（通信与信息系统专业论文）智能天线波束形成技术的研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 智能天线是第三代移动通信的关键技术之一，本文对智能天 线的零点形成技术和实用性做了研究与讨论。同时，将智能天线 技术应用到c d m a 系统中，通过仿真验证了智能天线对于c d m a 系统容量提升的巨大作用。 首先，本文对波束形成的基本概念作了概述，讨论了几种常 用的波束形成法一一基本波束形成法、零向波束形成法以及优化 波束形成法。同时，讨论了这几种波束形成法的优缺点。然后对 自适应算法进行了研究，先是对一些基本的自适应算法一一l m s 算法及r l s 算法进行了分析讨论，用计算机仿真的结果论证了 l m s 算法以及r l s 算法的性能，l m s 算法和r l s 算法都能在期 望信号方向上形成最大增益，但是对干扰的抑制作用不理想，并 且计算量较大。接着提出了一种改进型的自适应算法一一严格约 束的最小功率算法( d c m p ) ，通过理论证明了其计算量小、抑制 干扰能力强的特点，并通过计算机仿真定性的分析了d c m p 自适 应算法的性能。本文在第四章对c d m a 接收技术的作了系统的介 绍研究，给出了c d m a 系统容量的定义和理论公式，并且对c d m a 系统中所固有的问题一一多址干扰和远近效应做了比较深入的阐 述。同时提出了解决多址干扰和远近效应问题的几种行之有效的 方法。在最后一章，本文提出将智能天线应用于c d m a 系统中的 思想，给出了应用智能天线后c d m a 系统容量的模型，在理论上 证明了智能天线对于提升c d m a 系统容量的巨大作用，并得到了 较好的计算机仿真结果。 关键词：智能天线；波束形成；l m s 算法；r l s 算法；自适应算 法 a b s tr a c t s m a r ta n t e n n ai st h ek e yt e c h n o l o g yo ft h et h i r dg e n e r a t i o n m o b i l ec o m m u n i c a t i o n i nt h i sp a p e r ，t h et e c h n i q u eo fs m a r ta n t e n n a c a u s i n gz e r o p o i n t a n dt h e p r a c t i c a b i l i t y o ft h es m a r ta n t e n n aa r c s t u d i e da n dd i s c u s s e d a n dw ea p p l yt h es m a r ta n t e n n at ot h es y s t e m o fc d m a t h r o u g hs i m u l a t i o nw ec a np r o v et h e g r e a t r u c t i o no f s m a r ta n t e n n ai ni m p r o v i n gt h ec a p a b i l i t yo ft h es y s t e mo fc d m a f i r s t l y ，t h e b a s i cc o n c e p t i o no ft h ef o r m a t i o no ft h eb e a mi s s u m m a r i z e d ，a n da l s od i s c u s ss o m eu s u a lf o r m a t i o no fb e a m - b a s i c f o r m a t i o no fb e a m ，z e r o p o i n to fb e a ma n do p t i m i z e df o r m a t i o no f b e a m a tt h es a m et i m e ，t h ea d v a n t a g e sa n dt h ed i s a d v a n t a g e sa r e a l s od i s c u s s e di nt h i sp a p e r t h e ni nt h et h i r dc h a p t e r ，w es t u d yt h e a d a p t i v ea r i t h m e t i c a tf i r s ts o m eb a s i ca r i t h m e t i c ，t h el m s a n dr l s a r e a n a l y z e da n dd i s c u s s e da n ds i m u l a t et h e mi nt h ec o m p u t e rt o p r o v et h e i rc a p a b i l i t y b o t ho f t h e mc a nf o r mt h eb i g g e s tp l u si nt h ed i r e c t i o n o fe x p e c t e ds i g n a la n di t sd i f f i c u l tf o rt h e mt or e s t a i nt h ei n t e r f e r ea n dt h e s u mo fc a l c u l a t i o ni s l a r g e t h e nis t u d yao p t i m i z e da r i t h m e t i c - d c m p a n da n a l y z ei t sc a p a b i l i t yt h r o u g ht h es i m u l a t i o ni nt h ec o m p u t e ra n dt h e o r y i nt h ef o u r t hc h a p t e r ，t h et a k e o v e rt e c h n i q u eo fc d m ai si n t r o d u c e d a n ds t u d i e d t h e nw ei n t r o d u c et h es y s t e mc a p a c i t ya n di t sf o r m u l a o fc d m aa n da l s o e x p o u n dt h em u l t i p l e r c c e s si n t e r f e r e n c e t h e i n h e r e n tp r o b l e mo fc d m a t h e ns e v e r a ls o l u t i o n so ft h ep r o b l e m a r ep u tf o r w a r d i nt h el a s tc h a p t e r ，s m a r ta n t e n n ai s a p p l i e dt ot h e c d m as y s t e m ，a n db r i n gf o r w a r dt h e s y s t e m m o d u l ao fc d m a c o m b i n e dw i t hs m a r ta n t e n n a t h e n t h r o u g h t h es i m u l a t i o ni n c o m p u t e ra n dt h e o r y , t h eg r e a te f f e c to fs m a r ta n t e n n ai ni m p r o v i n g t h ec a p a c i t yo fc d m a i sp r o v e d k e yw o r d s ：s m a r ta n t e n n a ；f o r m a t i o no fb e a m ；l m sa r i t h m e t i c ；r l s a r i t h m e t i c ；a d a p t i v ea r i t h m e t i c 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经公开发表的作品成果。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。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ： 日期：刍伸弓年 胡叼日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 1 概述 第1 章绪论 随着通信的进步，经济和科技的发展，人类社会已经进入了 信息时代。人们对于通信的要求越来越高，这促进了移动通信的 发展。 随着全球通信事业的发展和通信业务的日益增加，作为未来 个人通信网重要组成部分的无限移动通信成为目前发展的前沿和 热点。无线通信采用的多址方式主要有三种：f d m a ( f r e q u e n c y d i v i s i o n m u l t i p l e a d d r e s s ) 、t d m a ( t i m ed i v i s i o n m u l t i p l e a d d r e s s ) 和c d m a ( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea d d r e s s ) 分别称之为 频分多址、时分多址和码分多址。多址技术实质上是滤波问题， 许多信号可以同时使用一个频谱，然后采用不同的滤波器和处理 技术，是不同的用户信号之间互不干扰的被分别的接收和解调。 在有限的通信资源条件下，移动用户数量的激增引起的信道 容量不足、通信质量下降等矛盾十分突出。为了解决这些矛盾， 九十年代初一种新的基于空分多址( s d m a ) 的通信技术一一智能 天线技术应运而生川。 1 2 采用智能天线的动因 为了在复杂电磁环境中保证信号传输的可靠性、智能天线技 术逐渐得到人们的广泛关注。随着信息化时代的到来，无线通信 的信号频谱密度越来越高，如何充分有效地利用有限的频谱资源 已经成为人们普遍关心的关键问题之一，频分多址( f d m a ) 和时分 多址( c d m a ) 这二种通信体制，是传统的频域和时域的频谱管理方 啥尔滨工程大学硕士学位论文 法针对这二种体制的不足，码分多址( c d m a ) 的通信体制，能较 大地提高频谱的利用效率，所以第三代移动通信系统都采用了 c d m a 的通信体制但是由于各用户特征码之间的不完全正交性 以及远近效应的存在，c d m a 系统的容量和通信质量仍然无法满 足人们日益增长的需求为此提出了由空域上来分离用户，从而 提高频谱利用率的设想，即在原来的c d m a 或t d m a 基础上再加 上空分多址( s d m a ) ，它是通过电磁信号的空间分离来消除用户之 间的干扰智能天线就是在s d m a 设想下提出来的一种新型的天 线系统，它通过对多个天线阵元所接收的信号进行幅相加权来获 得所需要的天线波束指向以实现空间分离对于在空间上隔离的 多个用户，可以分配给它们相同的时隙、频率及用户特征码，从 而可以大大地提高频谱利用率和通信的容量，而且还可以提高输 出的信噪比，大大改善通信质量、提高系统容量、增大基站覆盖 范围。智能天线的概念使得天线从传统的单一场路转换器件发展 成具有一定信号处理功能，并和接收机后端处理紧密结合的天线 系统。 智能天线由能进行信号处理的天线阵列组成，其空间处理能 给系统的设计提供更多的自由度，波束的空间滤波能使期望信号 的方向具有高增益而使干扰方向实现近似零陷，以达到抑制和减 少干扰的目的，相应地改善系统的性能。目前已经提出将智能天 线用于移动通信系统中来克服信道带宽有限的问题，以满足日益 增多的移动用户的需求。智能天线能通过提高信道容量和频谱利 用率扩大覆盖范围，降低信号发射功率，使用多波束跟踪用户， 补偿孔径失真，降低延迟扩展，多径衰落，共道干扰，系统复杂 性，误码率( b e r ) 及中断概率等来改善系统的性能。智能天线通常 可分为交换束天线和自适应阵列天线两种类型。不同的天线类型 对主瓣和零陷的控制具有不同的准确度和自由度。其中自适应阵 列能使主束准确地对准期望信号的方向，而尽可能地对干扰信号 进行抑制，其性能优于交换束天线。 当前，在雷达、声纳和通信系统中，作为降低干扰损害程度 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 的一种有效手段，智能天线是一个被人们广泛研究重视的课题。 智能天线之所以受到广泛的重视，主要在于它的智能一一自适应 性能。它能自动的感知干扰源并能对其产生抑制作用，同时它还 能增强所需要的信号。智能天线是一个由传感器和实时自适应信 号接收机一一处理机所组成的系统，它能够自动调节传感器的方 向图。智能天线将主波束对准所需要的信号，将方向图波束的零 陷调整到干扰源方向，这样就保证接收到所需要的信号。这种抗 干扰性能是智能天线最突出的特性f 2 】。 1 3 智能天线技术的研究现状和发展方向 由于智能天线本身具有的优点，受到了包括我国在内的世界 各国的重视，花费了大量的人力和资金开展这方面的理论研究工 作，并建立了一些技术实验平台。 ( 1 ) 欧洲的进展 欧洲通信委员会r a c e ( r e s e a r c hi n t oa d v a n c e d c o m m u n i c a t i o ni n e u r o p e ) 计划中实施了第一阶段的智能天线研 究，称之为t s u n a m t 。 天线由8 个阵元组成，阵元分布分别由直线阵、平面阵 和圆形阵三类，阵元间距可调。 射频工作在1 8 9 g h z ，采用t d d 双向双工工作方式。 数字信号处理方式采用了接收信号直接优化权值系数处 理和在a i d 后外加预处理方式的两种不同方式。优化算 法采用了识别信号波达方向的m u s i c 算法和两类不同的 自适应算法：l m s 算法和r l s 算法。 通过测试表明平面型、圆环形天线阵更适合室内通信环 境，而一般市区环境则采用简单直线阵更为合适。 ( 2 ) 美国的进展 a r r a yc o m m 公司与我国的信威公司合作共同研制出用于 无线本地环路的w l l 智能天线系统；a r r a yc o m m 产品采 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 用可交阵元配置，有四元和十二元环形自适应阵列可供 不同环境选用。信威产品为八元环形阵列。 将a r r a yc o m m 产品在日本基站进行试验，试验结果表明 该技术可以使系统容量提高4 倍。 ( 3 ) 我国的进展 我国对智能天线的研究也极为重视，目前，总体上处于理论 研究和技术跟踪阶段。信息产业部电信科学技术研究院所属的信 威公司己成功的开发出用于w l l 的t d d 方式的s - c d m a 产品， 并计划将其改进并推广到我国自己提出的t d - s c d m a 方案中，华 东电子研究所也开发出了八阵元的数字波束形成系统。这些研究 工作都为智能天线技术的工程实现打下了坚实的基础。 1 4 本文的主要工作 本论文分析各种波束形成法：常规波束形成法、零向波束形 成法、优化波束形成法、线性约束最小方差波束形成法等。通过 理论推导及仿真分析各种波束形成法的优缺点及其适用范围。进 而，通过现代移动通信对于实时性的要求研究分析了各种自适应 算法的性能、优缺点和适用范围进行计算机仿真，并且从理论上 分析了产生这些影响的原因。最后，将智能天线技术引入现代移 动通信技术中( c d m a ) ，建立系统模型，并仿真出采用智能天线 后，对于c d m a 系统容量所产生的影响。 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 1 引言 第2 章智能天线阵的基本问题 为设计一个自适应阵而使它满足某种性能，我们就必须知道 很多有关自适应阵的知识。如图2 1 中给出了自适应阵列天线的原 理结构图。由图中可以看出，智能天线系统是由天线阵、模数 ( a d a ) 、波束形成网络等几个部分组成的。接收信号时，天线 阵将接收到的第k 个用户以角度以入射的信号以“) ，经过模数转 换以后送入波束形成网络实现最佳接收。波束形成网络能够根据 用户信号的空间特征和一定的自适应算法准则，由数字信号处理 器产生自适应的最优权。，从而对所要接受的用户k 的 信号实现最佳接收。 由上面的叙述中可以看出自适应的智能算法和波束形成技术 是智能天线技术中的核心内容，算法的性能好坏、收敛速度和计 算量的大小等因素，都直接影响着整个系统的性能 3 1 。 天牲阵梗数转换被柬形成网路 本地参考信号 图2 1 智能天线的原理结构图 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 2 波束形成的基本概念 波束形成是智能天线技术的基础，我们以均匀分布的线性阵 列为代表介绍波束形成的基本概念。如图1 2 所示，n 个无方向性 的天线单元组成的线性均匀阵列，天线单元之间的间距为d ，第k 个用户信号0 ) 以角度嚷( 指与线阵法线的夹角) 方向入射。若 以左边的第1 个天线阵元为时间参考点，则在远场条件下以( f ) 到 达相邻两天线单元的时间差可以表示为： 慨：d s i n 9 k( 2 1 ) u 其中，d 为光速。 圈2 2 波束形成技术的原理图 如果乱( r ) 可以表示成 ( f ) = a k ( t ) e j 。k + n ( ) 】( 2 2 ) 其中吼( r ) 为信号的幅度，q 为信号的频率，c k q ) 为信号的相位。 如果我们考虑的是窄带系统，用户的信号矗( f ) 为窄带信号，吼( f ) 和 伊( ，) 相对于靠为缓慢变化的信号，到达第n 个阵元的第k 个信号 可以表示为 p ) = 如“( f + 0 一1 ) o ) = 4 时p 地( 肿1 h 口上( f ) e h + n p ) 】( 2 3 ) = - o ) 其中c 0 = 厶8 胁“一啦h 。 如果此时采用复加权系数，对n 个天线阵元的输出x 。迸 6 哈尔暝工程大学硕士学位论文 行加权处理并求和，则输出信号y k ( f ) 可以表示为： 广 儿( f ) = o ) = c 。k s k o ) 巩( r ) i 艺l ( 2 4 ) “。1 月= i l n - i j 如果令复加权系数：= ( ) ，则加权后的输出信号为： y i ( r ) = n s k ( r ) ( 2 - 5 ) 由此可见，在理想加权的情况下，阵列输出的合成信号可以 是输入信号的n 倍，n 个天线起到空间分集接收的增强效果。 如果天线单元的一致性很好且其幅频特性与频率无关，不妨 假设九= 1 。则第n 个天线阵元的复加权系数为： = ( ) - 1 = e - j 。* ( n - 1 ) a “( 2 - 6 ) 将= 坐警代入上式，并令孱；吼a r k 可得： 9 t = ( o k a r k ：! 互：垡墅堡 v ：= 2 z v d s i n o k ( 2 7 ) 式中， = 手为第k 个用户信号的波长，则此时：。一j ( n - d # k 。 ，m 最后可以获得对应于第k 个用户的复加权系数的天线归一化 方向图函数为： = 砖乳e 胁哮枷f 2 = j1 占e 争j 2 沼s ， 哈尔滨工程大学硕士学位论文 用k 个复加权系数呒。( n = l ，2 ，k ) 同时对n 个天线阵 输出的信号进行加权处理就可以获得分别指向k 个用户入射方向 的波束。 图1 3 和1 4 中绘制了八元阵均匀线阵在0 一一9 0 度之间的归 依化方向图e ( 口) 。图中阵元间距为半波长冬，图1 3 中用户k 的 z 入射角度为2 0 。，图1 4 中用户k 的入射角度为6 0 。由图中可以清 楚地看到，波束的主瓣指向所希望接收的用户信号方向。 图2 3 信号入射角度为2 0 的八阵元智能天线波束形成图 图2 4 信号入射角度为5 0 的八阵元智能天线波束形成图 哈尔滨工程大学硕士学位论文 上面介绍的波束形成思想是以均匀线阵为代表。实际波束形 成中的阵列形状还可以是面阵、圆阵甚至是不规则阵等，不同的 组阵方式对于系统的性能会有一定的影响。欧洲通信委员会的 r a c e 计划的研究报告指出，平面型、圆环型天线阵适合于室内通 信环境，而一般市区环境则采用简单的直线阵更加合适。 以上情况是在无噪声的理想情况，实际在天线的接收过程中， 除了接收期望信号以外还会收到各种各样的噪声以o ) 。我们将上面 介绍的过程用适量的形式表示为： n艺 y k ( t ) = ( f ) = 皑x ( ) = 嵋( r ) + 吖口l 丑o ) + 彬胛o ) “ 1 触 ( 2 - 9 ) k = ”( f ) + 皑墨( f ) + h ( f ) = y ( r ) + y ( f ) + y 。( r ) 1 - 1 ，t # k 其中x o ) = k ( o ，x 2 ( t ) ，x u ( t ) r 是阵列的输出信号， ( 坼= 帆 ，职一，r 是接收第k 个信号的自适应权矢量。 s ，( d = a ，s l ( t ) 为第i 个用户岛的信号经过阵列以后的输出， q = i l ，8 埔，e j ”，e j ( “1 ) a ，f 是阵列对用户i 的方向矢量，i = 1 ，2 ， k 。n ( t ) = h ( r ) ，刀：( f ) ，h ( r ) r 为系统中与用户信号无关的噪声信号。 上式右边三项依次分别代表期望用户信号，其他用户的干扰信号 和噪声信号。其中( ) 1 表示转置，( ) 1 表示共轭转置。 智能天线技术的基本原理就是通过自适应权向量的选取来 达到提取所希望接收的信号y 。( f ) ，抑制干扰信号y ，( f ) 和噪声信号 y 。( f ) 的目的，实质是在原有的时域处理的基础上引入了一个空域 滤波。上面介绍的波束形成方法是空域滤波中最简单的一个实现 方案。这种方法由于只是简单地将最大波束对准了所要接收信号 的入射方向，对于其它方向的干扰信号或噪声未加任何限制，并 不是一种最优的波束形成方案。利用自适应天线阵列的波束形成 能力，我们可以根据一定的性能准则来选取最佳权矢量，以提高 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 系统的性能【，l 。 2 3 波束形成法的研究 以上阐述了波束形成的基本概念，下面对智能天线的一个关 键问题一一波束形成法进行深入的研究。 2 3 1 基本波束形成法 令空间远场有一个我们感兴趣的信号d ( f ) ( 称作期望信号，其 波达方向为吼) 和j 个我们不感兴趣的信号f ，o ) ，j = 1 ，j ( 干扰 信号，波达方向为岛) 。令每个阵元上的加性白噪声为( f ) ，它们 都具有相同的方差盯：。在这些假设条件下，第k 个阵元上的接收 信号可以表示为 j 坼o ) = a k ( 吼) d ( f ) + a k ( 岛) 0 ( f ) + n k ( t ) ( 2 - 1 0 ) - 1 式中等式右边的三项分别表示信号、干扰和噪声。 若用矩阵形式表示式( 2 - 1 0 ) ，则有 x z ( t ) x 2 ( ，) o ) ：【口) 口 ，卜，口札) l ( ，) d ( f ) h ( f ) + n l ( 0 聆2 ( f ) ( f ) ( 2 一1 1 ) 或简写作 ， z o ) = 4 j o ) + n ( f ) = 口( 吼) d ( f ) + a ( o u ) i j ( t ) + n i o ) ( 2 - 1 2 ) 式中口瓴) = k 晚) ，d 。) ，口札) 为来自波达方向o 。( k = d ，i ，i2 ) 的发射信源的方向向量。 n 个快拍的波束形成器输出j ，= w 8 x ( ，) ( t = 1 ，n ) 的平均 功率为 1 0 户( w ) = 万善n1 ) ，( r 2 = 蒜1 w h x p l 2 = w 口( 以) j 2 万1 善3 tf d ( ，) j 2 + ；jl f 万1 善f ( 。1 2 w h 口( 岛) 1 2 十。一。) 翱圳2 白酬1 2 这里忽略了不同用户之间的相互作用项即交叉项f ，( f ) ( f ) 。 当n 一一时，式( 2 - 1 3 ) 可以写成 p ( 们= e y o ) 1 2 = w ”e e o ) x 8 0 ) h = w ”r w ( 2 1 4 ) 其中r = e x ( t ) x ”( f ) 为阵列输出的协方差矩阵。 另一方面，当n 一一时，式( 2 - 1 3 ) 还可以表示为 p ( w ) ：e 扛( 蚓2 1 w 一口( 钆4 2 + 壹五轧( f ) f 2 w h 口嘞1 2 + 一m 1 2 ( 2 1 5 ) 在获得上式的过程中，使用了各加性噪声具有相同方差仃：这一加 设。 表示波束形成器的期望输出功率的式( 2 - 1 4 ) 、( 2 - 1 5 ) 的两种 形式是非常有用的。为了保证来自方向0a 的期望信号的正确接收， 并完全抑制其它j 个干扰，我们很容易根据式( 2 - 1 5 ) 得到关于 权向量的约束条件： w “口( 吼) = 1 ( 2 - 1 6 a ) w “口魄) = 0 ( 2 - 1 6 b ) 约束条件( 2 - 1 6 b ) 习惯的称为波束“置零条件”，因为它强迫接 收阵列波束方向图的“零点”指向所有j 个干扰信号。在以上两 个约束条件下，式( 2 - 1 5 ) 简化为 p ( w ) = e 忙o ) 1 2 j + 盯到叫f 2 从提高信干噪比的角度来看，以上的干扰置零并不是最佳：虽然 选定的权值可使干扰输出为零，但可能使噪声输出加大。因此， 抑制干扰和噪声应一同考虑。这样一来，波束形成器最佳权向量 哈尔滨工程大学硕士学位论文 的确定现在可以叙述为：在约束条件( 2 - 1 6 ) 的约束下，求满足 睁e y | 2 ) = 嘲nw h 妄w ( 2 _ 1 7 ) 的权向量w 。这个问题很容易用拉格朗日乘子法求解。令目标函数 为 工( w ) = w ”r w + 2 w “a ( 口a ) - 1 j ( 2 - 1 8 ) 根据线性代数的有关知识，标量函数“w ) 对复向量w = w o ，w l ， w m + l 】1 ( 其元素w i = a i + j b i ) 的偏导数定义为 a f ( w ) ： a w e l ( w ) 加。 彭( w ) o a u + i + 彰( 叻 a 6 0 a f ( w ) a 6 ，+ l ( 2 1 9 ) 利用这一定义，可以得到 翌螳墨塑：2 a w( 2 - 2 0 a ) 0 w 堂：c( 2 - 2 0 b ) o w 由式( 2 1 8 ) 和( 2 2 0 ) 可以很容易的得到型掣：o 的结果是 洲 2 r w + 2 a ( o a ) = 0 ，直接得到接收来自方向以的期望信号a ( t ) 的波束 形成器的最佳权向量为 = 肚“口( 以) ( 2 - 2 1 a ) 式中，t 为一比例常数：o e 为我们期望接收的信号的波达方向。这 样，我们就可以决定所有j + 1 个发射信号的波束形成的最佳权向 量，此时，波束形成器将只接收来自方向o d 的信号，并拒绝所有 来自其它波达方向的信号。 注意到约束条件w ”口( 以) = 1 也可以等价写作( 吼) w = 1 。式 ( 2 - 2 1 a ) 两边同乘以a t ( 吼) ，并与等价的约束条件比较，这样就 1 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 可以知道式( 2 - 2 1 a ) 中的常数应满足 “：三一 ( 2 - 2 1 b ) 。 d “( 岛) r “口( 以) 从上面介绍的阵列处理的基本问题可以看出，空域处理和时 域处理的任务截然不同，传统的时域处理主要是提取信号的包络 信息，作为载体的载波在完成传输任务之后，不再有用；而传统 的空域处理则是为了区别波达方向，主要利用载波在不同帧元之 间的相位差，包络反而不起作用，并利用窄带信号的复包络在各 阵元的延迟可忽略不计这一点以简化计算。下面，就通过计算机 仿真来验证基本波束形成法的性能。 下面通过计算机仿真来验证基本波束形成法的性能。其中期 望信号的入射方向为4 0 ，干扰信号分别来自2 0 ，6 0 ，噪声为白 噪声，信干比为1 0 d b ，仿真结果如图2 5 所示 图2 5 基本波束形成法仿真结果 图2 5 是在智能天线阵列为均匀线阵，接收信号波长为1 ( 即 信号频率为3 0 0 0 0 0 0 0 0 h z ) 得到的结果。由上图可以清楚的看出， 在期望信号上形成了较大的增益，而在其它方向上增益相对于期 望信号方向低，特别是在干扰的方向上形成了较深的零陷，达到 一2 5 d b ，这样，就可以在最大程度上消除干扰信号对于信号接收的 影响。通过式( 2 - 2 1 ) 可知波束形成器的最佳权向量w 取决于阵 哈尔滨工程大学硕士学位论文 列方向向量口( 吼) ，而在移动通信里用户的方向向量一般是未知的， 需要估计。因此，我们在使用( 2 - 2 1 ) 计算波束形成的最佳权向量 之前，必须在已知阵列几何结构的前提下先估计期望信号的波达 方向。 2 3 2 零向波束形成法 在已知来波方向时，可以利用零向波束形成法，在保证期望 信号方向的增益为1 的同时，使干扰信号来波方向的响应为零， 从而起到抑制干扰的作用。 零向波束形成法要满足下列约束条件： a3 4 ；= e ( 2 2 2 ) 式中，j = k ，q 】，；：【1 ，o ，o r ，：为( m + 1 ) x1 的列向量， s ，( i 。1 ，m ) 为干扰信号方向的空间响应函数1 5 】。 当m + 1 2 l 时，a 为方阵，若a 。存在，即所有的方向向量是独 立的，则： _厂呻、- w = i 一”i p ( 2 - 2 3 ) 而当m + i l 时，a 不是方阵，则 ；：彳玎； ( 2 2 4 ) 下面通过计算机仿真来验证零向波束形成法的性能。其中期 望信号的入射方向为4 0 ，干扰信号分别来自2 0 - ，6 0 - ，噪声为白 噪声，信干比为- 1 0 d b ，仿真结果如图2 5 所示 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 嫠叫呱川k t 川 ( 2 _ 2 5 ) f一 “ 利用拉格朗日( l a g r a n g e ) 多项式求解，可以得到最佳权值为【5 】： 矿：页。j ( j “元“j 1 一一；( 2 - 2 6 ) 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 3 3 优化波束形成法 优化波束形成法又称为最优合成法或者是最小方差无失真响 应波束形成法简称为m v d r 。在干扰源的来波方向和信号能量以 及白噪声的能量大小未知，而只有期望信号的方向已知时，可以 利用它来最大限度地抑制干扰，提高输出信噪比( s n r ) 。它的约 束条件是： i m i a e ( w ) = m i n ( w r 们 w hso =1 。2 7 也就是说在使期望信号方向的增益为l 的同时使平均输出功 率最小化。此约束条件能够保证期望信号无失真的通过，因此输 出信号功率与期望信号源的功率是相同的。将输出噪声最小化的 同时保证输出的期望信号为常数，这与最大化输出s n r 是等价的。 由上述约束条件得到的最优权值为： o = 枭 ( 2 2 8 ) 此方法要求干扰源的数目m l 2 ，因为l 阵元的天线具有 l 1 个自由度，而其中一个已被用作期望信号方向的约束。在移动 通信环境中，由于存在多径信号，阵列波束形成器不可能对每个 干扰进行抑制，同时最大化输出s n r ，但是即使输出s n r 仅仅增 大几分贝，也会使信道容量有很大的提高【5 】。 下面是对优化波束形成法的计算机仿真结果，其中期望信号 入射方向为4 0 ，干扰分别以6 0 、2 0 。的角度入射，噪声为均值为 零的白噪声，信干比为1 0 d b 其中期望信号和干扰互不相关。天线 阵列为八元均匀线阵，仿真结果如下： 1 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图2 7 优化波束形成法仿真结果 将干扰信号入射角度调整为5 0 。、3 0 ，其它的条件同上不变 则仿真结果为图2 8 所示 图2 8 干扰入设于5 0 。、3 0 时优化波束形成法仿真结果 同样，将干扰信号入射角度调整为4 5 、3 5 。，其它的条件同上 不变，则仿真结果为图2 9 所示 1 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图2 9 干扰入设于4 5 、3 5 时优化波束形成法仿真结果 根据图2 8 、图2 9 所示可以看出，当干扰信号和期望信号方 向越来越接近时，天线阵列在期望信号方向上的增益逐渐减小， 当干扰信号方向和期望信号方向接近到一定程度的时候，虽然， 天线阵列仍然能够在干扰方向形成较深的零陷，但是，在期望信 号方向上并不能形成最大增益了，这样就会影响信号的正常接收。 2 4 本章小结 迄今为止，自适应阵列理论已经比较成熟了。但是因为它的优 势，人们对它仍然很感兴趣，现在的研究仍然十分活跃，有待研 究的课题也很多。 为了能更好的讨论自适应理论，本章我们主要讨论了波束形 成的基本概念，并对基本波束形成法、零向波束形成法以及优化 波束形成法作了比较深入的研究，并给出了计算机仿真结果，这 为后几章自适应理论的研究做了必要的铺垫。 1 8 3 1 概述 第3 章智能天线算法的研究 近几十年来，无线通信经历了从模拟到数字，从固定到移动 的重大变革。而就移动通信而言，为了更有效地利用有限的无线 频率资源，时分多址技术( t d m a ) 、频分多址技术( f d m a ) 、码 分多址技术( c d m a ) 得到了广泛的应用，并在此基础上建立了 g s m 和c d m a 两大主要的移动通信网络。就技术而言，现有的这 三种多址技术已经得到了充分的应用，频谱的使用效率已经发挥 到了极限。空分多址技术( s d m a ) 则突破了传统的三维思维模式， 在传统的三维技术的基础上，在第四维空间上极大的拓宽了频谱 的使用方式，使得移动用户仅仅由于空间位置的不同而复用同一 个传统的物理信道成为可能。并将移动通信技术引入了一个更为 崭新的领域。而实现它的技术核心则是自适应智能天线技术。 在自适应智能天线技术中，其核心内容是自适应算法。智能 天线依据采用的优化准则自适应的调整加权矢量，以跟踪信号环 境的变化。不过，由于各种准则的最优权值均收敛于最优维纳解， 因此准则的选择并不是很重要，主要的工作在于自适应算法的选 择，因为算法决定了天线阵暂态响应的速率和实现电路的复杂度， 所以它是智能天线阵列处理的核心部分。下面我们就对几种常用 的自适应算法及其性能一一进行阐述。 3 2 基本智能天线算法的研究 3 2 1 t m s 算法 l m s 算法是智能天线的一个基本而重要的方法。基于此算法 1 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 的各种形式的阵列天线己广泛的应用于自适应天线系统，在抗多 径干扰信号方面取得了较好的效果。这是因为智能天线能自适应 的锁定并且跟踪信号，同时把天线方向图的低响应点对准多径干 扰信号。 天线阵列结构如图2 1 所示，其中权系数向量为w 。在这类算 法里，更新方向向量v ( n ) 取作第n 一1 次迭代的代价函数j w ( n 一1 ) 】 的负梯度，即最陡下降法的统一形式为 m k 刀) = w ( n 1 ) 一“( 一) v ( 玎) ( 3 1 ) 式中，v ( 以) 表示代价函数的梯度，即v ( n ) = v j 似一- i ) 】 。 但是，梯度的计算是复杂的，通常用适当的估计值v 铆) 代替。 若用 v ( 帕= - 2 e ( n ) x ( n ) ( 3 - 2 ) 作为梯度的无记忆逼近，式中误差信号e ( 哟定义为期望输出d ( 坊与 天线阵列实际输出之间的误差，即 8 ( 聆) = d ( 甩) 一w 7 ( 厅一1 ) 工( 一) ( 3 - 3 ) 则式( 3 1 ) 变为 “，1 ) = w ( n 1 ) + u ( n ) x ( n ) e ( n ) ( 3 - 4 ) 其中”( 砷为第n 次迭代的步长，若”( 哟为常数就是基本l m s 算法【4 1 。 下面就对l m s 算法的性能做一下深入的分析。假设天线阵列 为四阵元均匀线阵，阵元间距为0 5 米，快拍数为5 0 0 0 ，权系数 初始值为w = 【o ，0 ，0 ，0 】，u = o 0 0 1 ，l m s 收敛情况如下图所示： 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图3 1 迭代步长为0 0 0 1 时l m s 算法收敛性能仿真 由 ：图所示，算法在迭代到3 0 0 0 次时收敛。适当的调整迭代 步长u = o 0 5 则 剀3 2 迭代步长为0 0 5 时l m s 算法收敛性能仿真 可以清楚的看到收敛速度大大加快，在迭代到8 0 0 次的时候 权系数已经收敛到最佳值。下面，我们继续探讨一下将基本l m s 算法应用于智能天线阵列中的性能。 假设接收天线阵列为8 阵元均匀线阵，阵元间距为半波长0 5 米，期望信号从4 0 方向入射，干扰信号分别来自2 0 和6 0 - ，噪 声为均值为0 的自噪声，波束图如图3 3 所示： 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图3 3 智能天线采用基本l m s 算法波束图 由图3 3 可见，基本l m s 算法可以在期望信号方向上形成最 大增益，但是不能形成零陷，具有一定的抗干扰性能。l m s 算法 的优点在于实现电路非常简单。但是对于移动通信而言，算法的 收敛速度是很重要的一个性质。而l m s 算法由于其收敛速度很慢， 因此在信号环境变化很快时期性能并不是很好，且算法性能对于 阵列信号协方差的特征值散布度很敏感，当散布度很大时，很难 收敛。所以，人们又提出了采用可变步长等方法，在这里就不再 赘述了。 3 2 2 r l s 算法 r l s 算法是基于使每一快拍的阵列输出平方和最小的准则，即 最小二乘( l s ) 准则。它利用了从算法初始化后得到的所有阵列 数据信息，用递推方法来完成矩阵的求逆运算，因而收敛速度快， 对特征值的散布度不敏感，且能实现收敛速度与计算复杂性之间 的折衷。一般情况下，r l s 比l m s 的收敛速度快一个数量级。下 面，我们就r l s 的性能做一下深入的研究。 令代价函数为 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ，( w ) = 壹刀“) - w r x ( 万) 1 2 ( 3 5 ) 式中0 1 ，则有= 鲁 3 ) f o 结果表明，在误比特率一定的条件下，所需要归一化信噪比 越小，系统可以同时容纳的用户数越多。但同时需要注意这样一 个假设条件，所谓到达接收机的信号强度与各干扰强度都一样， 对单一小区而言，在正向传输时，不加功率控制即可满足；但在 反向传输时，各移动台向基站发射的信号必须进行理想的功率控 制才可以满足。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 4 1 3c d m a 系统的主要优点 c d m a 系统采用码分多址技术与扩频通信原理，使得可以在 系统中使用多种先进的信号处理技术，为系统带来了许多优点。 1 大容量 根据理论计算及现场实验表明，c d m a 系统的信道容量是膜 拟系统的1 0 2 0 倍，是t d m a 系统的4 倍。c d m a 系统的高容量 很大一部分因素是由于它的频率复用系数远远超过其它制式的蜂 窝系统，另外一个主要因素是它使用了话音激活和扇区化等技术。 2 软容量 在f d m a 、t d m a 系统中，当小区服务的用户数达到最大信 道数，已满载的系统绝对无法再增添一个信号，此时若有新的呼 叫，该用户只能听到忙音。而在c d m a 系统中，用户数目和服务 质量之间可以相互折中，灵活确定。例如系统经营者可以在话务 量高峰期将误帧率稍微提高，从而增加可用信道数。同时，当相 邻小区的负荷较轻时，本小区受到的干扰减少，容量就可以适当 增加。 体现软容量的另一种形式是小区呼吸功能。所谓小区呼吸功 能就是指各个小区的覆盖大小是动态的。当相邻小区负荷一轻一 重时，负荷重的小区通过减小导频发射功率，使本小区的边缘用 户由于导频强度不够，切换到相邻小区，使负荷分担，即相当于 增加了容量。 3 软切换 所谓软切换是指当移动台需要切换时，先与新的基站连通， 而不是先切断与原基站的联系再与新的基站连通。软切换只能在 同一频率的信道间进行，因此，模拟系统、t d m a 系统不具有这 种功能。软切换可以有效的提高切换的可靠性，大大减少切换造 成的掉话，因为据统计，模拟系统、t d m a 系统无线信道上的掉 话9 0 发生在切换中。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 4 高的话音质置和低发射功率 由于c d m a 系统中采用有效的功率控制、强纠错能力的信道 编码及多种形式的分集技术，可以使基站和移动台以非常节约的 功率发射信号，延长手机电池使用时间，同时获得优良的话音质 量。 5 保密性 c d m a 系统的信号扰码方式提供了高度的保密性，使这种数 字蜂窝系统在防止串话、盗用等方面具有其它系统不可比拟的优 点。c d m a 的数字话音信道还可以将数据加密标准或其它标准的加 密技术直接引入【l 】。 4 2 常规o d m a 接收技术 在c d m a 系统中所有k 个当前用户在同一个信道上发射，因 此接收信号是k 个当前在线用户所发射的信号与信道中的加性高 斯白噪声之和。如图4 2 所示，每个在线用户发送如下信号： 叱( f ) = 2 最巩( f r ) 墨0 一o ) c o s ( c o , t + 啡) ( 4 - 4 ) 其中，足，“和馥分别是用户k 的信