（通信与信息系统专业论文）移动通信的分布式天线分集技术研究.pdf

信息i ：程大学硕士学位论文 摘要 分布式天线技术属于移动通信系统多天线技术中的一种。通过天线单元在整个小区内 地理位置上的均匀分布。分布式天线可以有效地改善系统的覆盖问题。另一方面，天线密 度的增加，使得移动终端接入系统的平均距离减少，因而降低了终端的平均发射功率，延 长了电池的使用寿命。分布式天线最初用于覆盖一些通信中的死区，如矿井、隧道等，近 来很多新的研究表明这项技术还具有功率和容量等方面的一些优势：因此，分布式天线是 一项很有发展前景的技术。 本文在对多天线技术原理进行了讨论的基础上，分析了分布式天线的特征及性能根 据其特点重点对分布式天线分集技术进行研究。并且对分布式天线室内静态模型加以验 证，分析了天线单元的不同配置方案对系统性能的影响，得出了以下的结论：分布式天线 技术一方面可以降低移动终端的平均发射功率；另一方面可以提高系统中用户成功通信的 概率，增强了功率控制的有效性 最后将分布式天线技术与m i m 0 技术相互结合分析了文献中已有的两种天线的使用 方案，通过仿真分别进行了容量和分集性能的比较，在此研究基础上提出新的天线使用方 案。这种新的方案与传统的方案相比，具有显著地综合优势，既可以提高系统接收信号的 质量，又可以增加系统的容量。 关键词：分布式天线，m i m o 天线，智能天线，分集，容量 第v 页 信息c 程大学硕士学位论文 a b s t r a c t n ed i s 砸b m 甜a n t e r u l at e c l l i l o l o g yi so mo ft h em u l t i p - l e - a m e n 舱t e c l l i l i q u e si l lt l l ef i l 岫 m o b i l ec o m m i m i c a t i s y s t c m s p a s st h e 锄m 撇u n i ti nm ew h o l cs m a i la r e ah i n 刚觚d 陀a s o n p o s i t i o no fe 哪d i s 研b u t e ，t h ed i s 啊b u t e d 锄t e 咖c 锄i m p r o v es y s 咖t oo v e 订a yap r o b l 咖 a v a i l a b l y 0 咀也eo 也钌l l a l l d ，t h e m c r 黜n to ft h e 卸胞傩d e 璐i t y m 出t om o v ct e ：嘣i l a lt o c o n n c c ti l i t 0t h ea v e r a g ed i s t a 】eo f t l l es y s t e mt or c d u c e ，晒a 增s i l i tl o w e r e dt c 丌i l i n a lo f a v e m g e s h o o tp o w e r ，p r o l o i l g 也es e r v i c el i f eo ft h eb a t 恸哼t 悖d i s 埘b u 戚锄t e n n 蹈a 咒f i r 或l yu s e dl o c o v e r m eb l i n da 心够i nc o m m m i c a t i o n s ，s u c h 勰m m e s ，t i l 加e l s ， e t c i nr e c e my e a r s ，s 0 眦 l 虹栩n 麟s h o wt h a tm ed i s 啊b m e d 孤嗽m l at e c h n o l o g ya l s ol l a st l l ea d v 赳l 妞g # si np o 、v e rc o m r o l a n d c a p i 够 i i lt i l i sd i s s e r t a t i o n ，w e 锄a l y z e dt h cc h 啪c t e r i 吼i c 锄d 如n c t i o no ft h ed i s 啊b m 耐锄t 吼m f i r s ti nc a n y i n go nn 圮f o 吼d a t i o no ft l l ed i s c i l s s i o nt 0 衄唧粕t e i l mt c c l l i l i q p r i n c i p l e s ， a c c o r d i n gt oi t sc h 锄c t e r i s t i c sp o i n tt ot i l ed i s 研b u t e da n t e ：呦t h ec e n tg a t l l 盯at e c h j l i q l 坞t 0 c a r r y a 聆s e a r c l l 锄d t o t h ed i s 砸b i l t e d 肌t e 衄am c i n d o o rs 叫cg t a i e m o d e l t a k e i i i t ov t 蛹瓢 t h ed i s s i m i l a r 时t h a ta i i a l y z e dt h e 锄t e i l i l a 皿i ti l l s t a i l sp r o j e c t si l l n u e n c ef o rt h es y s t e mf i l n 硎o i l g 眦i n gf o l l o w i i i gc o n c l l l s i o n ：协ed i s 仃i b u t et y p e 龃t c 衄at e c h n i q c 觚i o w 盱t 0m o v et e r m m a l o nm e o 山盯h 锄d o f a v e m g es h o o t p o w c 趾m i 辩a c o n 伽钮t d o o r o f s y s 懈n t oc o 眦s p o n d b y l e t t e r 。s u c c e 船f i l l l yo nm eo t l l c rh a n da l la 甩l e ，s 仃e n g i l l e nt h ei i s e f l l l n e s so f t t l ep o w e r c o m r o l - i i im e 吼dw ec o m b i st 0a i l a l y z et w ok i n d so f 嵋a g ep r o j e c t so f 卸肥m 1 舾t l i a th v ea i r e a d y i n ( h cl m 髓t i l r 髂w i t l lg oi m os “e m im i m ot c i 加1 i q u e sm o r em u t u a l l yd i s 啊b u i c d 柚t e 衄a p 船s i n gt oi i i l i t a _ 把t o 删l yc a n _ yo nt i l ec a p a c i t y 锄dc c i i tt og a m c rf i l i i c t i o nr e s p e c t i v e i yo f c o m p 耐s o i i ，p u tf o n v a r dn l cn e w 龇l t i m mu s a g ep r o j e c to nt h j sr e a r c hf o u n d a t i o n t h i sk 砌o f n e wp r o j t 缸d 删i t i o l l a lp r o j c c tc o m p a r e ， l a v i i l gt i l es a l i e n c eo fs l o wt os y n t h e s i z ca d v a r i t a g e ， s i i i c cc 锄r a i 鸵t l l eq u a l i t yt h a tt b es y s c e mr e c e i v e ss i g n a i ，c a l li n c r e 舔et h ec 印a c i t yo f l h es y g t e m a g a i n k e yw o r d s ：d i s 啊b u t e d a m e i l i l a ，m i m o ，s 删a n a m e 衄a ，d i v e 船崎，c 印a c 时 第v i l l 页 信息工程大学硕士学位论文 表目录 表1 3 种合并方式平均误码率的比较一2 7 表2室内分布式天线系统模型的物理环境3 6 表3室内分布式天线系统测试模型的阴影衰落参数3 7 表4室内分布式天线系统测试模型的仿真参数3 8 表5 无功率控制时毛，o 统计的中间值和动态范围。4 6 表6有功率控制时的u e 功率4 8 表7不同天线配置方案下u e 成功通信比率4 9 第1 v 页 信息工程大学硕士学位论文 图l 图2 图3 图4 图5 图6 图7 图8 图9 图l o 图1 1 图1 2 图1 3 图1 4 图1 5 图1 6 图1 7 图1 8 图1 9 图2 0 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图2 6 图2 7 图2 8 图2 9 图3 0 图3 l 图3 2 图目录 智能天线的一般结构。 m i m o 系统框图 线性结构的分布式天线系统 星型结构的分布式天线系统( b u n c h 系统) 线形区域中单天线和分布式天线的覆盖 多个b 哪h 与传统的宏、微蜂窝基站共存 传统的树型蜂窝无线接入结构 分布式无线通信系统的接入结构1 5 选择式合并分集接收 空间分集示意图2 l 二重分集选择式合并2 4 最大信噪比值合成。 等增益合并2 5 三种合并方式d ( 彪) 与m 的关系蓝线2 6 k = 3 ，= 5 时不同p 值的接收功率c d f 比较3 0 k = 3 ，工= 2 时不同p 值的接收功率c d f 比较3 0 j | ( = 3 ，p = o 时不同工值的接收功率c d f 比较3 i 足= 3 ，p = o 8 时不同上值的接收功率c d f 比较 三= 5 ，p = o 时不同足值的接收功率c d f 比较 3 l 3 2 = 5 ，p = o 2 时不同足值的接收功率c d f 比较3 2 工= 5 ，p = 0 9 时不同k 值的接收功率c d f 比较3 3 = 2 ，p = o 2 时不同k 的接收功率c d f 比较3 3 工= 5 。p = o 2 时不同k 的接收功率c d f 比较3 4 分布式天线室内测试模型3 6 m u d 为o 8 时，丘，0 的累积分布函数c d f 与天线单元数目之间的关系3 9 累积分布函数c d f 与不同m u d 因子之间的关系( a ) 5 r a u ( b ) l o r a u 4 0 分布式天线系统的链路模型 无功率控制时瓦，厶累积概率。4 6 有功率控制时毛，o 积累概率。4 7 有功率控制时u e 的平均发射功率4 8 不同的天线配置方案4 8 不同天线配置方案下的毛厶累积概率。4 9 第v 页 石一n 屹 信息工程大学硕士学位论文 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 7 图3 8 图3 9 图4 0 ( m ，) g d a s 的结构模型5 l g d a s 模型的三种不同天线拓扑结构 不同天线拓扑结构下g d a s 的信道容量比较，x 上= 4 ，肘= 2 d i s 结构中接收天线为4 时的信道容量 d i s 结构中发射天线为4 时的信道容量 g d a s 系统的分集性能 g d a s 系统的上行容量：m = 2 ，= 5 g d a s 系统的上行容量：膨= 2 ，= 2 。 第v i 页 5 1 5 5 5 6 5 7 5 8 6 0 6 1 原创性声明 本人声明所提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。 尽我所知，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和撰写 过的研究成果，也不包含为获得信息工程大学或其他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。 学位论文题目： 登型塑i 堕堡垒苤垂! 童壁垒堕笙笙盘 学位论文作者签名：垒鬯日期：，7年仁月侈日 作者指导教师签名：鱼! 登 日期： 口7 年p 月1 1 日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解信息工程大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权信息工程大学 可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允许论文被查阅和借 阅：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。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文题目：塑垫堕堡塑篁查叁墨堕坌堡焦至堕 学位论文作者签名：查塑日期：。7 年中月f ，日 作者指导教师签名：鱼垒歪日期：0 7 年妒月，岁日 信息工程大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 移动通信系统的发展概况 随着移动通信技术、互联网技术和计算机技术的飞速发展，移动通信已经不再局限于 单纯的话音通信，把移动通信网和i n t 咖c t 融合起来已经成为不可阻挡的趋势，于是在第 一代模拟通信系统和第二代数字通信系统的基础上，国际电信联盟i t u 又提出了第三代移 动通信系统( 3 g ) 第三代移动通信系统( 3 g ) 正在日益引起各行业人们的广泛关注，它 不但能够实现第一、第二代移动通信系统的话音业务和低速率数据业务，还能够极大地满 足广大用户对多媒体、高速率移动通信业务的需求。它的根本目的是要将移动通信网和 i n t e m e t 融合起来，打造一个随身的移动互联网。它的功能包括高速无线i m m i 毗接入，下 载文件和娱乐信息、进行网上浏览、收发e m a i l 、移动传真、网上购物等。 从技术层面上讲，第一代移动通信使用的是f d m a ，第二代移动通信系统使用的是 t d m a ，第三代移动通信系统则采用c d m a 。c d m a 是基于扩频技术，即将需传送的具有 一定信号带宽的信息数据，用一个带宽远大于信号带宽的高速伪随机码进行扩频，使原数 据信号的带宽被扩展，再经载波调制并发送出去。接收端由使用完全相同的伪随机码，与 接收的带宽信号作相关处理，把宽带信号换成原信息数据的窄带信号即解扩，以实现信息 通信i i 】。 在第三代移动通信的技术标准中，以欧洲主导的w c d m a 、美国主导的c d m a 2 0 0 0 以及中国的t d s c d m a 成为了三大主流技术。 在建设和发展第一代、第二代移动通信系统的过程中，由于中国在技术方面处于被动 地位，国内大多数厂家只能组装国外产品，仅占很少的国内市场份额，绝大部分市场被国 外公司所占有。中国由于不掌握核心技术，不得不使用别人的专利，从而付出了上百亿美 元的依附于移动通信标准的知识产权费。作为一个移动通信市场大国和一个经济快速崛起 的国家，不能永远处于技术跟踪和模仿的位置，必须抓住第三代移动通信发展的有利时机， 提出自己的国际标准。正是在这种形势下，我国很多大公司奋发图强，努力研发具有自主 知识产权的核心技术，1 9 9 8 年6 月，由中国信息产业部电信科学技术研究院代表中国提出 的t d s c d m a 第三代移动通信系统标准，经国家主管部门批准，提交国际电联2 0 0 0 年 5 月，在土耳其召开的国际电联大会上，t d s c d m a 被国际电联接纳并成为第三代移动通 信系统三大主流标准之一。2 0 0 1 年3 月1 6 日，在美国举行的3 g p pt s g - r a n 第1 1 次全 会将t i ) - s c d m a 列为第三代移动通信系统标准之一包含在3 g p pr e 】4 中。这表明该标准 已经被世界上许多运营商和设备厂家所接受。这是世界通信行业的第一个中国标准，标志 着我国在移动通信技术领域已经进入世界先进行列1 2 j 。 随着各种无线通信业务和宽带数据业务的不断发展，无线资源，尤其是频谱资源变得 越来越紧张，如何更高效地利用利用这些有限的通信资源成为第三代移动通信技术发展的 第1 页 笪星三里查兰堡兰垡堡茎 焦点所在。针对无线多媒体业务的实现，其最基本的要求就是高速率，人们提出了多种新 型的关键技术： 一、传输调制技术正交频分复用o f d m ( o n l l o g o n a if r c q u e yd i v i s i om 山t i p l “i n g ) 。 其基本思想是：在频域内将指定的信道分成许多正交子信道，在每个子信道上进行窄带调 制和传输，子信道带宽小于信道的相关带宽，因此0 f d m 技术可以有效地克服码间干扰， 适用于多径环境和衰落信道中的高速数据传输。该项技术己经在无线局域网协议8 0 2 1 1 a 中得到了实现，最高速率可以达到5 4 m b p s 。 二、多天线技术一智能天线、多入多出天线m i m 0 ( m u l t i p l ei l l p u tm i l l t i p l eo u t p u t ) 、 分布式天线等。 1 2 多天线技术简介 目前面临的频率资源匾乏、移动用户不断增长的窘迫局面，不断刺激移动通信设备的 生产厂商们使用新的技术或开发新的资源来提高单位频率的复用率。新的资源开发从频 域、时问域到码域之后，剩下的“最后一块阵地”可能就是空间域，正是在这种背景下， 无线通信方面的研究者们打破传统的单天线结构，提出了多天线技术的概念。多天线技术， 就是指在一个小区内( 基站，和或移动终端) 设立多根天线，通过空自j 复用或空间分集来达 到增加系统容量的目的。 多天线技术充分利用了“空间”这个新增的资源，在发送端和接收端采用多个天线， 在接收机采用相应的解码技术解出发送信号。根据多天线设立的位置不同，可以将其分为 三类： 第一种是智能天线，即要求天线单元间的距离小于l 2 个波长，旨在通过波束赋型算 法增加目标用户接收信号的质量，用于增加小区的覆盖范围。 第二种是多入多出天线m i m 0 ，要求天线单元间的距离从l ，2 个波长到几个波长之间， 旨在大幅度地提高信道容量。 第三种是分布式天线，即天线单元在整个小区内分布开，可以获得分集增益，并降低 移动终端的发射功率。 1 3 分布式天线的研究现状 目前分布式天线技术在国内外已经有了一定的发展，在我国分布式天线多用于高层建 筑室内、地铁、隧道以及高速公路、铁路沿线等特殊环境，宏蜂窝基站存在覆盖盲区，密 集建筑群里信号很弱的较复杂特殊环境。 随着社会的发展与进步，用户对无线系统的要求越来越高，人们提出了微蜂窝和微微 蜂窝结构，用来增加系统容量。未来无线通信应用中，分布式天线是一个重要的关键技术， 它在提高系统容量、减少发射功率方面有着先天的优势。众所周知，传播电波受到路径损 耗、阴影衰落与多径干扰等各种损耗。分集是克服阴影衰落的有效方法之一，它采用大范 围内的空间分集，在收端对信号采用各种合并方式，提取有用信号，可以显著提高系统性 第2 页 信息f 群人学硕十学位论文 能。分布式天线系统的特殊结构决定了利用分集技术是顺理成章的事情。 分布式天线的信道建模、信息论和编码理论、信号处理算法、天线设计以及固定和移 动的蜂窝设计方面都取得了一定的进展，但在3 g 系统中的实际应用还有相当大的距离。 目前，各国学者对于分布式天线的理论、性能、算法和实现等方面正进行广泛研究。 1 4 课题研究的意义 分布式天线技术属于移动通信系统多天线技术中的一种。通过天线单元在整个小区内 地理位置上的均匀分布，分布式天线可以有效地改善系统的覆盖问题。另一方面。天线密 度的增加，使得移动终端接入系统的平均距离减少，因而降低了终端的平均发射功率，延 长了电池的使用寿命。分布式天线可以对抗多径衰落获得分集增益，并且很大程度上提高 系统接收信号的质量。分布式天线最初用于覆盖一些通信中的死区，如矿井、隧道等，最 近很多新的研究表明这项技术还具有功率和容量等方面的一些优势，因此，分布式天线是 一项很有发展前景的技术。 本课题拟通过对分布式天线分集技术、分布式天线静态模型仿真，以及分集与复用相 结合问题进行研究，探讨其工作原理。课题研究的结果可以为今后进一步对分布式天线实 际应用提供参考，具有重要的理论和现实意义。 1 5 本人的工作和论文的组织结构 本课题的主要工作为： l 、全面分析了多天线技术中分布式天线、智能天线和多输入多输出m i m o 天线的特 点和性能。 2 、对天线分集技术进行研究，针对分布式天线采用的空间分集技术进行了仿真分析。 3 、研究了分布式天线系统中室内模型及接收功率的功率控制算法，并通过了仿真性 能验证 4 、将分集技术与复用技术相结合应用于分布式天线中，可以在信道容量和接收信号 质量之间取得一个最佳的折衷，使得系统的综合性能最优 在文章的结构上，作了如下安排： 第二章介绍了多天线技术，具体概括了三种多天线技术( 智能天线、多入多出天线 m i m o 和分布式天线) 的发展概况、技术特征以及相应的研究现状。 第三章对天线分集技术进行研究，针对分布式天线空白j 分集技术进行仿真分析。 第四章搭建了分布式天线室内静态测试模型，对系统模型中几个典型参数做了验证。 第五章研究了分布式天线系统中基于接收功率的功率控制算法。分析了天线单元的不 同配置方案对系统性能的影响。 第六章将分集技术与复用技术相结合应用于分布式天线中，可以在信道容量和接收信 号质量之间取得一个最佳的折衷，使得系统的综合性能最优。 结束语是对全文的一个总结，概括了全文重点以及对课题后续工作方面的建议。 第3 页 信息j l ：程大学硕士学位论文 第二章多天线技术概述 2 1 多天线技术提出的背景 随着无线通信的不断发展，迅速提高系统的容量成为非常关键的一个问题，尤其是在 热点地区，这个问题更为突出在蜂窝移动通信系统中，为适应业务量需求的不断增长， 一般采用小区分裂的方式来提高系统容量。但是不能说，无限制地减小小区面积可以无限 度地增加用户的数量，因为在小区分裂问题上不得不考虑两个非常重要的影响因素1 3 j ： 一，小区半径过小，会造成越区切换过于频繁，这样一方面增加了系统控制切换的难 度，另一方面也会影响通信质量。 二，小区分裂使得相同面积的地区所需的小区基站数量增加，而小区基站的建立费用 是很昂贵的，特别是在城市区域中，占用房地产的费用十分高。 因此，基于以上两点考虑，不能依靠无限制地分裂小区来提高系统容量，必须考虑采 用其他方式。 目前面临的频率资源匮乏、移动用户不断增长的窘迫局面，不断刺激移动通信设备的 生产厂商们使用新的技术或开发新的资源来提高单位频率的复用率。新的资源开发从频分 复用f d m a 、时分复用t d m a 到码分复用c d m a 之后，剩下的“最后一块阵地”可能就 是空分复用s d m a 【4 】。至于空分复用为什么到现在才得到比较普遍的研究，是有其必然性 的。正是在这种背景下，无线通信方面的研究者们打破传统的单天线结构，提出了多天线 技术的概念。多天线技术，就是指在一个小区内( 基站或移动终端) 设立多根天线，通过 空问复用或空间分集来达到增加系统容量的目的。 2 2 三种多天线技术 在一个小区内设立多根天线，可以根据多天线设立的位置不同，将其进行分类。主要 有三种多天线技术类型p j ： 一、智能天线，即要求天线单元间的距离小于1 ，2 个波长； 二、多入多出天线m i m 0 ，要求天线单元间的距离从l 2 个波长到几个波长之间： 三、分布式天线，即天线单元在整个小区内分布开。 由于天线单元间的距离不同，这三种天线结构所构成的系统的性能各不相同，系统所 要达到的目标侧重点也有所不同。智能天线旨在通过波束赋型算法提高目标用户的信干比 s m 性能主要用于增加小区的覆盖范围：m i m 0 技术则通过开发空问域，采用空间复用， 主要用于提高系统的信道容量；而分布式天线通过在地理位置上将天线单元分布开，利用 分集增益来提高系统的信干比s 限性能和容量。下面分别介绍智能天线、多入多出天线 m i m o 技术和分布式天线的发展概况、技术特征以及相应的研究现状。 第4 页 信息工程大学硕士学位论文 2 3 智能天线 2 3 1 智能天线的发展概述 c d m a 技术本身为顺利引进包括智能天线在内的现代数字信号处理技术创造了条件。 可以说，智能天线是3 g 区别于2 g 系统的关键标志之一。现在，智能天线己成为国内争取 自主知识产权的一个热点领域。 智能天线，又称为自适应天线阵列( a 从，a d a 州v e a n t e 蚰a 岫) 。最初的智能天线 技术主要用于雷达、声纳、抗干扰通信、定位、军事方面等，用来完成空问滤波和定位。 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，智能天线开始用于具有复杂电波传播环境的移动通信。为此，移动通信研究 者给应用于移动通信的自适应天线阵列起了一个较吸引人的名字：智能天线，英文名为 ( s m a n 加他i l l l a 或i m e l l i g e m a m e n i l a ) 。 随着全球通信业务的迅速发展，作为未来个人通信主要手段的无线移动通信技术引起 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( m p d ) 的影 响成为人们在提高无线移动通信系统性能时考虑的主要因素。近年来智能天线成为移动通 信领域中的一个研究热点，是解决频率资源匮乏的有效途径，同时还可以提高系统容量和 通信质童。智能天线利用数字信号处理技术，采用了先进的波束转换技术( s w i 劬e db 黜 1 k l i l o l o g y ) 和自适应空白】数字处理技术( a d a p t i v es p a t i a ld i g i 协ip r o c e s s i r 培t c c l l l l o l o g y ) ， 产生空间定向波束，使天线主波束对准用户信号到达方向，旁瓣或零陷对准干扰信号到达 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。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未艾并显示 出巨大潜力移动通信技术的发展中，智能天线已成为一个最活跃的领域，近年内，几乎 所有先进的移动通信系统都将采用此技术。智能天线技术对移动通信系统所带来的优势是 目前任何技术所难以替代的。智能天线技术己经成为移动通信中最具有吸引力的技术之一 1 5 l 。 在第三代移动通信系统中，我国1 d s c d m a 系统是应用智能天线技术的典型范例。 作为t d s c d m a 系统中的关键技术之一的智能天线技术能够使系统在高速运动的信道环 境中达到较好的性能。目前，国际上己经将智能天线技术作为一个三代以后移动通信技术 发展的主要方向之一，一个具有良好应用前景且尚未得到充分开发的新技术，是第三代移 动通信系统中不可缺的关键技术之一。与传统的t i ) m a 。f d m a 或c d m a 方式相比，智 能天线引入了第四维多址方式空分多址s d m a 方式。 2 3 2 智能天线的基本原理 智能天线主要包括四个部分：天线单元、模数转换、自适应处理器、波束成型网络。 自适应处理器根据自适应空间滤波，波束成型算法和估计的来波方向等产生全值 嵋似= l ，2 ，) ，波束成型网络进行动态自适应加权处理以产生希望的自适应波束。因此， 第5 页 笪：垦三堡盔兰堡兰丝堡奎 智能天线技术的核心问题是：空域滤波波束成型和波达方向( d o a ) 估计【6 】。 函一一豆一j j 从接受的角度来看，基站利用智能天线对来自移动台的多径电波方向进行波达方向 ( d o a ) 估计，并进行空间滤波( 也成为上行波束成型) ，抑制其他移动台和多径干扰。 从发射角度，基站利用智能天线对发射信号下行波束成型，使基站发射信号能够沿着移动 台电波的来电方向发送回移动台，从而降低发射功率，减少对其他移动台的干扰。 设用户发送信号为s ( f ) ，若不考虑阵因子，信号经过多径时变信道传输后接收信号为： x ( f ) = 占( f _ t 旃( ，) 工( f ) = 屈( f p ( ，一q ) 则信号经过多径时变空时信道后天线阵输出信号( 矢量) 为： ，。，口，= i 疆象 = 厅c 口，s 。，= 口c 口，x 。， c 2 ， 以上两种输出信号表达式分别用于不同场合当强调空时信道时用前者比较好，当强 调阵列处理时用后者比较方便。 天线阵输出信号还要通过加权处理w = ( w 。，w 2 ，w ，) 1 ，则智能天线的最终输出为： 第6 页 堕星三矍查堂堕堂垡堡苎 ) ，( f ) = w 7 ( ，( ，口) + 一( f ) ) = w 7 ，( f ) + 一( r ) = ( f ，p ) + 矿n ( ，) = 矿口( 曰) z ( f ) + w k ( f ) ( 3 ) = ( f ，口) s ( f ) + ，( f ) 由相关矩阵的定义，可以计算出后面算法中需要的各种相关矩阵： 凡= e 3 ( f ) ) ，凡= e ( ，( 吵 ( 4 ) 砟= e ( ，( ，) r ”( f ) ) = e ( 行( f ) ( f ) ) ， 确定最佳权值，以达到提取期望信号、抑制干扰信号和滤除噪声信号。通过代价函数 的最小化确定，首先要确定最佳性能准则，然后利用相应的自适应算法调整权值。 2 3 3 智能天线的波束形成 人们研究智能天线的最初动机是，在频谱资源日益拥挤的情况下考虑如何将自适应波 束形成应用于蜂窝小区的基站，以便能更有效地增加系统容量和提高频谱利用率。智能天 线的基本思想是：天线以多个高增益窄波束动态地跟踪多个期望用户，接收模式下，来自 窄波束之外的信号被抑制，发射模式下，能使期望用户接收的信号功率最大，同时使窄波 束照射范围以外的非期望用户受到的干扰最小【6 j 。 智能天线是利用用户空间位置的不同来区分不同用户。不同于传统的频分多( f d m a ) 、 时分多址( t d m a ) 或码分多址( c d m a ) ，智能天线引入第4 种多址方式：空分多址 ( s d m a ) 。即在相同时隙、相同频率或相同地址码的情况下，仍然可以根据信号不同的中 间传播路径而区分。s d m a 是一种信道增容方式，与其他多址方式完全兼容，从而可实现 组合的多址方式，例如空分码分多址( s d c d m a ) 。智能天线与传统天线概念有本质的区 别，其理论支撑是信号统计检测与估计理论、信号处理及最优控制理论，其技术基础是自 适应天线和高分辨陈列信号处理【2 l 。 未来移动智能天线均采用数字方法实现波束形成，即数字波束形成( d b f ) 天线，从 而可以使用软件设计完成自适应算法更新，在不改变系统硬件配置的前提下增加系统的灵 活性。d b f 对阵元接收信号进行加权求和处理形成天线波束，主波束对准期望用户方向， 而将波束零点对准干扰方向。根据波束形成的不同过程，实现智能天线的方式又分为两种： 阵元空间处理方式和波束空间处理方式 1 、阵元空间处理方式 阵元空间处理方式直接对各阵元按收信号采样进行加权求和处理后，形成阵列输出， 使阵列方向图主瓣对准用户信号到达方向。由于各个阵元均参与自适应加权调整，这种方 式属于全自适应阵列处理。 2 、波束空间处理方式 这是当前自适应阵列处理技术的发展方向。它实际上是两级处理过程：第一级对各阵 元信号进行固定加权求和，形成多个指向不同方向的波束；第二级对第一级的波束输出进 第7 页 焦垦三堡叁堂堡兰生丝奎 行自适应加权调整后合成得到阵列输出，此方案不是对全部阵元都从整体最优计算加权系 数作自适应处理，而是仅对其中的部分阵元作自适应处理，因此，属于部分自适应阵列处 理。这种结构的特点是计算量小，收敛快，并且具有良好的波束保形性能。 2 3 4 智能天线实现的实际考虑 智能天线为了实现其改善系统性能的目标，必须在动态环境下对许多时变参数进行估 计和最优化。诸如动态切换、动态信道分配、覆盖一簇移动台的波束动态成形，同道干扰 动态零陷，以及为形成波束而获取期望移动台的先验知识都需要复杂的控制结构。并且这 些系统参数的更新耗费的时间也是必须考虑的问题。例如，系统要求实时更新处于快速移 动中的移动台的位置信息，而响应时间却受到方向角估计、跟踪方案以及收敛至满足水平 的波束形成算法所需时间的限制。尽管可以通过算法的并行操作来实现增强信号的处理能 力，但同时也增加了系统的费用。 系统的费用不仅包括实现控制结构所需的硬件费用，还包括有源天线、移相器、高功 率放大器以及驱动这些组件的电路所需要的费用。这些组件目前大多很昂贵，且不采用 s d m a 的系统不需这些组件。这正是在移动通信中应用智能天线的不利因素。除了系统费 用，另一个关键问题是要找到一种真正快速收敛且性能优良的白适应算法。 目前尚没有智能天线的确切定义，大多数文献将智能天线和自适应天线混用。但是， 智能天线必定是建立在自适应天线基础之上的新一代天线系统，其目标是通过抑制干扰和 对抗衰落来增加系统容量，进而提高频谱利用率，不仅涉及智能化接收，还包括智能化发 射。现在第三代移动通信系统的发展为我国提供了不可多得的机遇，应争取在移动通信的 关键技术中有所突破，形成自主开发的专利技术。其中，智能天线就是一个大有所为的领 域。智能天线的研究必须和软件无线电技术结合起来。 2 4 多入多出天线m i m o 随着移动通信的不断发展，人们对通信的速率和质量都提出了越来越高的要求。无线 频谱资源的日益缺乏，使得人们将更多的目光转向了“空间”这块最后的阵地，于是多入 多出天线m i m o ( m u l t p i ei n p u tm u l t i p l eo l l t p u t ) 应运而生。它是在发送端和接收端都采 用多根天线，在接收机采用数字信号处理d s p 技术解出发送信号。m i m 0 系统在不增加系 统频带的情况下，可以大幅度的提高无线通信的速率和频谱利用率，成为解决目前无线通 信中频谱资源匮乏等各种问题的关键所在。 2 4 1 多出天线m i m o 技术的基本原理 m n 订o 系统的定义隐含以下三个方面内容： l 、多根输入天线，多根输出天线； 2 、在发送端将数据流转化为并行多路输入，在接收端将收到的并行数据转化为单路 输出； 第8 页 信息工程大学硕士学位论文 3 、更高的数据速率，更高的频谱利用率。 图2 给出了一个( 材，) m i m o 系统的简单框图，发送端采用膨个发送天线，接收 端个天线。从总体上来讲，m i m o 系统可以分为两大类：复用和分集【7 l 第一类是复用，它充分利用空间特性，目的是在一定的误码率前提下提高信道中的数据 传输速率，提高系统的容量，b l a s t 系统就是属于此类。b l a s t 系统又可以分为两种： d b l a s t ( d i a 9 0 眦1 b l a s t ) 和v b l a s t ( v e r t i c a l b l a s t ) 。d b l a s t 有较好的解码性 能，但复杂度比较高，因此常常不被采用。而v - b l a s t 复杂度较低，但性能也差于 d - b l a s t ，实际的系统经常采用v b l a s t 系统。 第二类与第一类不同，它的目的是消除无线链路中由于多径、衰落等带来的负面影响， 致力于提高无线链路的可靠性。包括发送分集和接收分集，即通过增加多根发送天线所发 送数据间的冗余或通过增加多根接收天线所接收到数据间的冗余，利用分集增益来提高链 路性能。 图2m i m o 系统框图 2 4 2 多入多出天线m i m o 系统的优点 采用传统的单入单出天线s i s o ( s i n g l e i n p u t s i n g l e o u t p u t ) 系统进行通信，根据香农 公式，信道容量随着信噪比( s n r ) 的升高而增大，它们之间不是正比关系，而是一个对 数关系。但在实际的系统中，信嗓比( s n r ) 的增加是有限的，而且将会大大增加设备的 成本，所以采用这种方法来提高容量是不实用的 而在多入多出天线m i m o 系统中，根据信息论可以证明，在不增加系统频带的情况下， 系统容量是随着发送天线和接收天线的最小值m i n ( 肘，) 的增长几乎呈线性增长，即它几 乎相当于i n i n ( 肘，) 个并行的子信道在同时进行传输哺】这对提高信道容量的作用无疑是巨 大的，是传统天线系统所不能比拟的。 贝尔实验室在1 9 9 8 年做出了一套m i m 0 实验系统，他们在接收端采用v - b l a s t ( v c = n i c a j b e l l l a b s l a y e r c d s p a c e n m e ) 解码，所实现的m i m 0 系统的频谱利用率达到了 4 0 b p s l z ，这是采用传统的天线方案所不可能实现的。 第9 页 堡星三矍盔兰堡主兰垡堡奎 2 4 3 多入多出天线m i m o 技术实现上的难点 一、信道建模及信道估计【9 】 对移动通信系统影响最大的莫过于无线信道，它直接决定了移动通信系统所采用的多 种技术。在m i m 0 系统中，它要求发送端和接收端之间要有足够多的散射信道从而保证 接收机可以收到足够多的多径信息来解码。在许多文献中，为了研究其他算法的性能而假 设了理想的m i m o 信道，这些信道在实际中是不现实的。对信道的研究及建模是目前比较 热点的一个问题，目前有很多人提出了很多建模的方法。 随着m i m o 技术的逐步研究，m i m o 的信道估计也渐渐成为一个新的研究热点。m i m 0 的信道不再像传统的信道是一个向量，而是一个矩阵这无疑增大了信道估计的难度。目 前尚没有比较适用的信道估计算法，因此这方面很值得研究人员进行进一步的探索。 二、信道相关性及香农容量 理想的m i m 0 信道要求各个m i m o 子信道之间完全不相关，因为引入相关的m i m o 子信道会降低部分子信道的容量，从而降低整个m i m o 系统的容量。由于m i m o 信道是 一个随机的矩阵，而信道容量可以表示为信道的一个函数，故可以知道容量也是一个随机 过程。 在实际的m i m o 信道情况下，综合考虑实际信道比如有直视路径l o s ( l i 鹏0 f s i g h t ) 时采用莱斯( 剐c e ) 信道以及各个子信道之白j 的相关性等因素，定义出一个新的“香农” 容量也是目前研究的一个热点。 三、接收机的设计 最理想的接收机是采用最大似然( m 瓤i m 岫l i k el i h o o d ) 解码准则，它可以获得最优 的性能，但是由于其复杂度过高使得在实际系统中不可行。其余的一些备选方案中有最小 均方误差m m s e ( m i n i m 啪m 啪s q u a r ee o r ) 解码准则，迫零z f ( z e r of o r c i i l g ) 解码 准则等。v b l a s t 就是采用了其中的迫零解码算法，但只能达到香农极限容量的5 0 6 0 ， 而且具有错误传播的特性。目前接收机性能的研究还需进一步完善。 上面谈到了m i m o 的许多缺点和技术上的难题，但是瑕不掩玉，由于具有可以极大地 提高系统容量的强大优势，m i m 0 还是取得了业界的广泛关注，成为目前研究的一个重心。 许多组织和企业对于上面提到的问题也给出了各自的方案。m i m o 技术尚处于理论研究阶 段，还有很多问题有待解决，相信随着研究的深入，这些难题将逐渐被解决。 目前在高速下行包接入h s d 队( h i g l ls p e e dd o w n i i l l l 【p k e ta c c e 鸽) 技术中，己经引 入了m i m o 技术，3 g p p 的合作伙伴都在积极地提交各自对m i m 0 技术相关方面的解决方 案。m i m 0 技术的引入将会大大提高通信系统的容量，因此m i m 0 将成为未来移动通信方 案的一项关键技术。 第1 0 页 笪：垦! ：堡查堂堡主堂堡丝塞 2 5 分布式天线 2 5 1 分布式天线技术概述 分布式天线的思想来源于泄漏馈线技术。在二十世纪五十年代中期，人们偶然发现没 有完全屏蔽的电缆也可以连续地传播信号，这就是直到二十年后才被人们完全理解的泄漏 馈线技术的起源。泄漏馈线技术在地下通信