（通信与信息系统专业论文）移动通信系统中的数字波束形成技术.pdf

内容摘要 移动用户数量的急剧增加，要求更高的系统容量和更好的服务质量。自适 应阵列天线技术是满足此要求的一个重要技术。本文重点研究智能天线的关键 技术之一波束形成技术，在移动通信系统下的应用，并提出一种新的算法， 能够突破阵列的物理限制，形成超过天线阵元数波束，以便能在移动通信的多 径环境下工作，以少量的天线阵元数实现多波束，节约成本。 在参考大量的国内外的相关文献的基础上，一是研究传统的波束形成方 法，包括，包括最小方差无畸变响应、采样数据协方差矩阵求逆、最陡梯度法、 最小均方算法、递归最小二乘法、恒模算法等；二是研究已有的移动通信系统 中的多波束形成方法，包括基于拉格朗日描述的波束形成算法、重扩解扩多目 标算法等。通信系统中的波束形成多利用了通信信号的相关特性，如恒模特性、 有限字符特性、扩频码和扩频增益等。 利用通信信号的有限字符特性，本文提出了阵列虚拟扩展的新方法。通信 信号，如b p s k 信号，取值仅为+ 1 、一l ，其三次幂与自身的值相等，由此可将 m 维接收信号数据矩阵扩展成3 m 一5 维，再用来波束形成，这个过程好似将 肘元阵列虚拟扩展成3 m 一5 元阵列。大量的计算机仿真显示了该方法的可行 性，在理论上本文亦给出了简明的证明。结合信号的恒模特性，本文给出了阵 列虚拟扩展后的波束形成算法。j 皿一 本文同时研究了移动通信系统的2 d r a k e 接收技术，并对2 d r a k e 接 收机在各种参数有误差的情况进行了大量的计算机模拟，以显示各参数误差对 其性能的影响。 糊讯c d m a 渺形黔9 稚谳， a b s t r a c t t h ed e m a n df o r t h ew i r e l e s sc o m m u n i c a f i o ns e r v i c eh a sb e e nl n c r e a s e dr a p i d l y a n dt h i sr e q u i r e sh i g h e rs y s t e mc a p a c i t i e sw h i l ei m p r o v i n gt h eq u a l i t yo fs e r v i c e f o rt h em o b i l eu s e r n l ea d a p t i v ea n t e n n aa r r a yi so n eo ft h ea d v a n c e dt e c h n i q u e s w h i c hc o u l db ei m p l e m e n t e di nt h em o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n ss y s t e m st oa c h i e v e h i g hs y s t e mc a p a c i t y t h i st h e s i sp l a c e se m p h a s i so no n eo f t h ek e y t e c h n i q u e so f s m a r t a n t e n n a _ b e a m f o 埘1 i n g a n di t s a p p l i c a t i o n i nt h em o b i l e t e l e c o m m u n i c a t i o n ss y s t e m s an e w a l g o r i t h mi sg o i n gt ob ep r e s e n t e d w i t ht h i s a l g o r i t h m ，t h ep h y s i c a ll i m i to fa r r a yc a nb eb r o k e na n d t h en u m b e ro ft h eb e a m s f o r m e dc a r le x c e e dt h en u m b e ro fa n t e n n as e n s o r s n l i sm a k e sp o s s i b l ef o r m i n g b e a m sw i t hr e l a t i v ej e s sa n t e n n as e b s o r s t h u st h ec o s ti sr e d u c e d b a s e do nal a r g ev o l u m eo fr e f e r e n c eb o o k sa n da r t i c l e s ，t h ef i r s t s t e p i s r e v i e w i n g c o n v e n t i o n a lm e t h o d so f b e a m f o r m i n g ，i n c l u d i n gm v d r ，s m i ， s t e e p e s t d e s c e n tm e t h o d ，l m s ，r l s ，c m a ，e t c 1 1 1 e s e c o n d o n e ，r e c e n t b e a m f o r m i n gm e t h o d si n t h em o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n ss y s t e m sa r es t u d i e d ， i n c l u d i n gt h ea l g o r i t h mb a s e do nl a g r a n g ef o r m u l aa n dl e a s t s q u a r e sd e s p r e a d r e s p r e a dm u l t i t a r g e ta r r a ya l g o r i t h m t h e s eb e a m f o r m i n gt e c h n i q u e sh a v e u s e dt h e s i g n a lc h a r a c t e r i s t i c s ，s u c ha sc o n s t a n tm o d u l u s ，p ns p r e a dc o d e ，o rs p r e a dg a i n an e w t e c h n i q u e ，w h i c hv i r t u a l l yi n c r e a s e st h en u m b e ro f a n t e n n as e n s o r s ，i s p r e s e n t e d t h i sn e wt e c h n i q u eu t i l i z e st h ec h a r a c t e r i s t i c so f f i n i t e a l p h a b e t sa n d c o n s t a n tm o d u l u so fc o m m u n i c a t i o ns i g n a l s b p s ks i g n a l s ，f o re x a m p l e ，h a so n l y t w ov a l u e s ，+ la n d 一1 t h e3 r d p o w e r o f t h e s es i g n a l se q u a lt ot h e m s e l v e s ，t h u st h e d i m e n s i o no ft h er e c e i v e ds i g n a ld a t am a t r i xc a nb ee x t e n d e df r o mmt o3 m - 5 v i r t u a l l y u s i n gt h en e w m a t r i xt of o r mb e a m si sj u s tl i k ev i r t u a l l yi n c r e a s i n gt h e n u m b e ro fa n t e n n as e n s o r sf r o mmt o3 m 5 t h ef e a s i b i l i t yo ft h i sm e t h o di s p r o v e db yb o t hc o m p u t e rs i m u l a t i o na n dt h e o r e t i c a ld e d u c t i o n c o m b i n i n gt h e c o n s t a n tm o d u l u so fc o m m u n i c a t i o ns i g n a l s ，t h e b e a m f o r m i n ga l g o r i t h mw i t h v i r t u a la r r a yi sg i v e n ， 2 d r a k er e c t ： v e ru s e di nc o m m u n i c a t i o n s s y s t e m i sd i s c u s s e da n di t s i i p e r f o r r n a n c e i s a n a l y z e d c o m p m e r s i m u l a t i o n so f2 d r a k er e c e i v e rw i t h p a r a m e t e re r r o r sa n da r r a ye r r o r sa r eg i v e n ，i no r d e rt os h e dl i g h to nt h ei n f l u e n c e o fe a c hp a r a m e t e re r r o r k e y w o r d s ：c d m a ，b e a m f o r m i n g ，2 d r a k er e c e i v e r , m u l t i p a t h i n t e r f e r e n c e 1 1 1 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为 获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 签名：鼠西墨 日期：jp d l 年1 9 月，8 日签名： 盛烈盈 日期：jp d l 年月夕2 ；日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论 文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：凰函盔导师签名翟型 日期：砂卅年1 2 月堪日 霆要登黧点堂鲎主延塞 熬一章琴l 言 穆澎籍产羧爨翡崽裰璜鞠，r f 焱谱分配脊鞭，遴猜资源溉乏魏勰藤疆越严 蠢，鬻簧发袋精静技沭疆离鬃谱的翻璃牵，趣蕊邋信京爨，改蛰遁痿溪爨。一 令重簧黪方法藏是在，l 、医蠹装澄鑫逶盛簿剜天娥( 鬻髓天绫) ，庞爝空闼娥理敷 术。辫避黩簿捌天线越国渤避搿藏渡慕对准潮塑方向，形成零陵辩准平拣方感。 在c d m a 暴绞孛霞惩菇蘧变天绫，霹谈寨塞溺一，l 、嚣海舔窥鞠邻枣嚣瀚菸它用 户盼予鼋i 6 黎到缀太程麓翡都糕，稳嵩塞蕊密鬟。 美黧，麓零鞫敬潮譬鬣嚣嚣夔竣寒搬移动邋倍孛智髓天线静据稻，穗缀靖瀑 了大麓熊毽谂分掇移搿究。 美辫靛m e * a w a v e 公霹对爨予f d m a 、c d m a 、t d m a 系髋魏瑟耱天线避行 了大赣磷囊开发；a r r a y c o m m 公司斑研裁了翻予焉绞本地群照的餐炎绽系统； 茇瓣戆秘六掌建立了智鹾灭筏试验舔麓；。凝袋大m c m a s t e r 大学酾襄开发了4 元辫列嚣线，来耀餐模辫法( c m a ) 。强零莱磷究掇镬谨了基于波柬黧阊鳓理方式 赡淫寒转揍餐鼹天线。晨绞簿嚣毒鼹鸯鞍驻半滚长戆1 6 薄嚣平藤方簿，辩颓王 搀貘攀怒1 5 4 5 g h z 。蹲元绦 警接收信弩寝模数窝换瑶，避行快遮彳寸氏炎羧( f f t ) 艇骧，彭残匿交渡裘矮，分辩采怒逡溪f c m 盎) 雾法蠛蔑夫髭蘧合并羚囊髯法，藏 懑了鏊予罄怒必线豹驶转天线搬念，帮耀声掰魏邵凌不丽，彩嫡系统链戆敬妻 襄霞素努不鬻，w 遽避较静袋耀挺纛筑冀法。 欧洲避行了然亏：d e c t 罄蜷酌舞貉天线技术裰疹磷瓷，- 7 ：1 9 9 5 华翻开始璇 臻竣骏。实浚系统酸谖了餐穗天线魏臻澈，褒蒋争溪户溪争空简僖逶f 筏摄主露 郛下行糕鼹) 下，试黢系续毙褥熬锩率蹬嚣r ) 俊予1 0 。实验评测了暴麓艇u s 辩 雾法粼爨露户蛰鸯方寓熬憝力，露辩，遥避瑷爨筏试，滚爨爨繇籁乎鬻天线遗 予室蠢潦信黪蟪幢弱，瑟像枣嚣繇凌叠| j 灏弱薅浆鹣纛绕阵嚣台邋。在爨：蕊繇上 又继续遴嚣请懿浸爨波索形壤雾法、系统涟魏深髅、多臻声稔溅专塞滔瘫爰线 踌橡、辩空傣遂姆程估计及徽蜂窝饿能现场斌辍等臻究。 袋露壤晕基将磅突餐豁天线投零鬻入溪家8 6 3 、3 1 7 逶蘩搜零圭鼙磷究搴熬 个入逐穗技术势壤，诲雾专豢浚大学蓬拯涟弦翊蒺懿鹾究。京遴绥获褥i t u 秽 3 g p p 逶避懿筏謦鑫主磷凌熬t ds c d m a 接零臻懿串，靛广泛袋霆了餐缝天线 鞠软 孛蠢绒毫技术。 电子科技大学硕士论文 智能天线的核一t 5 技术之一是波束形成技术。在c d m a 系统中，多个用户占 用同一频道，自适应波束形成算法须有能力同时分离和提取每一用户信号。通 信环境中存在着多径，怎样有效地利用这些多径信号，联合波束形成技术，使 输出信噪比尽可能地高，使误码率尽可能地降低，是一个值得研究的课题。 1 1 波束形成技术的发展 智能天线最初主要用于雷达、声纳、抗干扰通信、定位、军事方面等，用 来完成空间滤波和定位。但由于造价昂贵、实现复杂、技术不够成熟，长期无 法民用。近年来，随着移动通信的发展以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，自适应天线阵列开始用于具有复杂电波传播 环境的移动通信。尤其是半导体微电子技术的快速发展，元器件性能价格比的 大幅度增加，智能天线的商用目前已成为可能。波束形成技术随着智能天线的 诞生就开始有相关研究，随着智能天线的推广而深入发展。发表于1 9 6 4 年，既_ e t r a n s a p 的第一篇文章 1 ，引起了不同杂志许多方面的讨论，以及后来的 许多专稿论文、书籍等，这些文章深入研究了不同的波束形成方法、权向量的 自适应算法、d o a 估计方法和阵列系统对参数干扰的敏感性等。 传统的波束形成器是一简单的波束形成器( 被称为延迟一求和波束形成器) ， 所有的加权有相等的幅度。它在无干扰、只存在不相关噪声的情况下，有最大 输出信噪比s n r 。 传统波束形器在有干扰的环境下效果不理想，由此提出了零陷波束形成技 术。零陷波束形成器用来抑制已知方向的信号，在这些方向上形成零陷。零陷 波束形成的最早算法是d i c a n n e 方法 2 ，其基本思想是通过形成传统波束 估计已知方向的信号，然后在每个阵元输出上减去这个信号。信号的估计由延 迟一求和波束形成器完成，利用移位存贮器在每卜阵元上产生所需延迟，信号 在此方向上到达时刚好具有延迟相位，然后所有阵元信号等权相加。通过适当 的约束，在期望方向上输出有单位增益的波束，在干扰方向上则形成零陷。这 种处理对于强干扰非常有效，并可以对多个干扰重复进行。d i c a n n e 方法对单 个干扰容易实现，当干扰数增加时则变得复杂。 零陷波束形成方法，需要事先知道干扰方向，且没有最小化阵列输出的非相 干噪声，即没有最大化输出信噪比。最佳波束形成方法克服了此缺陷。最佳波 2 电子科技大学硕士论文 束形成包括最小方差无畸变响应m v d r 、基于参考信号的最佳波束形成等方法。 m v d r 以最大化输出s n r 为原则，使总输出噪声最小，同时保持信号功率恒定， 期望方向的增益为1 。m v d r 方法要求干扰的数量必须小于等于m 一2 ，这是因 为m 元阵列有m 一1 的自由度，其中的一个用于期望方向。在移动通信环境中由 于多径的存在，这种方法可能不适用，阵列波束达不到通过消除干扰使s n r 最 大化的目的。基于参考信号的最佳波束形成则以最小化阵列输出信号和参考信 号间的m s e 为原则。这种方法最小化m s e ，求得维纳解，因而也叫维纳滤波。 m s e 最小化方法( 维纳滤波) 是一个闭环方法，m v d r ( m l 滤波) 则为开环方法。 一般，维纳滤波能产生高的s n r 输出，弱信号时同m l 滤波的s n r 相比要低些。 当输入信号功率相对于背景噪声增大时，这两种处理器几乎有同样的结果。维 纳滤波器的s n r 的提高以信号的畸变作代价，而最佳波束形成的准则是不使信 号变形。维纳滤波器的参考信号的产生有多种方法，看具体应用而定，如在数 字移动通信中，同步信号可用来初始化加权估计，然后利用侦测信号作参考信 号。 阵列信号处理有元素空间处理和波束空间处理i - 4 两种类型。元素空间的 处理，是将每阵元上得到的信号乘加权，求其和以得阵列输出。波束空间处理 是一个两阶段方法。第一阶段将阵列信号作为输入产生多个输出，第二阶段将 多个输出加权，合并，形成总输出。第一阶段的多个输出可能被看成多波束， 阵列信号以定值加权，产生多个波束对应不同的方向，这些加权一般不是自适 应的，它们不能在适应期间内被调整。第二阶段应用于不同波束输出的加权根 据特定的优化原则被优化，在适应期间得到调整。一般，对于m 元阵列，波束 空间处理器包含一个指向信号方向的主波束和不多于一】的副波束。副波束的 加权输出被从主波束中减掉。调整加权对存在于主波束中的干扰进行估计。减 法过程即去除了干扰。设计的副波束中不能包含期望方向的信号，以避免信号 被抑制。当已知的期望方向与实际方向有偏差，两者不同时，波束空间处理器 相对于元素空间处理器，有更优越的性能。元素空间处理器会将信号当作干扰 抑制掉，而波束空间处理器，设计主波束调向在期望方向，副波束在此方向形 成零陷。主波束的响应不会变化到偏离期望方向很远，因此在主波束中的信号 电平不受影响。相似地，当副波束在期望方向形成零陷，在副波束中只很少一 部分的信号被泄漏，因为信号源靠近零陷。因此，在减的过程中不影响主波束 中的信号电平，只产生一个很小的削弱。 电子科技大学硕士论文 一般的波束器为窄带波束器，通信系统中有宽带波束器 5 ，用来处理宽 带信号。宽带波束形成器采用了t d l 结构。t d l 结构是一个f i r 滤波器，其滤 波系数为期望方向的频率响应所约束。t d l 滤波器可用来克服通信系统中的多 径衰落。 m v d r 、m s e 等方法都需要计算阵列信号的协方差矩阵和噪声协方差矩阵， 在实际中这些协方差矩阵都不易得到，权向量的调整须通过别的方式，利用阵 列输出信号和阵列信号中的有用信息等估计最佳权，由此发展了许多自适应算 法。自适应波束形成的算法，包括采样协方差矩阵直接求逆s m i 算法、l m s 算 法、r l s 算法、基于信号特性的恒模算法、共轭梯度算法、神经网络算法 1 3 等。l m s 算法用来计算阵列加权的应用非常广泛。l m s 算法的收敛特性取决 于接收数据协方差矩阵r 的特征值情况，月的最大特征值对应于最强的信源， 最小特征值对应于弱信源或背景噪声。最大与最小特征值的比值定义为特征值 扩展，特征值扩展越大，算法收敛越慢。其抗干扰能力，是首先消除强信号， 后消除弱信号。约束l m s 算法在每步迭代中，权向量在期望方向的功率为1 。 规范化的l m s 算法采用了依赖于数据的变步长，它避免了在选择最大可能允许 的步长时相关矩阵特征值和迹的估计，相对于普通l m s 算法有更好的收敛性能 和低的信号敏感性。约束l m s 算法具有信号敏感性，不过可以用空间平均替代 时间平均的方法来减小。i l l s 算法解决了算法收敛性依赖于接收数据协方差矩 阵r 的特征值扩展的问题，它利用了一个比1 小但接近1 的遗忘因子，用于过 去数据的指数加权，使算法随着不断的迭代而趋向于降低过去取样数据的重要 性。r l s 算法与l m s 算法相比较 1 4 ，还有其它一些使用量化数据的基于梯 度的算法相比较，表明r l s 算法的收敛性是最快的，而l m s 算法是最慢的。 通信信号如b p s k 、f s k 、模拟f m 等信号表现为恒模( c m ) 特性。恒模 波束形成的基本思想在于恢复阵列输出信号为恒模信号。c m a 算法不需要使用 训练序列，而是充分利用接收信号的恒模特性，调整权向量，使阵列输出信号 的包络变化最小。这种算法存在一定的缺陷：总是捕获最强的恒模信号，而这 个恒模信号可能是干扰信号；具有相位模糊特性，相位模糊的原因，是因为c m a 算法只利用了阵列输出信号的幅度，而没有利用其相位信息。b g a g e e 1 5 1 9 8 5 年扩展了c m a 的应用，提出最小二乘恒模算法l s c m a ，大大加快了收 敛速度。并采用动态数据更新，实时追踪信号变化，提高误码率性能。b g a g e e 1 6 11 9 8 9 年提出了多目标最小二乘恒模算法m t l s c m a ，此算法包含三个部 电子科技大学硕士论文 分：动态正交化l s ，c m a ，排序与分类算法，快速获取。此算法计算复杂 1 2 波柬形成技术的研究现状 波束形成技术在最近几年有着e 新月异的发展，波束形成的研究方向在于寻 技受浃更准确的算滋，在减少由晦列数据嫂模增加褥带来的计算爨的同时，保 持波束形成的优良性能。在通信系统下的波束形成，偏向于利用信号特征，如 利用恒模特性、已知的扩频码等。 恒模算法在通信系统中应用的研究比较多，b g a g e e 1 5 1 6 将其与最 小二乘算法结合，撼出l s c m a 算法，并用子多羁檬波束形戏。z b i g a n gr o n g 1 7 将恒模算法与扩频码的利用联合起来，提出矮小二乘解扩熏扩多多目标 阵列l s d r m t a 、最小二乘解扩重扩多目标恒模算法( l s d r m t c m a ) ，在堪步 迭代中，以恒模为熬础计算加权，然后用来判决信号比特，再进行重扩，踅扩 后的数据作为参信号应用予二乘法，计算下一步加权，如此迭代循环，直至收 敛。此算法省去了多目标c m a 算法中需要的正交纯( g r a m s e h m i d 0 步骤，并能 输出超过阵元数的波束。 a n a g u i b 1 8 1 9 设计的d s c d m a 系统的2 dr a k e 接收机中，波 束形成的算法是计黪两个相关矩阵，即接收信号数据的自相关矩降和匹配滤波 后数据的自相关矩阵，然后糟这两个相关矩阵的差的最大特征值俸为d o a 的估 计，用第一个相关矩阵的逆前乘这个d o a 的估计慎得到波束权向掇。由于运两 个斑阵的尺寸过大，导致计算量相溺大，m d z o l t o w s k i 2 0 精英改谶，帮用时城 到频域的变换和波策空间的压缩，大大缩小了两个相关矩阵的尺寸，从而大大 减少了计算燕。 s e u n g w o n c h o i 和d o n g h e es h i m 2 1 提出了綦于拉格朗日描述的波束形成 方法。m v d r 的代价函数憝最小纯输出功率，同时投向羹猩期望方囱的桷废约 束为1 ，s e u n g w o nc h o i 将二者以拉格朗日算子合在一起构成算法的代价函数， 英梯度的极点正好怒输入数据裙关矩阵的特征傻及相应特征商羹。就算法骞效 地利用了扩频增益，将阵列接收数据用期黧用户信号的扩频码解扩，提高有用 信号幅度，聱j 用菲稽关往麴制其它瘸户信号，麸蕊箍离蔼礤魄，搜豢太特征蠢 量正好对应期望用户信号。在多径环境下，则利用扩频码的定延迟后( 大于一 个磷片周期豹延运) 与耋身豹不相关静嗣多绞信号。整个迭代过程缀篱纯嚣哭鸯 电子科技大学硕士论文 小量的范数运算，每一次迭代运算量仅为3 倍阵列数，且收敛快。 贝叶斯b a y s i a n 方法 2 2 3 能够很好地在低信干噪比下工作。己知信号来波 方向的大概范围，且这个范围没有干扰存在的情况下，设定一离散系列d o a 的 先验概率，计算指向这一系列d o a 的m v d r 波束权向量，然后计算这些波束 权向量的一定概率的加权和。当计算收敛时，真实期望方向的比例因素会越来 越重，其它方向的贡献则越来越少，波束最终指向真实方向。模拟实验表明， 在信噪比一2 0 d b ，信干比一4 0 d b 的情况下，输出信干噪比相对于m v d r 波束形 成要高出1 0 多个分贝，而子空间技术在这种情况下己根本不能工作。不过在计 算上b a y s i a n 方法要复杂一些，有多次矩阵求逆运算。 目前的波束形成技术的研究主要针对通信系统中的多径环境，利用r a k e 接收，寻找合适的波束形成算法，有效地克服多径干扰，合并多径信号，提高 输出信噪比和降低误码率。 1 3 本文的主要研究工作 1 研究传统的波束形成方法 2 研究通信系统中的多波束形成方法 3 研究在第三代移动通信系统下的2 d r a k e 接收与波束形成技术 4 研究以有限阵元形成突破物理限制的多约束，提出有一定意义的新方法 1 4 本文内容安排 本文第一章绪论。第二章讲述智能天线在移动通信系统下的应用。第三 章前部分是自适应阵列天线基础，后部分研究传统波束形成的各种方法。第 四章研究移动通信系统中的多波束形成，包括基于拉格朗日描述的波束形成 技术和重扩解扩多目标波束形成，然后是突破阵列物理限制的阵列虚拟扩展 技术。第五章研究多径环境下的2 d r a k e 接收机。第六章总结。 电子科技大学硕士论文 第二章智能天线在移动通信系统中的应用 痒稳定襻；“频搴蒡不缺乏，缺乏兹是频率缓瘸效率”，a r r a y c o m m 董攀长 及行政总裁、第一部手机的发明人一马丁库伯 隧藿全球逮傣她务装逐速发浸，终兔未寒个人邋售主鬃手段豹无线移幼通 信技术引起人们极大关注。如何消除同信道干扰( c c i ) 、多址干扰( m a i ) 与多径 衰落熬影豌成为人们在提糍无线移动通信系绞犍黢对考虑豹主要毅素。远年来 智能天线成为移动通信领域中的一个研究热点，怒解决频率资源鼷乏的有效途 径，氡时述强以提麓系统器量和通信质量。智能天线利用数字信号处理技术， 采用了先进的开关波束技术( s w i t c h e db e a mt e c h n o l o g y ) 和自适应空间数字处理技 术( a d a p t i v es p a t i a ld i g i t a l p r o c e s s i n gt e c h n o l o g y ) ，产生空阍定向波柬，使天线主 波柬对准用户信号到达方向，零陷对准干扰信号到达方向，达到充分高效利用 移动用户傣号并消除或抑制于扰僖号的目的。与其它日渐深入和成熟的干扰消 除技术相比，智能天线技术在移动通信中的应用研究更显得方兴求艾，并显示 出臌大潜力。 在无线系统，脊几种方法使多用户共享通信信道，包括时分多址t d m a 技 术、频分多址f d m a 技术、码分多址技术c d m a 。另一个方法是在空间位置 上将用户分开，即窀分多域s d m a 技术。 s d m a 系统其有很多优点，包括扩大覆盖范围：线性阵列的覆盖范围遥远 大于任何单个天线，因此按收与发送性能都有大懈度的提高；大幅度降低来自 其它系统秘其它用户的干扰：在极端吵阉、于扰强烈豹环境中，系统可以实现 有选择地发送和接收信号，从而掇离通信质量；系统容煮大幅度挺高；s d m a 基站发射的功率可以远远低于普通基站，从而可减少网络内的射频污染； s d m a 可以于任何调制方式、带宽或频段兼容，包括a m p s 、g s m 、p h p 、 d e c t 、i s ，5 4 、i s ，9 5 等。当通信系统刚建成时，s d m a 覆盖范围的扩展使运营 商可醵降低构建成本，并谗速完成部署。由于小酝的覆盏范围较大，所以倍遘 的复用效果将好于普通的小区。 电子科技大学硕士论文 2 1无线信道特性及参数 为估计智能天线系统的性能，有必要讨论信道特性及参数的详细知识。 2 1 1 信道特性 无线信道的信号传输受发射能量的散射、反射、折射、衍射等多种现象的 影响，这些现象会引起衰落和路径损失。衰落有慢衰落( 对数正态衰落) 和快 衰落( 瑞利衰落、多径衰落) 。慢衰落引起信号在平均路径损失附近振荡，呈 高斯分布。快衰落由多径引起，各径信号有不同的幅度和相位，在接收端会引 起功率2 0 3 0 d b 的变化。平均路径损失决定于传输的距离和环境，损失的步长 约为2 0 d b d e c a d e ，但在更复杂的环境中，经常是4 0d b d e c a d e 。信号通过不同 的路径到达接收机，因为信号路径有不同的长度和到达角，信号将有时间和方 向上的扩展。如果移动台正在移动，不同的信号方向也会引起频率扩展，即多 谱勒扩展。相干带宽定义为信号强相关的最大频差，它反过来对应于延迟扩展 ( 即最小延迟扩展对应最大相干带宽) 。与多谱勒频移相似，相干时间是信道 特性没有明显改变的时间间隔。 2 1 2 衰落的影响 瑞利衰落信道不同的恶化特性依赖于符号周期与上面提到的多径特性之间 的关系。最重要的衰落有频率选择性衰落，时间选择性衰落。按衰落的快慢可 分为平坦衰落，快速衰落和慢衰落。如果信号的传输带宽大于相干带宽，则信 号会受到频率选择性衰落。意思即是不同的频率会经受不同程度的衰落，在时 域相当于延迟扩展大于信道符号或码片周期。信号的传输带宽小于相干带宽时 为平坦衰落，或者说在时域，延迟扩展小于符号和码片周期。 假设延迟扩展小于码片周期的1 0 ，信道为平坦衰落。 盯， o 7 t 信道相干时间小于符号周期时为快衰落，意即在符号周期内信道会改变， 导致基带脉冲波形发生畸变。这时的多谱勒扩展大于信号带宽，这种畸变会导 电子科技大学硪论文 致瀚的误碱章。慢衰落则相反，倍道的相干时间大于符号周期，信道在符号的 传输期肉表现为桶干特往，多谱韵扩震小予信号鬻宽。然褥，麓了避免戮块衰 落引起的谈码率，要求多谱勒扩展不超过信号带宽的0 0 1 倍。 歇上丽的讨论，可求褥给定环境下符弩率静磺佳范霞，多谱确扩震飨定符 号率的下限，相干带宽设迤其上限。换言之，符号率要足够高以避免快囊落， 键又不匏避高鞋兔受频率逸择往衰落戆影桶。 2 。l ，3强境影穗 乡下稻郊区的小区覆熬面比较大，有送程折射，因煎肖大的延迟和多谱勒 扩展，角度扩展眈市区环境要小。各种环境下的大致参数如表2 i 。 表2 1 环境延迟扩展s角度扩展多谱勒扩展 乡下( 宏小蘧)0 5 u s l 。1 9 0 疆z 市区( 宏小区)5 a s 2 0 。1 2 0 i i z 由嚣( 宏小区)2 0z 嚣3 0 。1 9 0 h z i 市区( 微小区)0 3 a s 1 2 0 。1 0 h z i室内0 1 t s 3 6 0 。5h z 2 2 遥信系统中的智能天线e l l 】 2 。2 1 予扰零黧 耜控黪与叁逶寝薄残一个主要懿区弱就是叁逶应箨裂孝于挽零貉糍力。然 而，此能力依赖予干扰数与阵列的阵元数。m 元阵列可凝零m 1 个干扰。如 暴予莸数不超过谢一l ，羹| j 辫烈魏农瑟毒予臻方自上羹零。倒妻瑟，考虑经济帮处 理速度限制的原因，在u t r a n 系统中大多数自适应阵列有4 到1 0 个阵元。图 2 。l 是4 元爨逶应黪列浆方肉图，干扰数逐灏增热。图2 。l & 窍两个于扰( 一3 扩， 2 0 。) ，一个期望信号( 0 。) 。图2 1 b ，阵列有三个干扰( 一3 0 4 ，2 0 。，5 0 。) ，一个 期勰信号，痒列溅好匹配，这嚣静蠖援都能够在于扰方向_ 爨零。农图2 1 c 中， 有四个干扰( 一3 0 。，2 0 。，5 0 。，一6 0 。) 阵列超负荷，己不能在干扰方向正确置 9 皇王型堇盔芏堡主堡塞 一 零。相应地，随着负荷增加，阵列的干扰输出功率电平增高。当没有多径和干 扰存在时，线性阵列是能达到最大增益值( 1 0 l o g 。( m ) d b ) 的。当干扰数很大 时，阵列能够继续在期望方向上形成波束，但置零干扰的能力会很快下降。自 适应阵列比相控阵列多出的增益来自于零陷能力，如果阵列超载，则它没有额 外的增益。因此知道业务形式对于估计阵列的性能很重要。如果只有很少的几 个高比特率用户，和很多的低比特率用户，则零陷可以置在高比特率用户方 向，因为主要是他们形成干扰。 2i n t e r f e r e - r i c o jj辩i i i i 3i n t e r f e r e n c e 屯子羊斗按大学颓士论文 2 ；2 。2 范围扩大 图2 1 四元阵不同干扰数的波束图 智能天线一个优点是髓扩大覆菇范恩。藩匿扩大使移动薅户雀更运静地方 与熬站通信，而不需要提瀚发射功率。 a w g n 信邀信嗓眈r 2 3 s n r ：m 掣( 2 。1 ) e 】是求期望值算予，j ( f ) 为传输信号，一是高斯噪声方麓。从上式可知肘元 簿列在离麓噪声繇蟪，没露千撬麴情提下碍褥妥穰噪范摄丹 g = 1 0 i o g m d b ( 2 2 ) 文献e 2 3 中给蹬了范围扩展静娥粼。对一给定鹣路径损失指数牡2 ，使精智 能天线的小区范围r a n g e ；，比使用传统天线的小隧范围r a n g e 。，袋大 鳖：材： ( 2 3 ) r a n g e c 、。 穆。显智黢天线褒小区蠹覆盖靛嚣蠛毒与传统天线在小嚣蠹覆盏鼹嚣域4 之篦 为 垒：材i 彳。 ( 2 4 ) 辑怒覆盖定区域掰需要兹基站数，嬲同样静区域采蘑智能天线辨蔫要斡基蘩 电子科技大学硕士论文 数为 n = n c m 。2 “ ( 2 5 ) 假设路径损失指数”= 4 ，天线阵元数m = 4 ，则覆盖一给定区域所需要的基站 数比所需要的1 根天线的基站少5 0 。这是理论上最理想的情况，实际情况没 减少这么多。但很明显，增益增加，则意味着覆盖范围扩大，基站数减少。 2 2 3 容量增加 码分多址是多接入系统，受限于干扰的情况，则任何减少干扰的措施都可 以提高系统容量。智能天线允许用户在上行链道利用方向增益和分集增益以小 功率传输。当波束形成用于提高容量而非扩大覆盖范围时，有必要在下行方向 限制e i r p ，因此下行阵列天线在某一特别方向的增益会提高，总的传输功率相 应减小。如果没有限制下行e i r p ，那么当阵列存一个方向增益增加，则实际上 可能使相邻小区的相干信道下行s n r 变坏。 2 4 中给出了在6 个扇区4 元线阵的u t r a n 系统中的模拟结果。在此 模拟中，假设所有用户以均匀分布随机分布在每个扇区内，每个用户信号的多 径成分呈高斯空间分布，有一标准的2 5 0 偏离( d e v i a t i o n ) ，所有的无线信道 使用i t u 的b 型车辆，多谱勒频移假设为8 0h z ，典型的市内或郊区宏小区环 境，天线安装在屋顶。处理增益1 2 8 ，1 3 卷积编码，约束长度k = 9 ，维比特软 判决解码。 图2 2 显示了每扇区语音信道数作为e 0 的函数，保持b e r 为1 0 。可 看到只一根天线时，系统能够支持的语音信道数最大为8 0 ，2 分支的分集则长 到1 6 0 。利用自适应阵列，同一时间最大的语音信道数为3 2 0 ，邑n 等于8 d b ，它是1 元天线在岛o 等于1 6d b 时的4 倍。同时也可看到，系统基站用 2 分支空间分集，承载1 6 0 个语音用户，毛，0 大于1 4 ( 1 b 时，误码率达到 l o 。，而自适应天线在岛o 等于ld b 时只需一个分支即可达到同样的误码 率。这个结果意味着移动终端的传输功率可减小，电池寿命则可延长好多倍。 皇三愁茎查堂壁主鲨塞 - 2o2 4681 01 21 41 6 图2 2 扇区信遒数v s 忍n o 蜀2 3 系统餐羹 1 3 电子科技大学硕士论文 图2 3 显示下行链道采用了自适应天线后( 系统参数与上行链道一样) 的系 统容量的增长。系统容量与传统天线相比增长4 倍。 图中信道参数的绝对值只在特定模拟情况下有效，有些因素如区间干扰和 同步误差没有考虑，在实际系统中它们肯定会减小系统容量的。 另外一个问题是在模拟时，用户的均匀分布是假设的，每个用户的多径成 分有相当小的角度扩展。在实际中，用户可能簇拥在一起使天线阵列不能够正 确区分，或者不同的用户信号传输经过同样的街道路线以同样的角度到达阵 列。这些因素都是要考虑的。 2 3 小结 在无线电通信领域，智能天线有诱人的前景。智能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t 扰和被干扰的 机会。提高了频率的利用率，改善了系统性能。这就是自适应天线阵列的智能 化，它体现了自适应、自优化和自选择的概念，对当前移动通信系统的完善起 到重大的推动作用。智能天线虽然从理论上讲可以达到最优，但要实现理想的 智能的天线，还需要许多问题有待研究解决。智能天线研究值得关注的有以下 内容：智能天线的接收准则及自适应算法；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件技术；智能天线的测 试平台及软件无线电技术研究等方面。 电子科技大学硕士论文 篇三章自适应天线阵列基础和常规波束形成 一个天线薄刭南一些天线薄元缝藏，它们班一令国定点为参考，分毒在已 知位置。通过改变阵元激励电流的相位和幅度，电动扫描主波束和任意方向设 萎零点。 天线阵列可设鬣成不同的几何阵形，线阵、圆阵和平丽阵相当普遍。阵列 豹辐袈攘式出各摹个阵元熬辐射模式、方囱性积在窆闼静掇对醢蚤、反馈电流 的幅度和相位等决定。如果每个阵元是一个等方向性的点辐射源，则阵列的辐 射横式只姣簇予跨剁几舞形状帮反续电滚，辐瓣模式因露又h q 阵列因子。如果 每个阵元相似但不是等方向性的，根据模式相乘原理，则阵列辐射模式为阵列 因予与各黪元辐射模式豹蓑积。 3 1 等距线降 p l a n e w a v e ：f r o n t i n e i d e n t r e f e r e n c e 圈3 。1 等鼹线阵 m 元锋距线阵如图3 1 所示，阵元间距为d ，一平面波从方向p 到达阵 烈，角瘦on t t 敲售譬豹d o a ，第一个簿元上接收戆信号表示为 y c l ( t ) = p ( t ) c o s ( 2 z c f j + ，( f ) + )( 3 1 ) p ( f ) 为信号幅度，工表示载频，y ( f ) 表示承载的信惫元素，是一个随枫稠 v k 电子科技大学硕士论文 位。利用墨( t ) 的复包络表达式会更方便，其表达式为 ( f ) = p ( t ) e x p j ( y ( t ) + 声) )( 3 2 ) 两者相互关系 蜀( f ) = r e x i ( t ) e x p j ( 2 7 c f 。) ( 2 3 ) 以阵列的第一个阵元作为参考，信号从很远的地方发射，经过非发散的介质， 只有传输延迟，则阵列的其它阵元的接收信号只是第一个阵元信号的一定时间 延迟。从图3 1 可看出，此延迟为 f ：d s i n o ( 3 4 ) 一 i1 叶j c 为光速 第二个阵元的接收信号 章2 ( ，) = 薯( ，一f ) = p ( t r ) c o s ( i , r f 。u f ) + 厂 一f ) + )( 3 5 ) 载频正相对于信号的带宽是很大的，调制信号在时间间隔f 内可当作是准静态 的，上式可简化为 i 2 ( f ) = p ( t ) c o s ( 2 z c 以一2 7 r 正r + y ( f ) + 卢)( 3 6 ) 蟊( r ) 的复包络表达式 恐( ) 2 p ( ) 。x p 絮疗2 ，( f ) + 历) ( 3 7 ) = x l ( t ) e x p 一j 2 万五f ) 、 从等式( 3 7 ) 可以看到时延的影响表示在相移项e x p 一j 2 n f c r 里。将式( 3 4 ) 代入 到式( 3 7 ) 0 0 ，可得 ( f ) = x 1 ( t ) e x p 一j 2 石f 。d s i n 0 。 ( 3 8 ) = x , ( t ) e x p 一 _ - 2 d s i n 8 1 旯载频波长。相似地，第i 个阵元的接收信号的复包络表达式 一o ) = 五( f ) e x p 一_ ，2 _ ( f 一1 ) d s i n 目)f ：1 ，j j l 彳( 3 9 ) 令 皇量型墼盔堂堡圭鲨塞 一一 和 x ( 玲= a w ) = x l ( f ) 而) 等式( 3 9 ) 用矢量形式表示 x ( ) = a ( 器) 墨) ( 3 1 0 ) ( 3 。1 1 ) ( 3 ，1 2 ) 矢掇x ( f ) 经常指阵列输入数据矢量，a ( o ) 指方向矢擞。在这里，方向矢量仅为 到达角的函数。然而，一般情况下，方向矢童也是肇个阵嚣响应、阵列凡储流 形、信号频