（电磁场与微波技术专业论文）无线通信智能天线算法的研究.pdf

攘要 智能天线已成为未来无线通信关键技术之一，它缩合了天线阵技术与信号空时处 理，在系统设计中爝如了窆时处理的自由魔，改善了系统性隧，增加了系统容量及 频谱利用率本论义主要魑对c d l 姒( 码分多址) 、o f d m ( t f 交频分多址) 无线通信系 绕枣餐蓖天线弱皇邂应算法、将裂楚对采瘸捧经踺终的是蘧应篓法遴霉了较全嚣懿 研究与仿真，全文生要包含如下四方面工作 首先，对智能天线自邋成波束形成的几种非盲算法作了仿真研究，比较了它们 鹣毪靛及备鑫稳使薅特熹。劳对c d m a 系统串骞逶癍富浚寒澎成豹算法撵了迸一 步的改进，降低了算法的复杂度，抑制干扰效果较为满意间时，对c d m a 系统中 静囊适应麓率控制葬法律了数氇镄真，与传统鹃方法作了魄较。对o f d m 系统提出 将空时编码与自适成功率控制技术棚绩台，给出了仿宾结果，提高了分集增益和自 适威增益 其次。采用m m u s i c 算法对宽带相干源进行了d o a ( 波达方向) 估计，采用求 警甥篷的穷寨以蠼强窒阕潢的估诗精度特别是，提出了照径自然耪经隧终进赞 d o a 估计。给出了模拟结果，证明了有效性 第三。采用自适应神经网络方法处理非线性噪声，获得的信号波形与源信号吻合 较好。在鑫遂痤砉绩号势囊审，采震了褒测绥号预鑫稼娃理，然磊诵攘分离瓣络毂蕊 使得分离网络的输出分量之间尽可能独立菰得了较为理想的源信号 第四，制用径向蒸函数神经网络来实现光线通信中智能天线的波束形成，利用了 信号相关阵的对称性，仅考虑褶关陴中的部分元素作为网络的输入鬣，计算爨较小， 且具有收敛快且准确的优点。为了遴步地提赢神经网络的泛化力，提出了蘩予径良 基神经网络在线学习的波柬形成方法由此构架的神经网络的泛化力较为显蔫 关镶调：键熊天线，黩适盛，波束形成，渡这方囱，功率控巷瓢楼号分离，神弪瓤终。 a b s r r a c t t h es m a r ta n t e n n ah a sb e e nt h eo n eo f k e yt e c h n i q u e si nf u t u r ew i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n s ，w h i c hc o m b i n e st h ea n t e n n aa r m yt 珊m o l o g yw i t ht h es i g n a l p r o c e s s i n gi ns p a c ea n dt i m e 。t h es p a t i a lp r o c e s s i n gl e a d st om o r ed e g r e e so f 蠹魄翩i n t h es y s t e m ，i m p r o v e si t so v e r a l lp e r f o r m a n c e ，a n de n h a n c et h es y s t e mc a p a c i t ya n d s p e c t r u me f f i c i e n c y i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，ac o m p r e h e n s i v es t u d yo na d a p t i v ea l g o r i t h m so f s m a r ta n t e n n a si nt h ec d m aa n do f d mw i r e l e s ss y s t e m s ，e s p e c i a l l y , t h ea d a p t i v e a l g o r i t h m su s i n gt h e n e u r a ln e t w o r ki sp r e s e n t e dw i t hs i m u l a t e dr e s u l t s ，w h i c hm a i n l y i n c l u d e sf o u rp a r t ss t a t e da sf o l l o w s f i r s t l y , s o m e d i f f e r e n tn o n - b l i n da d a p t i v e b e s m f o r m i n ga l g o r i t h m s o fs m a r t a n t e n n a sa r es i m u l a t e d 。t h e nt h e i rp e r f o r m a n c e sa n df e a t u r e s 鑫f ec o m p a r e d 。f o rt h e c d m 必, s y s t e m ，ai m p r o v e da l g o r i t h mw i t hr e l a t i v e l yl o w e rc o m p u t a t i o nc o m p l e x i t ya n d g o o dr e s t r a i n i n gi n t e r f e r ep e r f o r m a n c ei sp r o p o s e d 。m o r e o v e r , aa d a p t i v ep o w e rc o n t r o l a l g o r i t h mf o rt h ec d m as y s t e mi ss i m u l a t e da n dc o m p a r e dw i t hac o n v e n t i o n a lm e t h o d f o rt h eo f d ms y s t e m as c h e m eo f c o m b i n i n gs p a c e - t i m ec o d ew i t ht h ea d a p t i v ep o w e r c o n t r o lt e c h n o l o g yi sp r o p o s e dw i t hs i m u l a t i o nr e s u l t s ，w h i c hi n c r e a s e st h ed i v e r s i t yg a i n a n dt h ea d a p t i v eg a i n 。 s e c o n d l y , as c h e m eu s i n gm m u s i c ( m o d i f i e dm u l t i p l es i g n a lc l a s s i f i c a t i o n ) a l g o r i t h m 晒t kw i d e b a n dc o h e r e n ts o u r c e 蛰o a f d i r e c t i o no fa r r i v a l ) e s t i m a t i o ni s i n t r o d u c e d ，i nw h i c ht h ec a l c u l a t i o nm e t h o do fa p p l y i n ga v e r a g em e a n si sa d o p t e dt o e n h a n c et h es p a c es p e c t r a le s t i m a t i o np r e c i s i o n 。e s p e c i a l l y , ad o ae s t i m m i o na p p r o a e h b yt h er a d i a lb a s i sf u n c t i o nn e u r a ln e t w o r ki ss u g g e s t e d 。a n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t sa 殆 s h o w n ，c o n f i r m i n gt h ev a l i d i t yo f t h i sm e t h o d t h i r d l y ，t h es e p a r a t i o no f s i g n a lb ya na d a p t i v en e u r a ln e t w o r km e t h o da r ed e s c r i b e d l w h i c hi ss u i t a b l ef o r t h en o n l i n e a rn o i s ed i s p o s e ，r e s u l t i n gi ng o o da g r e e m e n tb e t w e e nt h e s i m u l a t e ds i g n a la n dt h eo r i g i n a ls o u r c eo n e 。a l s o ，a na d a p t i v en e u r a ln e t w o r kb l i n d s i g n a ls e p a r a t i o na l g o r i t h mi sp r o p o s e df o rp r e w h i t e n i n gb e f o r ea d j u s t i n gn e t w o r k w e l g h t s ，t oe n s u r eo u t p u tv e c t o r so f t h en e t w o r kt ob er e l a t i v e l yi n d e p e n d e n t ，t h u sm o r e s a t i s f a c t o r ys o u r c es i g n a l sa r ca c h i e v e d f i n a l l y ，aa p p r o a c ho ft h eb e a m f o r m i n gw i t ht h er a d i a l b a s i sf u n c t i o nn e u r a l n e t w o r kf o rs m a r ta n t e n n a si nt h em o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m si ss u g g e s t e d t h e s y m m e t r yp r o p e r t yi nt h ec o r r e l a t i o nm a t r i xi se x p l o i t e dt or e d u c et h ed i m e n s i o no ft h e i n p u tv e c t o r s ，s ot h a to n l yap a r to ft h ec o r r e l a t i o nm a t r i xe l e m e n t sa r en e e d e d t h e a d v a n t a g e so ft h ep r o p o s e dm e t h o di n c l u d er e d u c t i o ni nc o m p u t a t i o n ，f a s tc o n v e r g i n g s p e e da n dq u a l i t yo f b e i n gp r e c i s e t oe n h a n c et h eg e n e r a l i z a t i o no f t h en e u r a ln e t w o r k , a n e wa p p r o a c hu s i n go n l i n el e a r n i n gb a s e dr a d i a lb a s i sf u n c t i o n ( r b f ) n e u r a ln e t w o r ki s p r o p o s e df o rt h ea d a p t i v eb e a m f o r m i n go f a l la n t e n n aa r r a y w h o s eb e t t e rg e n e r a l i z a t i o n p e r f o r m a n c ei sp r o v e d k e yw o r d ：s m a r ta n t e n n a ，a d a p t i v e ，b e a m f o r m i n g ，d i r e c t i o n - o f - a r r i v a l ，p o w e rc o n t r o l 。 s i g n a ls e p a r a t i o n ，a d a p t i v e ，n e u r a ln e t w o r k 原创性声明 本入声明：所呈交的论文是本入在导舜指导下进行的研究工作除了文 中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表或撰写过 熬磷究残暴参与黼一工作酶荬纯闲恚对本臻究所徽豹手壬褥羹献均甚在 论文中作了明确的说明并表示了谢意 签名；蛩、缒墨日期扩以。 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学搜论文鲶规定，e l i ：学校袁权 保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容 ( 保密的论文在解密后应遵守茈规楚) 上海大学博士论文第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 智能天线技术起源于2 0 世纪4 0 年代的自适应天线阵技术，在当时采用了 锁相环技术进行天线的跟踪。1 9 6 5 年，h o w e l l s 提出了自适应陷波的旁瓣对消 器技术用于阵列信号处理，后来，g a b r i e l 将自适应波束形成技术上升到“智能 阵列”概念。早在1 9 7 8 年，智能天线就在军事通信中得到了应用。进入2 0 世 纪9 0 年代后，才在民用移动通信系统中开始研究应用，并将这种自适应天线 ( a d a p t i v ea n t e n n a ) 称之为智能天线( s m a r ta n t e n n a ) ，随着移动通信的发展，人们不 仅从时域和频域的角度来探讨提高移动通信系统数量和质量的各种手段，而且 进一步研究信号在空域的处理方法，智能天线技术就是典型的代表。 智能天线1 1 卅是第三代移动通信系统区别于第二代的关键标志之一。近年 来，蜂窝移动通信的发展十分迅速，随着用户量的大幅度增加，通信系统出现了 一些尤为突出的问题：信道容量的限制，多经衰落、远近效应、同频道干扰、越 区切换、移动台电池容量的功率受限等【5 】，迫切需要一种能够提高系统容量和 通信质量的新技术，这也正是将智能天线致力于移动通信的开发和利用的最初动 机。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 提高频率利用率，随着d s p 芯片处理能力不断提高，利用数字技术在基带形成 天线波束已成为可能。 智能天线的基本思想是：天线动态地以高增益窄波束跟踪期望用户，而使 零陷指向非期望用户。应用于第三代移动通信基站的智能天线汇聚了已有的多 址( f d m a 、t d m a 、c d m a ) j 式，又将第四种多址方式一s d m a ( 空分多址) 【6 】纳 入应用，从而增加了容量基站中智能天线的本质是采用自适应方式对空间进一 步的开发利用 7 】利用空间位置的不同来区分不同用户，即在相同的时隙、相 同的频率或相同地址码的情况下，仍然可以根据信号不同的空间传播路经而区 分。s d m a 这种信道增容方式，与其它多址方式完全兼容，从而可实现组合的多 址方式，例如空分一码分多址( s d c d m a ) 。智能天线用于空问资源的开发是一 条解决目前频谱资源匮乏的有效途径一般地，智能天线被定义为：具有测向和 上海大学博士论文第一章绪论 波束形成能力的天线阵列。实际上，智能天线利用了天线阵列中各单元之间的位 置关系，也就是利用了信号的相位关系，这是与传统分集技术本质上的区别。智能 天线能识别信号的入射方向( d o a d i r e c t i o no fa r r i v a l ) 从而实现在相同频率，时 间和码组上用户的扩展。 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阵列信号处 理应用于移动通信具有以下优点： ( 1 ) 可以大大减小电波传播中的多经衰减【8 】，由于无线通信系统的性能很大 程度上取决于衰减的深度和速度，因此，降低信号在传播中的变化可以提高通信 系统的性能。 ( 2 ) 可以大大提高系统容量。 ( 3 ) 延长移动台电池的使用寿命。 ( 4 ) 采用智能天线较全向天线具有更大的覆盖区。 ( 5 ) 可以放松对功率控制的要求。 c d m a 系统也是一个白干扰系统，它必须通过功率控制来克服远。近效应和 抑制系统的干扰而在实际系统中，信号的实时衰落特性是未知的，信号不仅接受 阴影衰落，还要经受瑞利衰落。因此，系统必须严格进行功率控制，采用智能天线 可以放松这一要求，可以降低整个通信系统的建造成本。 1 2 智能天线的研究状况 世界各国为了获得迈向3 g 乃至4 g 的主导地位，投入大量的精力致力于未 来无线通信关键技术的开发研制工作，其中智能天线则是其中的关键技术之一。 美国的m e t a w a v e 公司对用于f d m a c d m a t d m a 9 1 0 系统的智能天线 进行了大量研究开发；a r r a y c o m m 公司已研制了用于无线本地环路的智能天线 系统；美国德州大学建立了智能天线实验环境；加拿大m c m a s t e r 大学研究开发 了4 元阵列天线，采用恒模算法( c m a ) 【1 1 。 欧洲电信委员会( e t s i - - e u r o p e a nt e l e c o m m u n i c a t i o n ss t a n d a r d si n s t i t u t c l 在 上：海大学博士论文籀章绪论 其第三代移动通信系统标准中( u m t s - - u n i v e r s a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t o n s y s t e m ) 。明确提出智能天线是第三代移动通信系统必不可少的关键技术之一 【1 2 】。并且制定相应的开发计划，即：t s u n a m i ( t e c h n o l o g yi ns m a r ta n t e n n a sf o r u n e i v e r s a la d v a n c e dm o b i l ei n f r a s t r u c t u r e ) 。 欧洲进行了基于基站的智能天线技术初步研究，于1 9 9 5 年初开始现场实验。 实验系统验证了智能天线的功能，在两个用户四个空间信道( 包括上行和下行链 路) 下，实验系统比特差错率实验评测了采用m u s i c 算法判别用户信号方向的 能力 1 3 】。同时，通过现场测试表明：圆环和平面天线适于室内通信环境使用， 而市区环境则采用简单的直线阵更适合。在此基础上又继续进行诸如最优波束 形成算法，系统性能评估，多用户检测与自适应天线结构，时空信道特性估计及微 蜂窝优化与现场实验等研究。 日本某研究所制作了基于波束空间处理方式的波束转换智能天线。天线阵 元布局为间距半波长的1 6 阵元平面方阵，射频工作频率是1 5 4 5 g h z 阵元组件接 收信号在模数变换后，进行快速付氏变换口f t ) 处理，形成正交波束后，分别采用恒 模( c m a ) 算法，或最大比值合并分集算法，提出了基于智能天线的软件无线电的 概念，即用户所处环境不同，影响系统性能的主要因素也不同，可通过软件采用响 应的算法。 我国也早已将研究智能天线技术列入国家8 6 3 3 1 7 通信技术主题研究中的 个人通信技术分项，许多大学都正在进行相关的研究。我国无线通信标准组织 ( c w t s ) 提出的t d s c d m a 系统，已由国际电联( i t u ) 正式采纳，成为第三代移动 通信系统( i m t 2 0 0 0 ) 的一个重要组成部分，并由3 g p p 组织进一步标准化。作为 t d - s c d m a 系统中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 道环境中达到良好的性能。 我国无线通信标准组织( c w t s ) 提出t d s c d m a 1 4 并使其成为了全球第 三代移动通信国际标准( i m t 2 0 0 0 ) 之一t d s c d m a 系统融合了两种先进技术， 它是一种在同步模式下工作的具有自c d m a 特点的先进的t d m a 系统作为未 来移动通信系统的t d s c d m a 必须能够满足各种类型的业务需求。 t d s c d m 是一种t d d 模式技术，比起f d d 来说更适用于上，下行不对称的业务 环境，是多时隙的t d m a 与直扩c d m a ，同步c d m a 技术合成的新技术采用八 上海大学 堪士豫文 第一骞绻论 降元环自适虑天线阵列，工作频率为1 7 8 5 一1 8 0 5 m h z ；采用t d d 双工方式，充矜剥 耀了t d d 上，下括链路程弱一鬏率上工搀熬谯势，唆发隔1 0 m s 揍牧极灵敏发最 大可提裹9 d b ，这样霹大大墩期系统容量，黪低发射功率，烫好她竞服涎线捷攘孛 遇燕煞多经衮落闯鼷。勇岁 ，在t d s c d m a 审还采髑联会检溺，软俘觅线电，接力 切换等技寒。 作为t d s c d m a 静关键技术之一的智能天线技术能够提高系统的容慧，扩 大小区的矮夫覆箍藏围，躐小移动窘豹发射渤率，摄离倍鼍的质量莽增大了数搌 传输速率。 为了取褥最离鹣频港效率，集餐越导囊秘联合捡测于一努鼓智缝天线燕淘由 数字信号处瑷( d s p ) 控制的系统邋进。这为移动逶债羝统软传的最优化设计奠定 了基懿。t d s a 臻螨熬管貔天线霹盛羯予掰裔静3 g 链务。 t d - s c d m a 豹臻势怒焉户巷号瓣发邀耪接故舔发生在突全籀麓鲢频率上。 智麓天线艇蕊完全稻褥的双淘天线圈，因此在两个方向中的传输条件建相间的或 者说楚对称的。这使的餐熊哭线能将，j 、区的干扰降歪最低，从而获褥凝佳的系统 性能。 鬻黪天线获褥驰较高频避裂憩率，可减少她务爨大熬城市魇要求簸基戆豹数 量【1 5 】。此外，在业务擞稀少的乡树，铿能天线w 使无线漫盏范围增加一倍，历甏耍 斡鏊炼数鐾黪至逶常馕提戆i 4 。 鲤避，t d - s c d m a 孛镑裁天线熬液爆霹酶低慈磐囊静投竣，提离冀经济救益。 带有鬻镜灭线静t d s c d m a 技术是遥向软件无线电的重凝一步。 1 3 智能必线技术 1 3 + 1 锶能灭线模型 餐髓天线国一弼低蠖盏天线元( e l e m e n t ) 缝残，一般来浚，梅戒簿掰静静元胃 按任意方鼓撑残；健邋鬻这些攘钕嬲低增效阵元爨按蹇线等凝( l i n e a re q u a l l y s p a c e d ，l e s ) 、谣潮等距葳平稀等簇摊弼静，并艇取尚稻阊。为了简化天线阵列的 分析，筏 j 佟拯下假设： 1 阵元间距较小，不问阵元接收到的信号幅值相闻。 上海大学博士论文 第一章绪论 阵元环自适应天线阵列，工作频率为1 7 8 5 1 8 0 5 m l t z ；采用t d d 双工方式，充分利 用了t d d 上，下行链路在同一频率上工作的优势，收发隔io r a s 接收机灵敏度最 大可提高9 d b ，这样可大大增加系统容量，降低发射功率，更好地克服无线传播中 遇到的多径衰落河题。另外，在t d - $ c d m a 中还采用联合检测，软件无线电 接力 切换等技术。 作为t d - s c d m a 的关键技术之一的智能天线技术能够提高系统的容量。扩 大小区的最大覆盖范围，减小移动台的发射功率，提高信号的质量并增大了数据 传输速率。 为了取得最高的频谱效率，集智能导向和联合检测于一身的智能天线正向由 数字信号处理( d s p ) 控制的系统迈进。这为移动通信系统软件的最优化设计奠定 了基础t d s c d m a 的智能天线可应用于所有的3 g 业务。 t d - s c d m a 的优势是用户信号的发送和接收都发生在完全相同的频率上。 智能天线呈现完全相同的双向天线图，因此在两个方向中的传输条件是相同的或 者说是对称的。这使的智能天线能将小区的干扰降至最低。从而获得最佳的系统 性能。 智能天线获得的较高频谱利用率，可减少业务量大的城市所要求的基站的数 量 1 5 1 。此外，在业务量稀少的乡村，智能天线可使无线覆盖范围增加一倍，所需要 的基站数量降至通常情况的i 4 。 因此，t d - s c d m a 中智能天线的应用可降低运营商的投资，提商其经济收益 带有智能天线的t d - s c d m a 技术是迈向软件无线电的重要一步。 1 3 智能天线技术 1 31 智能天线模型 智能天线由一列低增益天线元( e l e m e n t ) 组成，般来说，构成阵列的阵元可 按任意方式排列；但通常这些相似的低增益阵元是按直线等距( l i n e a re q u a l l y s p a c e d ，l e s ) 、圆周等距或平面等距排列的，并且取向相同。为了简化天线阵列的 分析，我们作如下假设： 1 阵元间距较小，不同阵元接收到的信号幅值相同。 1 阵元间距较小，不同阵元接收到的信号幅值相同。 上海大学博士论文 第一章绪论 2 忽略阵元间互耦。 3 所有入射场都可分解为一系列离散的平面波，即信号数目有限。 4 入射到阵列上的信号带宽远小于载频。 图1 3 1 给出了一个m 元的l e s 天线阵列，沿x 轴排列，阵元间距为d 。阵列 的每条支路具有一个权 ：于( w e i g h t i n ge l e m e n t ) ，权因子具有幅值和相 位。 蹦 萨 j r 图1 3 1m 元直线等距天线阵列 考察一个入射到阵列上的平面波，我们用基带复包络s ( ，) 表示平面调制波 假设所有阵元都是无噪声的各向同性天线，在各个方向具有相同的增益。则l e s 阵元m 上接收到的信号为 z 。( f ) = s ( f ) e “8 ”( 1 3 1 ) 其中= 2 ，r 2 是相位传播因予( p h a s ep r o p a g a t i o nf a c t o r ) 五表示波长，等于c ，f 其中c 是光速，f 是载波频率。阵列输出端的信号r ( t ) 为 m l ，一i ，( f ) = ( f ) = s ( ，) p 脚“9 “= s ( ，) 厂( 口，妒) ( 1 3 2 ) m = om - o f ( o ，妒) 称为阵列因子( a r r a yf a c t o r ) 。阵列因子是波达方向( 臼，) 的函数，决定了 阵列输出端的信号，( t ) 与参考阵元处测得的信号s ( t ) 的比值。通过调整权集扣， ， 可以将阵列因子的最大主瓣对准任意方向( 岛，死) 。在阵列输出端接收到的功率 为 上海大学博士论文 搏一擎堵论 只= 吾妒( f ) | 2 = 主i 葶( 0 1 2 i ，( 只声) 1 2 ( 1 3 - 3 ) 菇滋溺投集 麓敬变天线阵列的方离图，令第m 个权阂予为 矿。= 尊。删蜘氏( 1 3 固 予是咚列因子为【1 6 】 f ( e ，扔。口删州嘲 。! 翌再m i l d 竺竺! ：竺：! 。，学刚一蛐，( 1 3 - 5 ) 。i 薄丽i i 丽”3 考察x 幔平面浚入射瓢嚣1 3 2 所涿阵列上的情况( 即妒= 扩) 。露i - 2 给出t 绣为 0 0 靼3 0 0 射的阵烈因子。只调整恁这一令参羹，就霹辍撼波隶攒淘拳平矮经 莓 m 凿1 3 2 魄为护桐3 栌对的阵列秀两雷 用向照形式表示天线阵输出比较方便。定义权向量为 扩。f ，】8 6 上海犬学博士论文 第一章绪论 其中上标表示赫密特转置( h i t i a i lt r a n s p o s e ) ，就怒取共轭后荐转置 ( t r a n s p o s i t i o n ) 。 各个天线阵元的信号合成一个数据向量( d a t av e c t o r ) 并= 蕊。秘) j 一 ) 】8 ( 1t 3 _ 7 ) 阵列输出y 0 ) 可以表示成阵列投向鳖甲和数搌向量善( f ) 的内积 y ( t ) = 甲”x ( t ) ( 1 3 8 ) 徊，) 方向的阵列因予为 苁馥) = 妒筇嚣( 玩) ( i 。3 磅 向爨拉( 只扔称为锻妒) 方向的母引向爨( s t e e r i n g v e c t o r ) 。如熙l 。3 1 所示，当平蕊 波从( 护，庐) 方向入射时，导引向量日 妒) 表示各个阵元信号与参考阵冗( 阵元0 ) 信号溷的褶彼差。 职= 器强瓣谚辱删( 豉妒蟮 ( 1 3 m l o ) 其中 妒，扔g 腆。酬舯蜊卜8 艇8 瓤+ 如咧8 ” ( i 。3 1 1 ) 不论这魏向量怒出溅塞逐是由计算褥到、包含磁套毋帮毽戆一缀导零l 囱量 称为阵列流形( 撇ym a n i f o l d ) ，阵列流形不仪有助予阵列分柝，在定向、下行波 束形成以及阵列操伟的其它方面都越着十分重要的作用。( 疗，) 这对角称为接 收乎瑟渡数波达方囊( d i r e c t i o no f a r r t v a l ，d o a ) 。滁 特嬲说弱，我嬲帮认为 多径分量以水平面方向= 0 0 到达基站，因此由方位角口就可以完全确定d o a 。 光线通信中的翟能天线主要是蛹于蜂窝移动通信的基站或移动用户端( 1 7 】， 所经历驰上下链鼹是多径散射的时变的无线信道，炙线信邋中的多径可以警致 信道衰落和时间扩散【1 8 】通常用一个离散的模型来表征信道，把每个多径分量 看传一个歇瓷教方襄经过褰毅黠瓣怒迟到达麴平垂波。曩户手援裁簇港接牧掇 间的信道的向量信道冲击响应( v e c t o r c h a n n e l i m p u l s e r e s p o n s e ，v c i r ) 1 9 】 一l h ( r ，) = 丑( 辞，旃) q ( ，) 子( r f ，) ( 1 3 1 2 ) f = o 7 上海大学博士论文 第一章缝论 其中，q ，r f 和 ，识) 分别是第i 个多径分煎的复幅值、路径延迟和波达方向。总 共套己个多柽分潼。第i 个分量麴笺蟮镶是瓣阉麴爨数，霹以表暴凳 搿i 秘) = 珐# 2 霸+ ” l 。3 * 1 3 ) 熊中p i 代表第i 个分量的路径增益，z 是由手机或周围散射体的遴动导致的多 港赣凝移，识为疆怒耀鬣编嚣v c i r 孛熬掰蠢囊豢一般都隧器幸润、焉户位潼帮 用户移动速度丽囊纯当带户在不越过几个波长的局部小范围内移动时，可戳 认为分量数l 恒定，对每个分量而亩，波达方向 ，砖) 、路径增益砖、多谱勒 频移z 、稻位编霪张和延遴f f 都假设近钕为常数。 首兔，考察一个上行链路情况，来囊用户发射机的一个平蕊波入射至辉到 上，如图1 3 1 所示，数据向盘等于 互) = s 器) 嚣( 敬) + 嚣鬈( 1 ，3 - 1 4 ) 向羹打( o 包食嗓声辩各个眸元的鞭献，n ( 6 的每个张紊越方差为的复商凝随 机变慧。 为了简单超觅，我稍令 = n ( e ，)( 1 3 - 1 5 ) 鲻天线合并器的输出必 y 紫h 善 = s ( t ) a 搿( 识庐) 拉( 酋，庐) 斗矗8 ( 疗。妒) 打0 ) m m s ( t ) + 器”( 统痧) 露囊)( 1 3 - 1 6 ) y ( t ) 中翳麓信号分鬟豹功率为 。姒2 硎s ( f ) 印 ( 1 3 一1 7 ) y ( t ) 中噪声势量的功率为 n y = e a ”( 馥) 露) 露”鬈) 嚣( 毋，妒) l 一嚣”( 馥) 麟n ( t ) n ”0 ) 】a ( 秽，庐) = 盘“( 毋，妒) j 童f 毋，) 上海大学博士论文 第一章绪论 = 露日”( 矽，) a ( 占，庐) = 删 ( 1 3 1 8 ) 因此，y 鲍傣噪比强 铲磐学 ( 1 t s 姻 如果不使用m 阵元的阵歹 f ，鼹使用单个阵元上的信号x q ) ，我们有 x o ) = s ( ，) + 撑( f )( 1 3 - 2 0 ) x c t ) 的信嗓比为 以。警， ，棚， 琵较蕊( 1 + 3 1 9 ) 窝( 1 3 - 2 1 斌，霹竣善密，m 元簿秀将s n r 捷羯了 c r = 1 0 1 0 9 ( m ) d b( 1 3 - 2 2 ) 这是在无予挠或多校豹燕毪高斯自潞声( a w g n ) 环境下的缩采，使用阵列黼：使 用单个阵元提高了信噪比。 镩能天线所涉及的内容如超出了天线本身，它_ | 燕理解为天线技术与数字信 号处攥有规缝含懿产嫒当天线接收劐信号聚，往往建进行镕号叁稷荚处理，氇 即捕获相关信号的功率信息。功率处理方法融是智能天线算法的重要组成部分， 一般觜浼下，童行链鼯墓蘩按浚弱麴移动台功率谤雾方法羹【约】 只= 只+ 馁+ 瓯一尸( 1 3 2 3 ) 其中只是基站接收到的功率，# 是用户的发射功率，g 是用户端的天线增益， g 是蒸站的天线增益花是潞径损耗。 1 3 2 智能天线在c d m a 系统的应用 c d m a 蜂窝移动通信耥f d m a 模拟蜂窝通信或t d m a 数字蜂窝移动 通信系统稻毙鼹有曼犬豹系统容羹、更高熬话音质量戳及抗干扰、保密等优点， 上海丈学博士论文籀一章缝轮 强搿得劐锌个嚣家的普避蓬褪糯美注褶对于f d m a ；f 廿t d m a ，c d m a 舆有如 下系魏的伉赢【2 l 】： ( 1 ) 通信容璧大：c d m a 怒囱干扰受隈系统，任倪于拢的域少都可以嶷接 转豫为系统褰蹙黪撼惠。瓣蟪一黢戆酶糕干摭动率豹接零，如话啻激滔技术、 臻区划分技术、功率控制技术镣，都裔霹能搜系绕容蹙樽剿旋筒一般说来， 在嚣样静条粹下，采爱c d m a 方式静系统餐璧麴蹙采耀数字t d m a 方式g s m 豢统容爨豹4 - 6 储，燕模羧系统容羹懿2 0 穰臻勰。 f 2 ) 爨露载客爨特褴：坎誊鳖特性是c d m a 逝t d m a 灵活静又一个方面。 豢t d m a 系统 申霹港褥对接入韵溺户数楚溪是的，溜褥猩辩豫掰宪豹蒲激下不 能褥接入任何一个用户。而在c d m a 系统中。多增加个用户只会使通信质壁 酶霄下降，两不会国现遵镶硬阻塞骢德溅，这藏憝c d m a 系统熬软容鬣特牲。 c d m a 遥越以通避小区粳蘧范围的动态调整，平搬备个，、匿熊攮努量，对予解 决逶信薅曝勰煞遁绩隧褰秘提离浠声越戮仞抉鹣娥臻率怒嚣常霄蕊艇。 ( 3 ) 抗干扰潍强：幽予c d m a 系统采两扩颓技术 蘩邋中鹃予摭猩接收漩邋避 解扩。获褥了犷频处理增鏊毽这样一来，接收溃鹣输爨缩干院楚输入端倍干糖：的 q 绥，夯靼乎扰被繇低至i ( 3 + 弱辩，扩频嚣功率谱密嶷降低了g 倍，辩箕镪窄带遴 信系统静干扰也躐小了g 倍。宙予低的功率谱密度，所以信号肖一定的隐蔽饿。 疑适合崧焱落僚遒书传输：移动邋蕊熟镑遴巍一般德淀下怒一个融变多 径衰落的信邋，薅程c d m a 系统中，出予浆用了突黪钱竣，因需鼹餐了特膏浆 频攀分集特黢，黧粱系绫聚嗣最大会并院努榘接羧方式，酃么程鲶子颤离裁嗓 声僖道予扰鹩情搅下冒戳获褥最佼鹣抗多径襄落鹃效果f 2 3 】袒魄之下，t d m a 蓉绕为了藏臌多撩造蒇鹣秘阉予撬裁嚣慕耀均簿器，避弱增热了系统靛簸杂度， 邈影响了越嚣甥羧煞乎瀑瞧。 5 ) 鬃裔平淆的较切换特性：猩c d m a 系统中，所有的小送( 藏扇送) 郝可 疆饺躜穗辩麓频率，这不彼籁证了频率缀剡，逛使越嚣镯换褥以乎潺实现。当 穆动套处于小区边缘时，会同时褥刘甄个或瓣个以上的熬站内该移动台发送的 耀懑蘩号，褥星掺动螽熊够瘸对接牧褥合并这些锖号。在蒺一萋蛄酌信弩强于 当# 蒸站饼鼍并挞予稳定状态对，移麓螽习4 蛹按劐撵令基灞豁控稍上去，这一 道程不需要移动台载发频率戆甥羧，只嚣程璐露捌上徽糖瘦麴调蹙，切按帮胃 1 0 上海大学博士论文第一章绪论 在通信过程中平滑地完成。 ( 6 ) c d m a 系统必须采用功率控制技术：c d m a 系统在下行链路采用功率控 制，使基站按所需的最小功率进行发射，减少对其他小区的同频干扰。其上行链 路的功率控制保证所有移动用户到达基站的信号功率相等，避免产生远近效应。 ( 7 ) 有良好的通信安全性：c d m a 系统通过采用扩频技术，将发射的信号频 谱扩展得很宽，从而使发射的信号完全隐蔽在噪声和干扰之中，而不易被发现 和接收。另外，各移动台所使用的地址码也各不相同，在接收端只有码型和相 位完全相同的用户才能接收到相应的发送信号，而对其他非相关的用户来说这 些信号只不过是一种背景噪声。所以c d m a 系统具有良好的通信安全性，可以 有效地防止被有意或无意地窃取。同时也是由于扩展频谱的原因，使移动台的 发射功率大大降低，对于延长移动台电池使用的时间和减小电磁辐射都有很好 的作用。 关于c d m a 系统中智能天线的研究已有大量的文献报道 2 4 - - - 2 8 ，有些是将智能 天线与r a k e 接收机相结合，具有一定的现实意义。由于c d m a 系统中不同用 户有不同的p n 码，在一定的通信区域内是唯一的，且发射端和接收端预知，智 能天线技术与r a k e 接收机、分集技术相结合【2 9 】，实现最佳波束形成。用户的 地址码使信号容易分离的特点，使其在c d m a 中易于实现s d m a 。在多径传播 和高斯自噪声下，c d m a 系统最佳接收器是r a k e 接收器，智能天线技术与r a k e 接收器相结合，形成了性能更优的时域和空域信息联合相关接收机，利用多径 到达基站的时刻不同和到达角度不同，构成了空时匹配滤波器，如图1 3 - 3 所示， 信号先通过空域滤波器，再进行r a k e 合并，可以进一步增加信号的处理增益 为了进一步地发挥智能天线的利用效率，一般采用空时二维r a k e 结构，图1 3 4 给出了m k 维( m 是天线阵元数目) 空时二维滤波器，它先形成各用户扩频信 号的估计值，然后分别用对应不同用户的扩展码对这些估计值进行解扩，得到 各用户信息序列的估计值。大量智能天线算法和各种接收机结构的研究表明， 二者的有机结合构成的空时二维信号处理中的2 d r a k e 接收机，可以有效的 抑制多用户干扰，降低多址干扰，显著地提高接收机的性能。可以同时获得空域和 时域处理的优点，进一步提高接收机的性能。文献 3 0 借助了天线阵列解相关技 术的2 d r a k e 接收机，通过对接收信号的相关矩阵进行子空问分解和解相关运 j ：海大学博士论文 第一章缝掩 岛9 一) 躐1 3 + 3 空时级联方撰鬟 “+ = i ( 月) 一屯秘) | f l + 2 轴 辫1 3 ，4 空爵= 维滤波瓣豹2 d r a k e ( 青) 算，使掰渡桊鬻零条彳孛，在于魏方商形成天线腾戮方肉蓬熬“零麓”，麸燧港除予貔， 提惑接收枫购输出嵇予嗓蹴这类方法；西鞘爝阵列天线空城滤波增益，获褥优 异的接收枧瞧戆。幽于移动信避菱杂多变，c d m a 系统扩频序列的籀关特性不 上海大学博士论文 第一章绪论 理想，在多蹋户、多经传播条件下，备用户的信号空间相互交藏，由这裳方法设计豹 2 d - r a k e 接收枫往徒难以肖效工作为了解决这一圈难，更多的研究者倾向予利 用自适应滤波理论，在一定准则下( 如最小均方误差准则，最小二乘准则，最大信噪 b 猴则等) 遴过代馀濑数最小犍来获褥空域攘权最饯勰。这瓣方法设计的蠡逶应 2 d 。r a k e 接收机是在特定准则意义下的最优接收机，并且通过迭代算法实现，更 有剩予工程实现。按照是答搜霜导簇蓉号，义霉班努毙基予绩号露蠢特 垂戆蛮接 收机 3 h 和肆频符号辅助的接收机【3 2 】在盲2 d r a k e 接收机中刑用移动通信信 号静霾有特征，翔毽模特性、循环乎稳特经等，来构造接毅枫掰需要的参考信号。 一般而言，傣号固有特征仅瓴含信号的部分信息，由此设计的接收机计算量大，收 敛较慢，且容易发散。在有导频符号诃以利翔的情况下，导频符号辅助的2 d r a k e 接收规可以麓化接i 趺巍算法设计，撼蘸接l l 筻摊的收敛速度秘稳态瞧瞧。嚣兹提出 的3 g 系统技术中酱遍在上行链路中加入了导频符号，以便于信道估计和相干接 收，耀菠设诗导频餐譬辏襞鹣2 d - r a k e 瓿雯哭寄褒实懑义，文熬【3 2 】审螽绥了鲡秘 利用上行导频信道辅助来计算天线阵列的投向量。针对w c d m a 系统采用炭扩 频方式，上弦链籍采臻菲连续对分导颏鳇特煮，空域与晴域簸理结构结合在一起， 明鼹提高了接收机的性能。同时，充分利用系统提供的导频信息，降低自适廒算 法的复杂鹰。文献f 3 3 】根据缀大信号噤声干扰眈准则推导出计算权矢量解，形成 二维r a k e 合并器囊接求h e r m i t 黔豹最大广义特缓值和特糕自量，显使熙勰扩 后数据计算干扰加噪声的协方差阵该法计算量小，数据存储爨小，不需要训练序 列秘参考售母，性戆饶予导频辕萌法，诤箅塞夺予秘滤波法。 c d m a 系统中小区平均用户数远远大干阵元数，天线阵已不能完全对消干 撬僖号，最德波束形成方法雅戳褥到，霞噩乏掰现不少基于次优的算法，如n a g