大，下行波束形成可以利用上 行链路的d o a 信息来实现。本文选择智能天线中d o a 估计算法进行 研究。 本文主要工作概括如下： 1 建立上下行链路信道模型，据此获得f d d 系统中d c c m 的计 算公式。 2 m u s i c 等高分辨率算法在估计d o a 时需要进行协方差矩阵的 太原理工大学硕士研究生学位论文 特征分解运算，但是传统的矩阵特征分解方法计算量都非常大，不适 合实时运算。另外，m u s i c 算法不能很好地估计出弱信号的d o a ，通 过仿真结果证明确实是这样。 3 本文提出了基于改进p c a 的d o a 估计方法，在原有m u s i c 算法的基础上引入了迭代估计信号子空间的方法，代替了原算法中通 过特征值分解获得信号子空间的部分。仿真表明，本文提出的算法在 估计弱信号时性能比较好，而且与m u s i c 算法相比，计算复杂度有所 降低，这可以从学习曲线上看出。 4 在d o a 估计的基础上，本文首先综合了文献 4 7 - 5 0 中的主要 思想，然后对其进行了详细的数学推导，之后，据此得到了下行发射 波束形成的初始权值。在此基础上以最小化阵列发射功率为目标对初 始权值进行优化得到了优化权值。最后通过仿真验证比较了初始权值 和优化权值应用于下行波束赋形对方向图的影响。 关键词：智能天线，m u s i c 算法，改进p c a ，下行波束形成技术 太原理工大学硕士研究生学位论文 r e s e a r c ho nd o ae s t i n “m o n b a s e dd o w n l i n kb e a 伍o r a n g t e c h n i q u e s f o rf d ds y s t e m 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 ek e yt e c h n o l o g i e so ft h et h i r d g e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m a n d i ti n t r o d u c e ss p a c ed i v i s i o n m u l t i p l ea c c e s s ，w h i c h l a k e s u s eo fd i f f e r e n tt r a n s m i s s i o n p a t h so f d i f f e r e n ts i g n a l st od i f f e r e n t i a t et h es i g n a l sf r o mt h es a m ef r e q u e n c y , t h e s a u l et i m es l o ta n dt h e , s a m ec o d e m o r e o v e r , s p a c ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s c a na l s ob ec o m b i n e dw i t ho t h e rm u l t i p l ea c c e s st e c h n o l o g i e s ，s u c ha st i m e d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，a n ds oo n s m a r t a n t e n n at e c h n o l o g ym a k e st h er a n g eo fc o m m u n i c a t i o nr e s o u r c ee x t e n d f r o mt i m er e g i o n , f r e q u e n c yr e g i o na n dc o d er e g i o nt os p a c er e g i o n t h u s s m a r ta n t e n n ac a nr e m a r k a b l yi n c r e a s et h ec a p a c i t yo fc o m m u n i c a t i o n s y s t e m ，a n ds u f f i c i e n t l ye x p l o i tl i m i t e df r e q u e n c ys p e c t m mr e s o u r c e i na l l f d dw i r e l e s ss y s t e m ，t h ed u p l e xs p a c i n gb e t w e e nu p l i n ka n dd o w n l i n ki s l a r g e rt h a nt h ec o h e r e n c eb a n d w i d t ho ft h em o b i l er a d i oc h a n n e l , t h u st h e u p l i n ka n dt h ed o w n l i n ks m a l l s c a l ef a d i n gi su n c o r r e l a t e d m o r e o v e r , t h e a r r a yr e s p o n s ei sc o r r e l a t e dw i t ht h ef r e q u e n c yo f t h es i g r 珀dc a r r i e r s oi ti s i m p o s s i b l et or e s u et h eu p l i n kw e i g h t sf o rd o w n l i n kb e a m f o r m i n g a sa r e s u l t , t h ea p p l i c a t i o no fs m a r ta n t e n n af o rt h ed o w n l i n ki sad i f f i c u l t i i i 太原理工大学硕士研究生学位论文 p r o b l e m h o w e v e r , i ft h ed u p l e xs p a c i n gb e t w e e nt h eu p l i n ka n dt h e d o w n l i n ki s n t l a r g ee n o u g h t h eu p l i n kc h a n n e lp a r a m e t e r s l i k et h e d i r e c t i o n s o f - a r r i v a lc a nb eu s e df o rt h ed o w n l i n kb e a m f o r m i n g t h i sp a p e r p l a c e si t si m p o r t a n c eo nt h er e s e a r c ho f d o a e s t i m a t i o na l g o r i t h m s t h em a j o rw o r k so f t h i sp a p e rc a nb es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： 1 t h i sp a p e re s t a b l i s h e st h eu p l i n ka n dd o w n l i n kc h a n n e lm o d e l a c c o r d i n g t ot h i sm o d e l ，i tk n o w sh o wt oc a l c u l a t ed c c m 2 m a n yh i g hr e s o l u t i o ns u b s p a c e - b a s e dm e t h o d sl i k em u s i ca n d e s p r i te s t i m a t et h ed i r e c t i o no fa r r i v a lo fp l a n ew a v e si m p i n g i n go na l l a n t e n n aa r r a yv i ae i g e n d e c o m p o s i t i o ni na r r a ys i g n a lp r o c e s s i n g h o w e v e r , i i i g hc o m p u t a t i o n a lb u r d e nf o re i g e n d e c o m p o s i t i o nm a k e st h e mu n s u i t a b l e f o rr e a lt i m ep r o c e s s i n g m o r e o v e r ，m u s i ca l g r i t h o mc a n te s t i m a t ew e a k s i g n a l sv e r yw e l l ，a n di ti sv e r i f i e dt h r o u g ht h es i m u l a t i o n ”： 3 t 址sp a p e rp r e s e n t sad o ae s t i m a t i o nm e t h o db a s e do nan o v e l p r i n c i p a lc o m p o n e n ta n a l y s i st e c h n i q u e i ti n t r o d u c e sa ni t e m t i v ea p p r o a c h f o re s t i m a t i n gt h es i g n a ls u b s p a c et om u s i ca l g o r i t h m , w h i c hs u b s t i t u t e s t h es t e p st h a to b t a i ns i g n a ls u b s p a c ev i ae i g e n d e c o m p o s i t i o ni no r i g i n a l a l g o r i t h m s 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 da l g o r i t h mh a sb e t t e r p e r f o r m a n c et h a nm u s i ca l g o r i t h mw h e ne s t i m a t i n gw e a ks i g n a l sa n di t s c o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t yi ss m a l l e r , w h i c hc a nb es e e nf r o mt h el e a r n i n g c u r v e s 4 o nt h eb a s i so fd o ae s t i m a t i o n ，t h i sp a p e ri n t e g r a t e st h em a i n i d e a si nl i t e r a t u r e s 【4 7 5 0 】f i r s t l y , a n dt h e nd e d u c e st h e mi nd e t a i l ，a f t e rt h a t t h i sp a p e ra c h i e v e st h ei n i t i a lw e i g h ta c c o r d i n gt ot h o s er e s u l t sd e d u c e d b a s e do nt h e s ew o r k sf i n i s h e db e f o r e ，a i m i n gt om i n i m i z et h ea r r a y t r a n s m i s s i o np o w e r , i to p t i m i z e st h ei n i t i a lw e i g h ta n dg a i n so p t i m i z e d t v 太原理工大学硕士研究生学位论文 w e i g h t i nt h ee n d , t h r o u g ht h es i m u l a t i o nt h i sp a p e rc o m p a r e st h e i re f f e c t s o nt h eb e a mp a t t e mw h e ni n i t i a lw e i g h ta n do p t i m i z e dw e i g h ta r eu s e df o r t h ed o w n l i n kb e a m f o r m i n g k e yw o r d s ：s n l a r ta n t e n n a , m u s i ca l g o r i t h m , n o v a lp c aa l g o r i t h m , d o w n l i n kb e a m f o r m i n g t e c h n i q u e v 声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：型验鱼型兰 日期： 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) o 日期： 日期： 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论 人类社会的发展建立在信息交流的基础上，而通信技术使人们克服了距离上 的障碍，得以迅速准确地传递信息。可以毫不夸张地说，通信是推动社会文明进 步与发展的巨大动力。从使用人力、马力、烽火台等原始的通信手段传递信息到 现在无处不及的国际互联网，人类的通信手段取得了巨大的进步。现在的通信网 已不再是单一的电话网或电报文字通信网，而是一种综合性的、为各种信息服务 的通信网。其中，个人移动通信以其不受时间和空间的限制，交流信息机动灵活， 迅速可靠等特有的优势而备受关注。据资料统计，目前全球的无线通信业务正在 。 。：。 。 以4 0 的速度增长。以我们国家为例，1 9 8 7 年至2 0 0 0 年的十余年间，我国移动通 信用户总数以年均1 0 0 的增长速率迅猛发展，截至2 0 0 5 年底，移动通信客户数 达到了2 4 6 亿，而到2 0 0 6 年6 月底，我国移动通信总用户数已增长到了2 7 4 亿， 其规模超过了美国，成为世界上客户数量和网络规模最大的移动通信运营企业。 与世界上移动通信普及率最高的国家相比，我国移动通信的发展潜力巨大，特别 是随着第三代无线移动通信及个人移动通信网等新技术的出现与发展，大幅度提 高通信容量以满足日益增长的用户需求就成为必然。 大幅度提高通信容量的另一面又带来了有限的无线资源面临着通信数据大爆 炸的困境，因此迫切需要一种能提高系统容量和通信质量的新技术，这是引入智 能天线技术的客观环境。智能天线技术在某种程度上来说，对这些不足之处都有 一定的改进效果，因此吸引了很多人对它进行研究。 智能天线的概念源于军事上雷达和声纳系统中所采用的阵列天线。八十年代 以后，随着低成本高性能的数字信号处理器日新月异的发展，阵列天线得以应用 太原理工大学硕士研究生学位论文 于商用的蜂窝和卫星移动通信系统中。阵列天线根据波束形成方式的不同，可划 分为模拟波束成形和数字波束成形两神类型。模拟波束成形一般可用于中频、射 频直接成形，实现技术难度大，精度低。而数字波束成形，则是在中频以下采用 现代数字信号处理技术来实现，实现方便、精度高。移动通信中的智能天线就属 于数字波束成形这一类，它是在微波技术、自动控制理论、自适应天线技术、数 字信号处理( d s p ) 技术和软件无线电技术等多学科基础上综合发展而成的一门新 技术。 那么什么是智能天线? 一个简单的定义就是，该系统能够利用多个天线阵元 的组合进行信号处理，自动调整发射和( 或) 接收方向图，以针对不同的信号环 境达到最优性能。广义地说，智能天线是一种天线和传播环境、用户和基站之间 t ， ” 的最佳空间匹配的通信。 ：t， 直观地类比一下。如果我们闭上眼睛，和走来走去的同伴交谈，会发现即便 ，：，； 不用看，也能确定同伴的位置。这是因为声音到达双耳的时间和方向不同，我们 ；j ： 的耳朵就是两个声音传感器，而我们的大脑就是特殊的信号处理器，可以进行大 量的计算，识别信息，从而得出说话者的位置。如果我们有4 个或8 个耳朵，自 然能更精确地得到信号信息。自适应天线系统的原理也是如此，不过使用的是天 线而不是耳朵，天线不仅能“昕”，还可以“说”，自适应天线系统通过判断信号 的到来方向，可以向该方向做出应答。如果另外的同伴加入谈话，我们体内的信 号处理器还能屏蔽掉不希望接收的噪声( 干扰) ，而集中注意力，在同一时刻只与 一方交谈。复杂的自适应天线系统也应具备类似的能力，能够区分期望信号和非 期望信号1 1 。 智能天线( s m a r ta n t e n n a 或i n t e l l i g e n ta n t e n n a ) 是一种自适应阵列天线，所 以它也具有上述天线的“听”、“说”能力。智能天线的“听”就是它所具有的 上行接收信号的能力，而相应的“说”指的是其下行发射信号的能力。 智能天线的原理是将无线电的信号导向具体的方向，产生空间定向波束，使 天线主波束对准期望用户信号到达方向d o a ( d i r e c t i o no f a r r i v a l ) ，旁瓣或零陷对 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 准干扰信号到达方向，达到充分高效利用移动用户信号并删除或抑制干扰信号的 目的。 波束形成( d i g i t a lb e a m f o r m i n g ，d b f ) 是智能天线技术的核心，它可分为上 行波束形成和下行波束形成两类。上行波束形成的目的是使基站接收尽可能多的 通信用户信号和尽可能少的干扰信号，下行波束形成的目的则是使通信用户接收 的有用信号尽可能地多，干扰信号尽可能地少。通过向目标用户发射尽可能强的 信号，面向其他用户发射尽可簏弱的信号，在下行链路使用智能天线代替全向天 线可以在减小信道衰落的同时达到抑制多址干扰的目的，从而降低基站的发射功 率，提高系统容量，在改善系统性能上起到不可忽视的作用。 目前智能天线主要应用于基站端的收发，这是因为移动台特别是手机由于受 女” 、 + 到体积、电源等方面的限制，难以实现智能天线的应用。智能天线上行接收技术 。的研究起步早，已有大量文献报道了智能天线在上行信道的一些算法及容量分析， + 因而相对比较成熟，比较容易实现；而下行链路的波束形成研究还存在一些瓶颈， 7 主要问题是智能天线在设计下行发射波束时很难准确获知下行信道的特征信息， 1 而理想的工作模式应是与信道瞬时特性相匹配的。 在实际中，基站使用阵列天线发射，移动台使用单天线接收。在时分双工 ( 1 d d ) 系统中，只要满足一定的条件，则可以认为上、下行的信道特性变化不 大，自适应上行波束形成的权值可以直接用于下行波束形成；然而，在f d d 系统 中，上、下行载波的频率差大于相干频带，上、下行信道是不相关的，而且阵列 响应也与信号的载波频率有关，因此，上行信道不能直接用来估计下行信道，故 智能天线应用于下行链路是一个难点。但是，如果上、下行载波频率问隔不是太 大，下行波束形成可以利用上行链路的d o a 信息来实现。 智能天线是第三代移动通信的基础，是目前在移动通信中刚刚涉及或尚未涉 及的处女地，是进一步提高移动通信系统容量和质量的最大希望所在，有着诱人 的前景。智能天线虽然从理论上讲可以达到最优，但要实现理想的智能天线，还 需要许多问题有待研究解决。所以本课题选择了研究智能天线在下行链路的应用。 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 2 研究目的及意义 智能天线是第三代移动通信( 3 g ) 中实现空域信号处理的关键物理层技术。 图l 1 列出了智能天线应用于移动通信系统所带来0 0 - - = 蜊，归纳起来有以下几 个突出的优点 2 - 3 1 。 厂磊磊品_ 、厂赢磊赢、 j 墨堡坠国_ 兰丝生 i 智能天线l ， r 磊罚巡到厂磊忑、 i 、7 一 图1 1 智能天线的优点 f i g 1 1t h em e r i t so f s m a r ta n t e n n a s 1 2 1 支持新的增值业务 从业务的角度来看，话音业务在我国始终是移动通信中最主要的业务。使用 智能天线来实时监测电磁环境及用户情况，可以提高网络的管理能力和承载能力， 从而为运营商提供更多的增值业务，如短消息业务、因特网业务、多媒体业务等。 从发展趋势上来看，第一代和第二代蜂窝移动通信以提供话音业务为主，只 满足各国及部分区域性漫游，这已经不能满足发展需求；第三代移动通信应能提 供更广泛的业务，尤其是图、文、声、像的多媒体业务和高速因特网接入业务等， 并能提供全球漫游。因此，第三代移动通信系统应是智能移动通信系统，电磁辐 射小，能提供2 m b i t s 甚至更高的信息传输速率。具有兼容和扩展能力 2 1 。 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 2 2 智能越区切换 越区切换是根据基站接收的移动台功率电平来判断的，而阴影效应和多径衰 落常导致错误的跨区转接，增加了网络管理的负荷和用户的呼损率。在相邻小区 应用智能天线技术，可以实时地测量和记录移动台的位置和速度，为越区切换提 供更可靠的依据叫。 1 2 3 增大覆盖范围 当基站和移动台的输出功率保持不变时，智能天线可以通过增加基站输出的 增益来扩大覆盖范围，这一点可以从式( 1 - 1 ) 看出。 0 = 只+ g ：+ g ；一p ( 1 1 ) 其中，0 为基站的接收功率，霉为移动台的发射功率，色为移动台处天线的增益， q 为基站处天线的增益，咒为路径损耗。在上行链路中，如果基站要求的接收功 率为只。i 矗，则通过提高基站处天线的增益g ，链路可以容许有较大的路径损耗 尸三，而兕又是覆盖范围的增函数，因此应用智能天线可以得到更大的覆盖范围【3 】。 1 2 ，4 增加系统容量 由式( 1 - 1 ) 还可以看出，对于相同的覆盖范围，相对于传统系统来说，使用 智能天线系统的基站和移动台都只需要更小的发射功率，这样就可以延长移动台 电池的待机时间。功率减小对于c d m a 这样的接入方式来说，意味着可以同时接 入更多的用户。更为重要的是，智能天线可以通过空间滤波，利用用户的空间信 息，对占用相同频率、相同时隙或相同地址码的信号用信号不同的空间传输路径 来区分，使不同用户共享同一频谱资源，即通过实现空分多址在现有的频谱资源 里增加系统的容量。另外，空分多址还可以和其他多址技术相结合，最大限度的 利用有限的频谱资源【3 j 。 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 2 5 改善频谱效率 在c d m a 系统中，频谱效率、信道容量及误码率是衡量系统性能的重要参数。 频谱效率指的是分配了一定频谱的系统所能处理的通信业务量。在性能不受损的 情况下，移动通信系统中用户的增加可以使频谱效率提高。信道容量指的是一个 给定带宽的信道所能支持的最大数据率。信道容量提高，可以增加确定数据率的 用户，意味着更高的频谱效率。t d m a 和c d m a 比标准的f d m a 有更高的信道 容量，允许将不同的时间片和码片分配给不同的用户，容量可提高5 到l o 倍嗍。 如果采用智能天线并将其信号合成，可进一步提高容量。因为对共信道干扰和多 径衰落的抑制可以提高服务质量，增加用户数量，所以智能天线的使用可以在保 持服务质量的前提下增加用户数量。另外，智能天线可以通过形成多波束来获得 额外信道，而不需要分配额外的频谱，从根本上增加了频谱效率。 1 2 6 有效分配动态信道 在移动通信中，信道通常是被固定分配的。信道分配取决子终端的位置和小 区中的可用信道量。当终端越过边界时，则被分配给一个新的信道。一个小区的 信道数基本固定，利用阵列天线，可以实现小区边界的改变，从而根据通信量的 变化要求分配每个小区中信道的数量 4 1 。 1 2 7 抑制干扰 在无线传输信道中，多径干扰和共信道干扰会引起信号衰减、时延扩展等问 题。阵列天线具有空间滤波的功能，在接收模式和发射模式下都可以用来减少共 信道干扰。这是因为在两种模式下天线均能形成定向波束，使发射能量集中在很 小的区域内，而在其它方向的干扰会很小，当波束数量增加时，共信道干扰将会 降低。 第三代移动通信主要实现方案有i m t - 2 0 0 0 d s 的w c d m a 和i m t - 2 0 0 0 m s 的 c d m a 2 0 0 0 以及中国的t d s c d m a 。正是由于智能天线具备上述优点，它已经被 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 列为第三代移动通信系统的关键技术之一，而且我国的t d s c d m a 已经正式宣布 要采用智能天线体制，其他两个也均将智能天线列入规划，并作为主要的后备技 术。三种实现方案中，w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 均采用上、下行间频率双向、双工 的f d d 方式，且上、下行频段间相差9 0 m h z ，这己远远超过信号的相关区间，也 就是说，收发信号的衰落是完全独立的，从而不能利用上行信号的衰落特性来估 计下行衰落特性嘲。 在传统的c d m a 理论中，认为上行链路是系统容量受限的主要因素，其理论 分析的重点也主要放在上行链路上，对下行链路情况的分析相对较少。但在第三 代移动通信系统中，高速数据、多媒体业务可能出现在下行信道中，考虑到这种 非对称需求，下行链路往往是系统容量受限的主要方向。因此，笔者认为研究f d d 模式下的下行链路波束形成对于实践具有十分重要的指导意义。 1 3 国内外研究现状 1 9 5 9 年，v a n a t t a 提出了自适应天线阵列的概念，到目前已经历了4 0 余年的 发展历程，这4 0 余年大体可以划分为4 个阶段：前l o 年集中在自适应波束主瓣 的控制上；第二个l o 年主要集中在自适应零陷控制上；第三个1 0 年则主要集中 在空间谱估计上；近l o 年来则主要集中在结合移动通信的智能天线实现技术上【5 j 。 对于一个完整的智能天线系统要进行理论探索包含5 个方面的内容：波达方 向的多用户检测、波束变换的优化准则、数字波束形成、上行链路以及下行链路。 这5 个方面不是相互独立的，而是相互联系的，本文主要研究波达方向d o a 及下 行链路两方面。 目前，对f d d 系统下行链路波束形成的解决方案通常有两种：( 1 ) 信道反馈 法m 基站周期性地通过下行链路向移动台发射测试信号，移动台测试其响应并 通过上行链路将信息反馈回基站，基站根据反馈信息可以确定最佳下行链路加权 系数。根据这样的思想，仅可以由基站向移动台发射测试信号，而且应使用下行 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 链路的频率，否则难以在现行标准下使用。这一方案对f d d 方式虽切实可行，却 存在着占有系统资源、产生附加延时、受上行信道干扰等缺点。( 2 ) “返向”发射 法( 基于d o a ) 8 - 9 1 。对于f d d 系统来说，由于上、下行链路采用不同频率，一 般有4 5 或8 0 m h z 的保护间隔，因此信道受频率选择衰落各不相同，这样，根据 上行链路计算得到的权值不能直接应用到下行链路中，需要单独计算，此时，d o a 就是下行波束形成的唯一依据，因为即使上、下频段相差甚远，入射、出射角仍 基本上相等，这时利用上行信道的入射、出射角来估计下行信道的入射、出射角 也基本上是可行的。由于d o a 指示了用户信号方向，因此只要把在接收模式中获 褥的移动台的方向知识应用在发射模式中，就可以用d b f 技术在这些方向形成高 增益定向波束，从而实现了指向性发射。如果基站接收和发射信号采用相同的阵 列，且阵列模型确知，利用d o a 信息可以构造下行链路加权矢量， 在上述方法中，利用d o a 信息的“返向”发射，也许是解决f d d 系统下行 。 链路难题的可行途径1 0 1 。因为d o a 信息与信号频率无关，是可靠的空间信道参数。 闻题是如何准确、实时地将其溺定。在多径较少时。可以借助高分辨率的方向估 计算法。然而，在存在大量随机多径的环境中。信号波前严重失真，特别是在移 动台周围有大量散射体的条件下存在d o a 扩展，且受阵列自由度等因素限制，现 有的算法还难以得到满意效果，为此，人们正在探索更适用于移动信道的高分辨 率方向估计技术。 1 3 1d o a 估计算法研究现状 d o a 估计是应用智能天线技术的关键问题，主要表现在三个方面：第一，为 了实现s d m a 和移动台的精确定位，显然需要准确估计来波信号的d o a ；第二， 在实现下行波束赋形方面，t d d 系统由于上、下行射频信道对称，可以直接利用 上行波束形成权矢量进行下行波束赋形，但在f d d 系统中，则需要估计各来波方 向并依据这些空间角度进行下行波束赋形。即使在t d d 系统中也可采用基于到达 角度的方向矢量下行波束赋形算法，以更好地适应终端的移动性。第三，信道估 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 计在第三代移动通信中具有非常重要的地位，而基于空间方向信息的信道估计方 法可降低信道响应的噪声分量，以期得到更好的信道估计性能。总之，d o a 估计 不仅是雷达信号处理中的一个经典课题，在移动通信系统中也扮演着十分重要的 角刨1 1 】。， 早在1 9 6 5 年，b a r t l e t t 就基于波束形成思想提出了d o a 估计方法。1 9 7 3 年， p i s a r e n k o 开创了高精度特征结构法，同时也为d o a 估计问题指明了研究方向。后 来产生的两种最具影响的算法是：1 9 7 9 年i l o s c h m i d t 的m u s i c 算法【1 2 ( m u l t i p l e s i g n a lc l a s s i f i c a t i o n ，即多重信号分类算法) 和1 9 8 5 年p a u l r a j ，r o y 及k a i l a t h 的 e s p r i t 算法【1 3 1 ( e s t i m a t i n gs i g n a lp a r a m e t e r sv m r o m t i o n a li n v a r i a n c et e c h n i q u e s ， 即借助旋转不变技术参数估计法) 。特征结构法不但计算简单，而且其分辨率有可 ，t 能达到瑞利极限。在此之后，人们以m u s i c 和e s p r i t 为基础，提出了许多算法， i 如特征向量法、最小范数法、根值m u s i c 、t l s - e s p r i t 等。这些传统的d o a 估 j 计方法的共同特点是：通过计算阵列中各观测信号的二阶统计量相关函数， f “ # ，7 纵而构造样本协方差阵进行处理，由于数学手段上的这种局限，传统估计方法所 毒 o 能抑制的背景噪声只限于平稳高斯白噪声，对高斯有色、非高斯、非平稳噪声难 以抑制，而且信源多假设为远场窄带、平稳高斯信源并且要求信源互不相关。 随着高阶累积量理论的发展，研究者们相继提出了许多基于高阶统计量的方 法。主要有：r p a n 和c l n i k i a s 的四阶累积量估计方法1 1 4 1 ，h h c h i a n g 和c l n i k i a s 的四阶累积量e s p r i t 方法【阍，b p o r a t 和b f d e n d l a n d e r 的类m u s i c 方法， n y u e n 和b f d e n d l a n d e r 提出的s v - d o a 方法【姗，其中s v - d o a 算法可以解决相 干源存在的情况。这些基于高阶累积量的算法是对传统算法的扩展和完善，与二 阶方法相比，其优点是：可抑制高斯有色噪声、部分非高斯有色及自噪声； 可以检测到更多的信号源，阵列孔径得以扩展；对阵列的几何形状限制条件少， 且无需计算噪声的协方差矩阵。 在移动通信中，调制信号大都是非高斯的，并且具有循环平稳特性，而噪声 多为平稳信号，或是与信号循环频率不同的周期信号。因此，利用循环累积量来 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 抑制平稳噪声以及利用循环统计量的信号选择性来消除循环频率不同的干扰信号 褥到了广泛关注。人们相继提出了一些基于循环统计量的d o a 估计方法，主要方 法有：w a g 嬲i n c r 提出的c y c l i c - m u s i c 【17 】；g x u 和t k a i l a t h 提出的谱相关子 空间拟合( s o s s f ) 方法【1 叼；2 0 0 3 年，e c h a r g e 提出了e x t e n d e d c y c l i c - m u s i c 方法【1 9 l ，该方法充分利用了循环相关函数的两种形式，有效的扩展了阵列孔径。 同时循环统计量和高阶累积计量的结合， 点，使信号处理能力迸一步增强，因此， 估计方法已越来越引起了人们的兴趣。 兼有循环统计量与高阶统计量的双重优 基于高阶循环统计量( h o c s ) 的d o a 我国近年来对d o a 估计的高阶统计量方法研究也取得了不小的进展，如：西 安交通大学的殷勤业教授，成都电子科技大学的肖先赐教授，他们的研究工作主 要是针对不同场合下的加性观测噪声，其中许多方面的研究成果已达到国际领先 水平。 f 3 2 下行波束形成算法研究现状 实现基站智能天线下行发送要比基站上行接收困难得多，因此，目前对智能 化发射的研究还不及智能化接收。前面提到的f d d 系统下行链路波束形成的解决 方案中：信道反馈法的缺点是需要重新设计上下行链路协议，易受往返传播和处 理延迟的影响，只能在环境随时间变化非常缓慢的情况下使用；“返向”发射法利 用信号子空间包含用户的d o a 和平均信号强度信息进行下行自适应波束形成，也 许是解决f d d 系统下行链路难题的唯一可行途径。 国内在这方面的研究起步相对稍晚。文献 2 1 提出了一种最小相对干扰法 ( m r l ) ，利用上行链路的接收数据来估计下行链路的信道相关矩阵，进一步估计 出相对干扰总量。在保证一定的有效发射功率下，使得对其他用户的干扰总和最 小。通过仿真得出：最小相对干扰方法由于考虑了相邻小区的干扰，获得了比文 献 2 0 中的最大阵列增益法好得多的性能。但是当用户数较多的时候，两者的性 能接近，而前者的计算量要大的多。 1 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 文献 2 2 利用c d m a 移动通信中已知用户的扩频码及用户每条多径信号解扩 前后信号协方差阵子空间分析，基于上、下行信道的双向共性特征，通过上行接 收信号子空间分解，确定下行发射信号子空间特征，从而提出了一种下行最优发 射波束形成与上行空间r a l ( e 接收机联合处理技术，即下行发射多径信号子空间可 以由上行r a k e 接收机分辨出的多径信号子空间来确定，通过最大化希望用户平均 接收功率的下行优化准则，从而求出下行最优发射权。仿真时基站天线阵列采用 匹配阵( 收发阵列完全匹配) 和双工阵( 收发阵列矢量因收发频率不同存在旋转 扰动) 两种情况，结果表明采用匹配阵时比双工阵的s i r 性能要好，且两者相对 全向天线都有相当大的改善。 国外对此研究的较为深入。1 9 9 5 年斯坦福大学的信息系统实验室提出了一种 盲自适应发射天线算法1 2 3 1 ，分析了单用户和多用户情况下的波束形成。在单用户 波束形成时，直接使用接收矢量信道响应协方差矩阵来代替发射矢量信道响应协 方差矩阵，为了尽量减小发射和接收阵列响应矢量之间的误差，采用了匹配阵列 和双工阵列两种方法。当发射和接收频率差不超过6 0 0 时，证明这种方法是一种接 近最优的解决方案。在多用户情况下，对于扰协方差矩阵主方向的很小的估计误 差就会导致很大的干扰功率。他们对这个问题是通过加强功率约束条件来解决的， 仿真证明这个方案能将复用容量提高5 到8 倍。 文献 2 4 提出了一种基于上行信号的d o a 信息的下行发射波束形成技术。文 中的方法可以估计出2 m 2 3 ( 膨为天线阵元数) 条直接路径和多径信号的波达方 向，基于此波达方向的信息，可以完成t d m a 系统有效的下行发射算法。 法国c n a m 电子与通信实验室提出了一种下行波束形成方法并将其应用于 g s m 环境中【2 5 】文中指出通过检测和估计上行链路的d o a 和平均功率来进行下 行波束形成，计算量非常大而且可能无法随着角度的扩散而变化，于是他们采用 了一种来源于宽带阵列处理的新方法。该方法既不使用反馈，也不使用d o a 估计， 而是在基站处应用了阵列拓扑，将传输信道的二阶统计量从上行接收频率转换到 太原理工大学硕士研究生学位论文 下行发射频率。但在应用该方法时，对于不同的天线拓扑结构，存在着不同的频 率转换特性。 1 4 本论文结构安排 本论文的结构安排如下： 第一章为绪论，简单介绍了智能天线技术的各个方面，提出研究本课题的目 的、意义及先进性，重点介绍了国内外在d o a 估计算法方面的研究状况以及波束 形成方面的研究状况。 第二章概述课题所涉及到的有关智能天线的基本原理和概念，为今后的深入 研究奠定理论基础。首先对智能天线进行了分类，分别介绍了它们的工作原理， 然后引入了阵列天线分析模型，随后重点阐述了复杂的移动通信环境，最后介绍 了智能天线的下行发射波束形成系统及其难点。、 第三章主要研究f d d 系统中下行信道协方差矩阵的估计方法：首先分析了上 下行链路信道模型，在此基础上提出了根据上行d o a 构造下行信道协方差矩阵的 方法。之后，介绍了两种估计上行d o a 的方法。首先简单介绍了m u s i c 算法，然 后在此基础上提出了改进的p c a 算法，并对两种算法作了仿真对比。 第四章在第三章的基础上研究了f d d 系统的下行波束形成算法。综合文献 4 7 5 0 中的方法并对其进行数学推导，根据推导结果得到下行发射波束形成的初 始权矢量，然后以最小化阵列发射功率为目标对初始权矢量进行优化，最后通过 仿真比较了初始权值和优化权值应用于下行波束赋形对方向图的影响。 第五章对本论文所作的工作迸行了总结，并且对今后进一步的研究方向进行 了设想。 1 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 1 概述 第二章智能天线技术基础 随着移动通信的迅猛发展，一方面要求大幅度提高通信容量以满足日益增长 的用户需求，另一方面无线用户的增多又使得无线通信环境大为复杂，导致同频 干扰、多径衰落等现象十分严重，直接制约了通信容量和质量的进一步提高，特 别是用户的激增使无线频谱越来越成为一种宝贵的资源。在保证一定信干比的前 提下，设法显著提高单位频率间隔内的信道数目才能有效地解决上述问题。 ” 蜂窝小区体制是利用用户的空域信息解决频谱资源匮乏的一种方法1 2 6 。蜂窝 “ 式组网结构实现了不同空间频率的复用( f r e q u e n c yr e u s e ) , 即相隔一定复用距离 的小区可以共享问一组频率，从而提高频率利用率。蜂窝小区体制下，复用频率 f ，+ ， 之间的隔离是依靠电磁波在空间传播时的衰减来实现的。为了进一步提高频谱复 用率，人们开始将自适应波束形成技术应用于蜂窝小区，利用用户的空间方位信 息来提高系统的容量。采用阵列天线及空时信号处理技术，充分利用移动用户的 空间方位信息来提高无线通信的传输质量及系统容量的信号处理技术就是智能天 线技术。 智能天线技术属于移动通信中的高技术领域，该技术能够在目前的蜂窝小区 体制及f d m a 、t d m