（通信与信息系统专业论文）波束成形分集混合式智能天线接收技术的研究.pdf

波束成形一分集混合式智能天线接收技术的研究 硕士生：潘伟祥 专业名称：通信与信息系统 指导老师：周渊平教授 摘要 如何提高系统的服务质量和容量是无线移动通信系统的首要问题。为了使在 无线信道上进行有效可靠的通信，通信系统必须克服无线信道的多径衰落效应和 干扰的影响。分集和波束天线阵列能分别从抑制衰落和抑制干扰两个方面有效地 提高接收机的性能。传统上两种技术是分开考虑分开处理的。本论文提出波束天 线阵列和分集技术联合处理的混合式接收技术，对系统提出新的处理算法并分析 考察该混合式接收技术对移动通信链路的影响。 论文研究分析了无线信道特征、波束天线阵列技术和分集接收技术，得出波 束阵列天线和分集接收联合处理的可行性和合理性。用计算机建立符合通信环境 的无线链路仿真模型。通过仿真实验验证混合式接收技术对移动通信链路优化的 可行性。 实验证明，波束成形一分集混合式智能天线接收技术能够有效地结合波束成 形抑制干扰和分集接收技术抑制信道瑞利衰落的特点，改善通信链路。并且，独 特的联合处理算法使接收系统达到优化的处理输出。 关键词： 智能天线、分集接收、自适应波束成形、无线移动通信 m i x e db e a m f o r m i n g d i v e r s i t ya r r a yr e c e i v e r t e c h n i q u e f i o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s n a m e ：p a nw j i x i a n g m a j o r ：c o m m u n i c a t i o na n di n f o m l a t i o ns y s t e m 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 s e r v i c e q u a l i t y a n dc a p a c i t y a r eo f p r i m a r yi m p o n a n c ef o rw i r c l c s s c o f 姗u n i c a t i o ns y s t e m s t be n s u r ef e l i a b l ec o m m u n i c a t i o no v e ram o b i l er a d i o c h a n n e l ，as y s e mm u s o v e r c o m em u l t i p a t hf a d i n ga n di n 渤f e r e n c e d i v e r s i t y p e c e i v e ra n da d a p t i v eb e a m f b 哪i n ga n t e n n aa r r a y sc a ni m p r o v et h eq u a i i t yo ft h e r a d i oi i n k si nd i 行i e r e n tw a y s ：d i v e r s i t yi sa g o o dw a yt om i t i g a t et h em u i t i p a t hf a m n g ； w h i l ea d a p t i v eb e a r 【l 】f b 嘣n gr e c e i v e rp r o v i d ei m p r o v e m e n ct h r o u 曲i n t e 晌r e n c e r c d u c t i o n i nc o n v e n t i o n a lr e s e a r c h e s ，t h e s et w ot e c h n i q u e sa r ec o n s i d e r e ds e p a r a t e i y i nt h i st h e s i s ，w ei n v e s t i g a t ear n j x e db e a m f o r m i n g d i v e r s i t ya r r a yr e c e i v e rt h a t e x p l o i t st h ep m p e r t i e so fb o t hb e a n b r r n i n ga n dd i v e r s i t y as p e c i a lp r o c e s s i n g a l g o r i t h mi sa l s 0p r e s e n t e d s i m u l a t i o nm o d e ii sc o n s t n l c t e dt ot e s tt h ep e f f o r m a n c eo ft h em i x e dm o d e r e c e i v e lt h es i m u i a t i o nr e s u i t si n d i c a t et h a tt h en e ws y s t e mc a ni m p m v et h ec a p a c i t y o ft h er a d i oi i n k a n dt h en e wa l g o r i t h mi se 币c i e n tt oi m p r o v et h ep e 咖r m a n c e k e y w o r d s s m a f t a n t e n n a ，d i v e r s i t y ，a d a p t i v eb e a m f o r h l i n g ，w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n 【e 1 1 研究背景和意义 第一章引言 系统的服务质量和容量是衡量无线通信系统好坏的重要指标。为了在无线信 道上进行有效可靠的通信，系统必须克服多经衰落和干扰的问题。为了在有限的 频谱资源下提拱更高数据速率的服务，同时提高容纳用户的数目，系统的运营者 和设计者都寻找方法不断提高系统的容量。这要求不断优化无线链路的质量。 智能天线能提高无线通信系统的性能。智能天线通过对各个用户形成不同的 波束，对准目标信号的来波方向，降低信干噪比，提高频谱利用率，增大网络容 量【l 】。另外，对信号进行分集接收合并处理的技术降低了由于多径产生的信道 衰落对通信系统造成的影响。因为移动通信信号的多径传播使接收机接收到的信 号是经历了衰落的信号，分集接收技术通过对多个经历独立衰落过程的同一信号 进行接收，能有效地抑制衰落的影响。 分集接收和波束天线阵列技术都能有效地提高接收杌的性能，但传统上两种 技术是分开考虑。波束天线阵列的优点在于对主要干扰信号有很好的抑制作用， 但是当信号受到深度衰落时，自适应波束成形天线的输出依然不能得到较高的信 干噪比。虽然从理论上说波束天线阵列能减少接收到的多径数量，在一定程度上 抑制瑞利衰落。但实际上天线阵列接收的信号的分量数目可能是很多的，波束成 形后的信号依然是多个多径分量的叠加，各个分量的相位差依然是随机分布的， 这样信号发生深度的衰落还是不能避免。很多情况下，信号的主要来波方向也包 含多个相位独立的多径分量，这时候自适应波束成形天线对瑞利衰落的抑制就更 加无能为力了。而分集技术是抑制衰落的有效方法 2 】，但分集接收机不能得到 波束阵列天线抑制干扰的效果。这样，把两种技术结合就成了很自然的选择。 本论文主要的目的是提出分集接收和波束阵列接收天线两种接收技术的融 合，即波束成形一分集混合式智能天线接收方式，并对其性能进行理论研究和实 验分析。 系统能够应用在各种基于t d m a 和c d m a 多址方式的通信系统，包括第二 代移动通信的g s m 和c d m a 系统，以及第三代移动通信系统( w c d m a 和 c d m a 2 0 0 0 ) 。通过波束成形阵列天线对干扰的抑制和分集天线对衰落信道的抑 制，能有效地提高无线通信链路的质量，从而提高系统的容量。能使移动通信系 统在相同的频谱、时间资源条件下支持更多的用户进行通信。 混合式接收系统可以用于移动通信系统的基站上。由于基站设备有充裕的可 供利用空间和运算资源，所以混合接收方式在基站的实现非常便利，这样可以优 化移动通信系统的上行链路。 随着移动终端设备的运算处理能力不断提升，考虑在移动终端如手提电脑甚 至手机上使用多天线接收系统可以成为提高系统容量的途径之一。极化分集方式 对天线阵元在空间上的距离没有要求，这个特点非常有利于在移动终终端设备上 的实现。在移动台上实现波束成形一分集混合式接收系统能提高移动台的抗干扰 和抗衰落能力。当移动台在小区边缘时干扰的问题是尤为重要的。另一方面， 由于移动台往往处在复杂地形环境中，周围有很多障碍物和各种反射体散射体， 使分集对系统的改善作用也十分显著。在移动台上实现该系统能使移动通信系统 的下行链路得到改善。在将来移动通信系统中，移动通信的业务量很多是视频等 多媒体信息和i n t e r n e t 数据的下载，这使通信在上下行链路的流量上很可能是不 平衡的，下行链路的负荷将大大提高，这样提高下行链路的链路质量就有很大的 意义。当然在移动端实现多天线系统需要考虑移动设备的处理能力、体积、重量 和用电的问题。 1 2 国际上相关的工作 智能天线的研究已经有几十年的历史，并且受到越来越广泛的关注。在1 9 6 4 年i e e e 第一次为智能天线出版了专刊 3 】，随后出现许多关于智能天线的专刊 4 】 5 】【6 】 7 】【8 】、书籍 1 】【9 】 1 0 】和书目和大量的概述文章。近几年，移动通信的迅 速发展使提高信道容量的要求变得十分迫切。智能天线的研究又成为了全世界的 研究热点。【i l 】 自适应波束成形的研究可以追溯到2 0 世纪5 0 年代后期h o w e l l s 发明中频 ( i f ，i n t e 锄e d i a t ef f e q u e n c y ) 旁瓣消除器( s i d e l o b ec a n c e l l e f ) 。h o w e i l s 早在1 9 5 7 年就已经开发出能够自动使人为干扰影响降为零的旁瓣消除器。啪d m w 与其斯 垣福大学合作者在1 9 6 7 年提出自适应阵列天线加权调整的算法。其理论建立在 简单而有效的l m s 算法的基础上。w i d r o w 等在1 9 6 7 年的论文 1 2 】是自适应阵 列天线领域的经典之作。 最近国际上对智能天线的研究主要集中在波达角( d o a ，d i r e c t i o no f a 耐v a l ) 估计算法和波束成形算法上。对波达角的研究成果可参见参考文献 【1 3 】 1 4 1 【1 5 】。而波束成形算法的研究已经由传统的m m s e 和l m s 算法 1 0 】走向 更高深的算法研究 1 】。还有一些研究分析天线阵元的耦合对波束成形算法的影 响【1 7 】，以及天线耦合、衰落信道、波束成形算法对整个系统的影响【1 8 】。一些 研究机构如弗吉尼亚大学的智能天线小组对移动手机设备使用智能天线进行了 较深入的测试和研究【1 9 】。 分集接收技术一直都是无线通信系统对抗信道多径衰落的主要方法，研究表 明空间分和极化分集都能得到很好的分集增益【2 0 】【2 1 1 【2 2 1 。最近对分集技术的研 究主要是各个分集天线元的空间距离、相关度、功率不平衡对分集效果的影响 【2 3 】【2 4 】。分集技术的另外一个方向是发射分集 2 】，由于本论文主要关心接受分 集，发射分集的大量成果这里不作介绍。 1 3 本论文完成的工作 完成的主要工作主要包括 介绍无线通信系统的基本原理和概念。阐述波束成形阵列天线的原理、设计 和算法，以及它对移动通信系统的影响。分析分集接收技术的理论和重要性，并 分析各种分集方式的特点和应用。 提出波束成形天线和分集天线联合接收的系统结构。并对系统提出新颖的相 应处理算法。通过建立仿真模型，在计算机上对系统进行仿真测试。并对结果进 行分析，评估此系统对通信系统的改善程度。 1 4 论文结构 论文的第二章介绍了无线移动通信的基本概念和知识。2 1 节简述移动通信 系统的概况；2 2 节介绍无线信道的特点。 第三章在3 1 节和3 2 节分别讲述波束成形阵列天线技术和分集接收技术。 3 1 1 节介绍波束成形阵列天线技术的结构特点，3 1 2 介绍各种波束成形算法。 3 2 节讲述分集接收技术，包括3 2 1 节介绍分集方式、3 2 2 节介绍合并方式和 3 2 _ 3 节介绍影响分集增益的因素。 第四章提出波束成形分集混合式智能天线接收技术。4 1 节为系统的简述： 4 2 描述混合式接收系统的结构；4 3 节描述专门为混合式系统而提出的处理算 法。 第五章为仿真实验的结果和分析报告。主要是波束成形一分集混合式智能天 线接收技术的系统仿真实验。通过仿真实验考察影响接收系统的接收性能的各个 因素，还有影响波束成形阵列天线接收和分集接收性能的各个因素。 4 第二章无线移动通信系统 移动通信就是指通信的双方至少有一方是可移动的，其位置不受约束。这个 移动终端可以是移动中的汽车、船舶、飞机或行人手中的通信设备【2 5 】。这包括 移动体间的通信和移动体与固定点的通信。移动通信必须利用无线电波进行信息 传输，它是在复杂的干扰环境中运行的，移动通信可以利用的频谱资源是有限的， 而移动通信业务量的需求却与日俱增。本章主要介绍移动通信系统的基本概念和 组成。 2 1 无线通信系统 2 1 1 通信系统的组成 通信系统的组成( 见图2 1 ) 包括信息源( 或称信源，包括电话摄影机等输 出的连续信号，和计算机输出的离散的符号序列或文字) 和信息的接收者( 信宿) 。 圈2 1 移动通信系统组成 从信源至q 信宿中间要经过的是发送设备、传输媒质和接收设备。发送设备的 基本功能是将信源和传输媒介匹配起来，即将信源产生的消息信号变换为便于传 送的信号形式 2 5 1 。对于数字通信系统来说，发送设备包括信道编码和信源编码 和信号的调制。信源编码是把连续信号变为数字信号；而信道编码则是使数字信 号与传输媒介匹配，提高传输的有效性和可靠性。 在移动通信系统中，从发送方到接收方经过的是无线信道。信号的传输过程 受到噪声和衰落的影响很大。无线信道的特点将在下一节中重点介绍。 接收设备的本质就是要完成发送设备和信道所组成的系统的反变换，从经历 衰落的带干扰的信号中准确地重现信源输出的信息 2 5 】。接收设备的主要工作包 括对信号进行解调和译码。 通信系统除了要达到成功通信的目的以外，还要能支持尽量多用户，以及满 足诸如可靠性安全性等要求，这就需要在发送设备进行多路复用、保密和纠错等 处理。 2 1 。2 现代无线移动通信系统的发展 第一代移动通信系统：蜂窝模拟移动通信系统 二十世纪七十年代，美国日本等国家研制出陆地移动电话系统。这些系统是 模拟调制、频分多址技术为特点，使用频率为8 0 0 ，9 0 0 m h z ，称为蜂窝式模拟移 动通信系统。代表性的系统有美国的a m p s ( a d v a n c e dm o b i i ep h o n es y s t e m ) 系统、日本的n a i v 兀 s 系统、北欧的m v i t 系统和英国的t a c s ( t 0 t a ia c c e s s c o m m u n i c a t i o ns y s t e m ) 。 第二代移动通信系统：数字蜂窝系统 二十世纪九十年代至今的移动通信系统基本上都属于第二代移动通信系统。 第二代通信系统以数字传输，时分多址和码分多址为主要技术。目前世界上主要 的数字蜂窝系统有欧洲的g s m 系统( 世界上第一个数字蜂窝系统) 、美国的 d a m p s 、日本的j d c 和美国的i s 一9 5 。其中i s 一9 5 采用c d m a ( 码分多址) 方式。第二代移动通信系统使用了数字技术，比第一代的模拟移动通信系统提供 更高的系统容量和安全性能，并支持数据业务，与综合业务数据网相容。 第三代移动通信系统：综合的全球个人通信网 第三代的移动通信系统以世界范围的个人通信为目标。做到无论任何人在任 何时候任何地点都能和另一个人进行任何方式的通信。 1 二十世纪九十年代中期，世界各移动通信设备制造商和运营商进入对第三代 移动通信系统( 3 g ) 的设计研究和实施阶段。主要的方案有w c d m a 和 c d m a 2 0 0 0 a 第三代移动通信技术是综合的全球个人通信网。目前规划研究比较 成熟的是u m _ r s ( u n i v e r s a lm o b i l et c l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，通用移动通信系 统) 。 将能提供更先进的业务和更高的数据数率要求和一系列新的业务。其中很重 要的一方面是提供无线带宽的分组交换数据业务，要求对互联网的无线接入能够 到达2 m b ，s 的数率。 2 3 无线通信信道 无线通信信道的特征对于无线移动通信来说有至关重要的影响，研究无线移 动系统的设计和优化，必须深入了解无线信道的特征【2 】。 频率在甚高频( v h f ) 或更高的频带的电磁波除了直线波( 1 i n e + o f - s i 曲t ) 的 传播分量外，还有传播途中的各种物体所造成的反射和散射波，这些信号成分都 是要被充分考虑的a 很多时候发射机和接收机的视赢线都会被障碍物所遮挡，这 时候信号就是依靠这些反射和散射波来传递的。 移动通信信道是典型的随参信道。移动台经常处于城市建筑群和其他地形较 为复杂的环境中，其传输信道的特性是随时随地而变化的【2 】。这里集中讨论几 个最典型和最重要的信道特征。 反射 2 2 1 大尺寸路径损耗 图2 2 ：移动通信的传播路径 大尺寸路径损耗描述的是在相同的发射功率下接收信号的强度随传播距离 的增大而减小的程度。f m s 转换公式给出了在自由空间( 自由空间传播指天线周 围是无限大真空的电波传播，是理想条件。电波在自由空间传播时，其能量既不 会被障碍物所吸收，也不会被散射或反射。) 下接收功率的表示式 嘲q q ( 去) 2 ( 2 - l 、 其中，只为发送功率，q 和嚷分别为发送和接收的天线增益，d 为无线电 波路径长度。五为载波的波长。五与其他参数组成了路径损耗的倒数，路径损 耗的大小跟传输距离的平方成正比关系，与电磁波的波长的平方反比关系。表达 式称为f m s 自由空间链路方程( f r i i s f r e es p a c el i n k e q u a t i o n ) 见式2 1 。用d b 表示为式2 2 ： 咄。+ g f 。崛。划1 0 9 ( 等) - 2 0 l o 啪) ( 2 2 ) 自由空间是理想条件，在现实中是不存在的。所以式2 一l 和2 2 不适合用于 分析现实的路径损耗。我们把链路方程写成： p 棚= 只柏+ g f 、枷+ q 船一p l ( 2 3 ) 这里p l 表示路径损耗( p a t hl o s s ) 。对于有障碍的环境。平均接收信号功率 与发射机和接收机之间的距离的对数成反比。路径损耗可以描述为这样的模型 2 】，平均大尺寸路径损耗用路径损耗指数，表示为距离的函数。 写成d b 形式： 瓦。悼 7 l 哦 肚( 警阍7l 五jl 如j 瓦m 2 瓦m c 如，咿b s c 罢j 化一4 ) f 2 5 1 ( 2 6 ) 比为参考距离，由靠近发射机的功率量度确定【2 】。式中第一项是在参考距 离的自由空间传播损耗，路径损耗指数y 受具体的传输环境的影响。可以通过测 量实验确定 2 2 2 阴影效应 对于给定的同一个t r 距离，不同地点测量到路径损耗其实也可以表现的 非常不一样，因为各个地点周围环境的障碍物情况是很不一样的。所以式( 2 6 1 只能表现在一个距离的平均路径损耗。而实际的路径损耗p l ( d ) 是随机的，为关 于距离平均值的对数正态分布【2 6 1 。 9 p l c d ，= 瓦c d ，+ x ，= 瓦c 啪+ - 。加s ( 鲁 + x ， c ：川 只( d ) = c + g f + g ，一瓦( d ) 一x 。 ( 2 - 8 ) 这里x 。是均值为零、标准差为。高斯分布随机变量。 2 2 3 多径效应 移动信道一个最显著的特点是信号的多径传播。就是说信号从发射机天线到 接收机并不是只通过一条路径传播的，接收机接收到不是单一的信号分量，而是 由多个经过不同的散射反射到达的信号分量，其中可能包含直线传播的分量，也 可能不包含。由于这些所有的分量的传播路径不同，经过的不同的传播距离和遇 到不同的反射，它们的相位和路径损耗是不一样的，而且他们的相对相位随移动 台的移动而变化。它们有可能是相互加强的，也有可能是相互抵消，这要视它们 之间的相位差决定。它们相互抵消时。我们就说信号发生了衰落。当接收机移动 时，接收信号的功率会发生变化。根据接收信号功率随时间( 也是随移动台的移 动) 的变化，我们可以画出衰落过程的包络。分集技术通过用两个或更多的天线 对同一个信号进行接收来对付衰落的问题。 不同的多径分量的传播路径长度是不一样的，使它们到达接收机的延时也是 不一样的，这就会导致码间干扰。各个多径分量的振幅也是不一样，因为它们有 不同的路径损耗，接收信号可以表示为各个多径分量的叠加【2 7 】。如式2 9 石( f ) = ( 咖麒札卜吒( f ) 】 ( 2 9 ) 这里x ( t ) 为接收信号：啦( f ) 为第n 条路径信号分量的时变包络系数；锄( t ) 是第n 条路径信号分壁的时变相移；s ( t ) 为传输的原始信号；( f ) 为第n 条路径 o 信号分量的延时。 可以用平均多径时延和时延扩展来描述信道时延特性。它们的定义如下 2 2 4 多普勒频移 j ：ft 队c 、d t m 、。 = 厄丽 ( 2 1 0 ) f 2 一1 1 ) 如果收发双方任何一方处于运动状态时，传输的电磁波会经历一个频率上的 移位。这个频率上的移位被称作多普勒频移。多普勒频移的数学表示为： 厶：上竺：兰c o s p 厶2 石右2 万叫 f 2 一1 2 ) 在多径的传播环境下，各个多径分量的到达方向是不一样，导致各个分量的 多普勒频移也是不一样的，这造成了信号频带上的展宽，称为多普勒扩展 2 】。 这样的信道呈现时变特性，也就是信道出现了时间选择性衰落。时间选择性衰落 会造成信号失真这是由于信号发送过程中( 一个最小信号时间，如一个码片时 间内) 信道的特征发生了变化。如果信号持续的时间比较短，在这个比较短的持 续时间内，信道的特征很没有发生显著的变化，时间选择性衰落就不会很明显， 这时候信道也称作快衰落信道；当信号的持续时间比较大，信道特征不能看为静 止不变，这时候时间选择性衰落就会使信号失真。 图2 3 示意了在9 0 0 m h z 信号的受典型的瑞利衰落信号后包络功率水平随 时间的变化情况【2 】。 t y p l c a 鲻髅黧黜皇鼍勰懦：盯沁k e l v e fs p e e a l 芒 k m f 玎r 黪疆p = s e dt i m e 套磺磅； 图2 3 典型瑞利衰落信号包络 对于移动信道的变化，可以定义：在一个时间里面信道可以看作是不发生变 化的，这个时间称为相关时间。一般来说，现代通信系统的信息速率都己经大大 超过了信道的变化速度，就是说信号的持续时间都大大短于信道的相关时间。所 以现代的通信系统中信号经历的都是慢衰落。时间选择性衰落对于移动通信系统 并不是一个很主要的问题。 2 2 5 极化 当电磁波传播时，它的时变电场矢量末端的变化轨迹一般是椭圆型，称为椭 圆极化。这个轨迹的形状还可以是圆形的和线形的，分别相对应圆形极化和线形 极化。它们都是描述电波的极化方式。如果电磁波是线形极化的话，我们关心它 的极化方向，是水平，垂直还是4 5 度。面对于圆形极化和椭圆极化，就存在是 “左旋极化”还是“右旋极化”的概念。这是有场矢量的旋转方向决定的。图 2 - 3 是一个右旋极化波的示意图， o 5 o s o s o 5 q o ， 一o罐。墨罐 (s-l篡oq锥露一矗_尊i一謦e量瓣 图2 - 3 右旋极化波 在无线通信中不同的极化方式是一种可以利用的资源，在卫星通信中，可以 利用左旋极化和右旋极化对信道进行复用，两个用户进行同频同时的通信。在现 代的移动系统中，对极化的一个用途就是利用不同极化方向的正交性，对信号进 行极化分集接收。对于正交方向的极化电磁波的衰落信号可以看成是互不相关的 2 1 1 ，这正好符合了衰落信号的分集接收技术的要求。 第三章波束阵列天线和分集接收技术 3 1 天线和阵列天线 阵列天线技术利用基带数字信号处理技术，产生空问定向波束，使天线在不 同的方向产生不同的增益，见图3 1 。自适应阵列天线可以动态地调整波束图使 波束的最大增益点对准用户信号到达方向，从而给有用信号带来最大增益，有效 地减少多径效应所带来的影响，同时使旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向，达到 对干扰信号抑制的目的。使用自适应阵列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，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。 本章介绍天线阵列和波束成形的基本概念。 ， ， 手捷冬m 图3 一l 波柬天线 1 4 3 1 1 全向天线 传统的无线通信系统使用的是全向天线。就是说对于发射天线，天线向各个 方向辐射电磁波功率是均匀的；对于接收天线，无论信号从哪个方向来，天线的 增益都是一样。 对于基站来说，由于发射天线不知道用户所在方向的信息，向各个方向均匀 地辐射功率，这样移动台接收到的电磁波功率只能占天线辐射功率的非常小的一 部分。 3 1 2 阵列天线 图3 2 全向天线 相位阵列天线由一系列的天线组成。组成阵列的每一个天线被称为这个阵列 的一个单元( 或阵元) 。各个阵元接收到的信号再合并得出一个单独的输出，为 天线阵列的输出。这个合并的处理过程可以称作波束成形。对于这个阵列天线， 不同方向的信号响应是不一样的。这是因为各个阵元接收到信号的相互延时对于 不同的来波方向的信号是不同的某些方向的信号电磁波经过各阵列的叠加后会 被抵消，就是说各阵元的分量相互抵消：而对于另外一些方向的电波信号，各阵 元的相位差是又是另一种情况，各分量可能相互叠加增强。具有最大响应的方向 就是主瓣方向，天线阵列在这个方向上具有最大的增益。例如对于线形阵列，如 果阵列的各个阵元接收到的信号都以同样的增益合并，而且不做相位上的改变， 那么这个最大的增益方向就在与阵列排列成9 0 度的方向上。如果在合并时对各 个阵元的信号采用不同的加权系数( 或称加权因子) ，这些系数为一组复数，就 是说对各个阵元的信号采用不同的增益加权( 加权因子的幅值) ，而且在相位上 做特意的调整( 加权因子的相位) ，这样就会使各个方向的响应都发生改变，主 瓣的方向也会随之调整。 为了简化系统的分析，我们假定阵元距离足够小，不同阵元接收到的信号幅 值相等；阵元间的耦合为零：所有入射场都可以分为一系列离散的平面波。 x 图3 3 入射到任意三维天线阵列的平面波 图3 - 3 给出了一个任意的天线阵列。用极坐标( 靠，九，p 。) 表示第m 个阵元的 位置，( 口，) 为来波的方向。在这里我们假设电磁波来自于远场，可以看作为一 个平面波。同时为了得到阵列因子，必须得到各个阵元接收到平面波的相对相位。 这里设定坐标原点位置的相对相位为零。这样，我们可以得到第m 个阵元的相 对相位为： 靠= ( 一七圪) 1 6 f 3 - 1 1 = 芦( 8 i “口。0 8 妒8 i n 或。8 屯+ 8 i “p 8 i “妒8 i 。& 8 i “纯+ 。8 p 。0 8 鲰) f 3 2 ) = ( k c o s s i n 口+ y 。s i n 矿s i n 口+ z 。c o s 口) 其中，= 2 _ 7 r ，旯是相位传播因子， 表示波长，等于c f ，则光速除以载波频率 为平面波入射方向，云为第m 个阵元的位置矢量。 一五= s i n 护c o s 庐王+ s i n 口s i n 妒；+ c o s 口i( 3 3 ) 瓦= p ( s i n c o s 丸；+ s i n 吼s i n 九；+ c o s 银；)( 3 4 ) 通常的天线阵列并不是像图2 6 的这样在三维空间里任意分布的。通常的天 线阵列是按直线等距、圆周等距或平面等距排列的共极化、低增益阵元。我们这 里讨论直线等距阵列天线。 图3 4 线形天线阵 如图3 4 有一个平面电磁波入射到阵列上，入射角为( 秽妒) 。平面波用基带 复包络表示为s ( t ) 。天线阵列的各个阵元的规格是完全一样的，阵列的每一个支 路有一个权因子，每个权因子为一复数，具有幅值和相位。 这样，阵元m 接收到的信号为 “m = a s 0 ) p 一。m 划= a s o ) p 一卢m 。5 庐8 i “口 ( 3 5 ) 其中a 为增益常数 阵列输出端的信号z ( t ) 为 肼一1_ ! l f l z ( f ) = “。( f ) ：a s ( f ) w 。p 一协缸“州”= a s ( f ) ，( 目，妒) ( 3 6 ) m = 0小= 0 ，( 统庐) 为阵列因子。它是波达方向的函数，是这阵列输出端的信号z ( t ) 与在 参考点( 坐标零点) 测得的信号a s ( t ) 的比值。表现了阵列天线对不同方向的电波 信号有不同的增益。通过权值调整，改变这列因子，从而改变天线增益的方向图 ( 波束图) ，把波束主瓣对准目标信号，把零陷对准干扰。 一般来说，我们只考察水平面上的平面波入射，即口= 石2 。这对于移动通 信系统来说都是非常合理的因为对于基站来说，和小区内移动台的通信，信号 的方向都是接近于水平面方向。对于移动台，由于像手机这样的设备的位置和摆 放的方向都可能是随机的。本节旨在叙述智能天线的基本原理，所以这里也设 口= 石，2 。 对于阵列天线的研究往往用向量形式表示数据更加方便。设各个天线阵元 的信号合成一个数据向量： u = 【“o ( f ) “m 一【( f ) 】7 用权向量表示各个支路的权因子： w = 一l 】” 可得，阵列输出z ( t ) 可以表示为阵列权向量和数据向量的内积 1 8 r 3 - 7 1 ( 3 8 ) ( 目，妒) 方向的阵列因子为 z 【f ) = w “u ( f ) ，( 口，妒) = w “a ( 鼠妒) 这里可以注意到数据向量可以表示成 u ( t ) = a ( 口，矿) 4 a s ( t ) f 3 9 ) ( 3 - 1 0 ) ( 3 * l i ) 其中引导向量a ( 口，妒) 定义为( p 。彩方向的引导向量。引导向量表示各个阵元 信号与参考原点的信号间的相位差。 a ( p ，妒) 2 【l 口( 最妒) 一。( 口， f 3 1 2 ) 由上面的分析可见，阵列天线各阵元信号的加权合并可以使系统的输出对 不同来波方向的信号有不同的天线增益，天线增益随入射角而改变的函数称为方 向图，通过改变权向量w 能得到不同的方向图。 阵列的阵元个数决定了阵列方向图的自由度。阵元越多，自由度越高，自 由度高的阵列天线可产生更多的零陷和波瓣更能达到智能天线的效果。 3 1 3 方向图 由前面对相位天线阵列的简单分析可知，天线阵列的响应是一个随方向变化 的函数，它反应了在这个方向上单位功率的电磁波信号在天线阵列的输出功率。 图3 5 是一个有十个阵元的等距线形阵列的方向图。角度是参照阵列的排列线的 角度则9 0 度表示入射角垂直于各阵元的排列线。方向图的增益经过了归一化， 使最大的响应方向的相对增益为1 。从这个图上看，最大增益方向为9 0 度。在 方向图上看到一些增益很低的点，称为零陷点。一般来说在零陷点的方向上的响 应增益可以看为零。最大响应方向两旁的两个零陷点之间的宽度定义了主瓣的宽 度，主瓣宽度的另一种定义是以两个半功率点之间的宽度来定义。 3 1 4 自由度 a n g l ei nd e g r 图3 5 十个阵元的等距线形阵列的方向图【2 】 给每个阵元的权因子为一个复数，复数的幅值代表加权的功率增益，复数的 相位代表该阵元的信号合并前先经过的人为强加相移。权因子的意义和作用表现 在他们之间的相对关系，如果只有一个阵元( 即全向天线) ，这个权值就没有什 么意义了，无论怎么调熬都无法改变天线的方向图。但如果有两个阵元，这么其 中调整一个权系数就是调整了这个阵元对另一个阵元的相对值，这时候就可以调 整方向图的一个位置，就是说可以把方向图的一个最高点( 主瓣) 或最低点( 零 陷) 对准所要的位置。如果天线阵列由三个阵元组成， 就可以调整方向图的两 个位置。在通信环境中就可以把最大增益方向对准目标信号，零陷对准最大的干 扰信号；或者两个零陷对准两个最大干扰信号，这是候就不能再把最大方向对准 目标信号了。这样，由l 个阵元组成的天线阵列，可以自由确定l 1 个位置， 这可以是1 个最大方向对准目标信号的方向和l 一2 个最小方向( 零陷) 对准主 堂罂olds葶ij譬5艮 要干扰方向。这里定义由l 个天线阵元组成的天线阵列的自由度为l l 。 3 1 5 最优天线阵列 我们说一个阵列天线处于最优状态就是说阵列的权因子调整到最优的值使 天线阵列的输出信号以某个标准达到最优。例如某个通信设备使用了天线阵列接 收信号，在与设备想要接收的信号同频的带宽里面还有其他各种各样的干扰信 号，由于这些信号是与想要接收的信号是同频的，所以接收设备的滤波器是滤不 掉的。为了使这个通信设备达到最佳接收效果，就要求天线阵列的输出具有尽量 高的信噪比s n r ( 也被称为信干噪比s i n r ) 。这样最高的输出信于噪比就成为 最优天线阵列的准则，这要求天线阵列的方向图把最大增益方向对准目标信号， 零陷对准主要的干扰( 干扰抵消) 。这时就达到了最优的接收，天线阵列的权值 为最优滤波权值使通信获得了最高的信干噪比。 3 1 6 自适应天线阵列 提出自适应的概念是基于对通信系统的动态性要求的考虑。正如2 3 节所描 述，无线信道并不是静止的。而是在不断的变化之中。通信设备在处理信号时必 须要随时间的延伸不断适应通信环境的动态变化才能达到需要的效果。对于阵列 天线具体来说就是要动态调整各个阵元的权因子，从而调整方向图，使其适应环 境的变化。假设某个通信设备使用了天线阵列接收信号，在与设备想要接收的信 号同频的带宽里面还有其他各种各样的同频干扰信号，如前面分折，要达到最优 的通信效果。获得最高的信干噪比，就要使方向图的阵列响应的最大主瓣对准目 标信号，零陷对准主要干扰信号。但是其实并不能保证通信能够以顺利完成通信 过程，因为通信的环境不是静止的，而是无时无刻处在变化中的。目标信号和干 扰信号的来波方向都会随时间改变。这是因为移动通信的首要特点就是移动，就 是说通信的双方起码有一方很有可能处在移动的状态中，这决定信号的来波方向 必然不断变化。而且如2 3 节所描述，无线通信中的电磁波信号是经过许多发射 和散射到达接收方的，这些引起反射和散射的障碍物和散射体都可能处于运动状 态，因为这个物理世界就是在不断的运动之中。变化的环境就要求接收信号的阵 列天线能自适应地不断调整权因子，改变方向图，使主瓣追踪对准目标信号，零 陷对准干扰。在研究自适应天线阵列，就是关心如何自适应调整天线阵列各阵元 的权因子，使阵列输出得到尽量高的信干噪比。这个过程中可以不用过于关心具 体的方向图、主瓣和零陷的概念，因为当获得最优的信干噪比的权因子时，最优 的方向图也自然形成。而且对于通信系统来说，最根本目的还是得到更高的信噪 比。可能最优权因子得出方向图并不是前面所描述的主瓣对准目标信号，零陷对 准主要的干扰信号。这是因为实际通信环境是复杂的，干扰的数目可能比天线阵 歹的自由度多，信号的多径传播造成目标信号的来波方向也可能不只一个。这样 的接收天线阵列更能得到最优的接收效果。总之，自适应阵列天线就是要研究如 何动态调整合并权因子得到最高的信噪比。 3 1 7 波束成形算法 上一节中介绍了自适应天线阵列可以对信号进行空间上的区分，即形成方向 图，空间滤波来形成波束跟踪目标信号的来波方向。本节集中介绍空间滤波技术 和自适应算法。前面几节的论述说明动态改变空间滤波器的合并权因子，得到最 优权因子，就能得到最优滤波。本节所要讲述的自适应滤波技术就是解决如何得 到最优滤波权值的问题。 3 1 7 1 最优空间滤波 s ，( q 擘，( 日掣) 匕 、s s t ) 图3 - 6 自适应阵列处理器 最优空间滤波器的目的就是要求出各个天线阵元的累加权因子，使接收机的 输出最接近参考信号。自适应的处理器( 见图3 6 ) 往往通过反馈得到调整或确 定权因子向量的信息。 3 1 7 2m m s e 算法 对于求出最优的滤波权值 这里 f 3 1 3 ) r = e x ( n ) x ( n ) h 为波束成形阵列输入信号x ( t ) 的相关矩阵( m m ) f 3 - 1 4 1 气= e x ( n ) d ( n ) 1 ( 3 1 5 ) 为波束成形阵列输入和相关信号d ( n ) 的相关矢量( m 1 ) 。 可以用直接的矩阵求逆方式求出。就是通过对各阵元信号的相关信息进行收 集得到输入信号x ( t ) 的相关矩阵r 。 可以采取简单的平均值得出r 和r d 的估计值： 焘：艺m ) x “( 。) ：芝x ( 州( 然后代入式3 1 3 得出最优滤波解w 。，即维纳解【2 8 】。 ( 3 一1 6 ) f 3 一1 7 ) 对于相关矩阵r 和b 估计的准确度会直接影响输出误差效果的好坏。一旦得 到准确的相关信息，得出的最优解就是最优的线性滤波解。 从理论上讲，求累加平均的采样点越多，求得的均值就越准确。即估计误差 随n 的增大而减小，从而使系统的输出信噪比也减小。但是n 的增大意味着运 算量的提高，增加了算法的复杂度。 而且误差随着n 的增大而减小是基于信号是静态的前提下得出的。而实际 的通信系统的信道是变化的。就是说滤波器单元的相关性是在变化中的。如果n 取值过大，就会使旧的相关性信息加入的累加乎均中，反面使估计误差增大，而 不仅仅是算法复杂度的问题。所以如何选取n 求r 和b 的估计值是m m s e 算法 的关键。 对于r 和b 的估计还可以采用遗忘系数的方法来求得均值【2 8j r ( n + 1 ) = ( 1 一兄) r ( n ) + 丑x ( n ) x 8 ( 咒) ( 3 1 8 ) 其中五称为遗忘系数。这还是对采样点进行求平均运算，但是求平均的值是 加权的，对于时间越近的采样点会有较高的加权系数而对于时间比较久远的样 本加权系数就比较小，就是说旧的样本点会渐渐被遗忘。 只要能收集到各个单元信号的相关信息，m m s e 算法能够得出接近维纳解 的最优权值。但是它的缺点是需要对矩阵进行求逆运算，难免运算量比较大。在 天线阵元数较大的情况下不适合使用。 3 1 7 3l m s 算法 m m s e 需要对各单元信号相关信息进行收集和对矩阵求逆运算的要求大大 降低了m m s e 的实用价值。l m s ( l e a s tm e a ns q u a r e s ，最小均方误差) 算法就 是针对点提出的。算法的主要思想是每一次通过对均方误差平面的梯度进行估 计，对滤波权向量进行调整，使权向量接近最优点。 考察滤波器输出的误差函数。 占( f ) = d o ) 一y o ) ( f ) = d ( f ) 一w 0 ) h x ( f ) f 3 一1 9 1 ( 3 2 0 ) ( f ) r = d ( f ) 一w ( f ) ”x ( f ) 】2 e 2 【o ) 】= e ( d 。) 一w ( f ) “x ( f ) ) 2 f 3 - 2 1 ) ( 3 2 2 ) 可以看出均方误差是关于一个w 的函数。可以把m ( 滤波器单元的个数， 也就是天线阵元的个数) 维的空间函数看成一个超平面。均方误差函数就像一张 碗形的超平面，而最小均方误差解w 。就是这个超平面的最小值。l m s 算法就 是对这个超平面在w ( n ) 这一点上的梯度；( w ( 凡) ) 进行估计，然后根据这个估计 对权值进行调整，使权值通过每一次调整一步步逼近碗底( 最低点) 。 w ( n + 1 ) = w ( n ) + ；( w ( ，1 ) ) ( 3 2 3 ) 由于权值是动态调整的，所以如果信号的相关信息随时间发生了变化，只要 权值继续做改变，权值还是能够跟踪到最优权值。 现在要解决的问题是如何求得梯度的估计；( w ( n ) ) 。我们可以用下面的式子 来估计梯度： 而输出误差 可得 g ( w ( n ) ) = 2 x + i ) x 开w ( ，1 ) 一2 x ( n + 1 ) r + ( n + l ) ( 3 2 4 ) s ( w ( ，1 ) ) = ，( n + 1 ) 一w “( n ) x ( 以十1 ) r 3 2 5 ) g ( w ( _ r 1 ) ) = 一2 x ( ，l + 1 ) f + ( w ( n ) ) r 3 2 6 1 这样，l m s 算法的递推公式就是 w ( 以+ 1 ) = w ( ，1 ) 一2 x ( 竹+ 1 ) f ( w ( n ) ) ) ( 3 2 7 ) 系数为步长系数。步长系数决定了每次调整程度的大小。这个系数将非常 影响算法的最终效果。这需要考察的算法效果是收敛速度和l m s 算法的震荡特 性( 稳定性) 。 从收敛速度看，步长系数越大，越有利于权向量的收敛。如果步长系数比较 小，那么每一步的调整都很小，这样，从初始权值到最优权值的收敛过程就要经 过较多的步数。在波束成形滤波器