（电磁场与微波技术专业论文）智能天线中doa估计算法研究.pdf

摘要 智能天线技术是第三代移动通信系统的关键技术之一。它引入空分多址的概 念，通过用户空间位置的差异对其进行分离。因此各用户的d o a d i r e c t i o no f a r r i v e ) 作为反映用户空间位置的重要参量在智能天线中扮演着非常重要的角色。 本论文的主要目的是利用智能天线原理，结合无线通信背景，提出适合无线通信 的智能天线d o a 估计算法。本文的主要工作成果概括如下： 1 掌握了基本d o a 原理及算法。对典型的算法进行了详尽的计算机仿真， 对结果分析比较，为以后工作打下坚实基础。 2 在传统子空间算法的基础上提出了一种改善多径d o a 估计性能的m u s i c 算法。当含有多径的信号分量总和超过2 m 3 ( m 为阵元数) 时，使用前后向空域 平滑技术的m u s i c 算法基本失效。本文提出的算法最多可检测m 2 个含有多径的 信源d o a 。计算机仿真表明，该方法优于普通m u s i c 算法。同时该法构造的信 号子空间在传统e s p r i t 算法也可适用。由于无线通信中多径不可避免，新方法提 高了多径信号估计性能，所以在实际应用中具有重要意义。 3 平面阵中的团阵具有很多优良的特性，是真正实用的阵列。所以对圆阵的 d o a 算法作一重点研究是很有必要的。本文研究了用均匀圆环天线阵( u c a ) 来 估计多个入射平面波空间2 维角( 俯仰角，方位角) 的算法问题。最后提出一种 减少计算量的u c a r b m u s i c 算法，计算机模拟结果证实该方法的有效性。 关键词：智能天线d o am u s i c 算法e s p r i t 算法相位模式激励 a b s t r a c t s m a r ta n t e n n at e c h n o l o g yi so n eo fk e y t e c h n o l o g i e so fm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s y s t e mo ft h et h i r dg e n e r a t i o n i ti n t r o d u c e st h ec o n c e p to fs p a t i a ld i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s ，w h i c hu s e sc u s t o m e rs p a t i a lp o s i t i o nd i f i e ：r e n c et od i v i d e s o d o af r o me a c h c u s t o m e rp l a y sav e r yi m p o r t a n tr o l ei ns m a r ta n t e n n aa sa ni m p o r t a n tp a r a m e t e ro f t h e c u s t o m e rs p a t i a lp o s i t i o n i nt h et h e s i s ，d o ae s t i m a t i o na l g o r i t h mf o rs m a r ta n t e n n ai n w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n si sc o n s i d e r e d t h em a i nc o n t r i b u t i o n s o ft h et h e s i sa r e a s f o l l o w s ： 1 b a s i cd o a p r i n c i p l ea n da l g o r i t h m sa r em a s t e r e d f o rt y p i c a la l g o r i t h m s ，d e t a i l e d c o m p u t e rs i m u l a t i o ni sd o n e t h e r e s u l t sa r ea n a l y z e da n d c o m p a r e d 2 o nt h eb a s i so ft r a d i t i o n a l s u b - s p a t i a la l g o r i t h m am u s i ca l g o r i t h m f o r i m p r o v i n gm u l t i p a t hd o ae s t i m a t i o np e r f o r m a n c ei sp r o p o s e d w h e nt h es u mo f m u l t i p a t hs i g n a ic o m p o n e n t si s m o l et h a n2 m 3 ( mi sn u m b e ro f a r r a ye l e m e n t s ) ， m u s i ca l g o r i t h mw i t hf o r w a r da n db a c k w a r ds p a t i a ls m o o t h i n gt e c h n o l o g yi sa l m o s t i n v a l i d c o m p u t e rs i m u l a t i o ns h o w st h a tt h i sm e t h o di ss u p e r i o rt oc o m m o nm u s i c a l g o r i t h m a l s o ，也es i g n a ls u b s p a c eb u i l tb y 血i sm e t h o di sa l s os u i t a b l ef o rt r a d i t i o n a l e s p i l i ta l g o r i t h m b e c a u s ei nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n m u l t i - p a t hi su n a v o i d a b l e ，a n d n e wm e t h o d i m p r o v e sm u l t i - p a t hs i g n a l e s t i m a t i o np e r f o r m a n c e s oi ti so fv e r y i m p o r t a n c ei na c t u a lp r a c t i c e 3 c i r c u l a ra r r a yo fp l a n a ra r r a yh a sm a n ye x c e l l e n tf e a t u r e s w h i c hi sar e a l l y p r a c t i c a la l t o vs o i t i s n e c e s s a r yt or e g a r dd o aa l g o r i t h mo fc i r c u l a ra r r a ya sa n i m p o r t a n tr e s e a r c h i nt l l et h e s i s e s t i m a t i o no ff i a u l t i p l ei n c i d e n c ep l a n a rw a v es p a t i a l 2 - da n g l e ( e l e v a t i o n ，a z i m u t h ) w i t hu n i f o i t nc i r c u l a r a r r a y ( u c a ) i si n v e s t i g a t e d f i n a l l y , au c a r b m u s i ca l g o r i t h mf o rr e d u c i n gc o m p u t a t i o n a lb u r d e ni sp r o p o s e d c o m p u t e r s i m u l a t i o nr e s u l tc o n f i r m si t sv a l i d i t y k e y w o r d ： s m a r ta l l t e n n ad o am u s i c a l g o r i t h m e s p r i t a l g o r i t h m p h a s em o d ee x e i t a t i o e i 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是我个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中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 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做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 至西 日期2 竺：墨 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文( 与学位论文相关) 工作成果时署名单位仍然为 西安电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学 校可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保 存论文。( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于公开。 本人签名： 导师签名： 王乏鸯一一一 么錾厘。 同期2 翌幺：墨 同期 ! z 。西二一 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景 随着社会对信息交流需求的急剧增加和个人移动通信的迅速普及，新的业务 的快速增长，频谱已成为越来越宝贵的资源。由此产生了通信容量不足、通信质 量下降等一系列问题。此外，在移动通信中由于复杂的地形、建筑物结构对电波 传播的影响，大量用户间的相互影响，产生多普勒频移、瑞利衰落、多径衰落、 同信道干扰等、使通信质量受到严重的影响。这些矛盾亟待解决。 解决这些问题的一条主要途径就是开发智能天线1 2 9 1 。智能天线在一个阵列中 使用一套固定的阵元，是无线系统的一项新技术。智能天线采用空分多址( s d m a ) 方式，利用在信号传播方向上的差别，将同频率、同时隙的用户信号区分丌束， 它的基础是用户的空间特征。将智能天线和其它多址技术相结合，可以最大限度 地利用有限的频谱资源。智能天线应用广泛，在无线通信中采用智能天线系统可 以给我们带来如下好处： 1 可以缓和无线通信中多径衰落的冲击： 2 在基站中采用智能天线系统可以延长手机电池的使用： 3 可以增加基站的覆盖距离i 4 可以增加系统容量： 5 智能天线可以从空间上分离信号，即采用s d m a ( 空分多址) 技术，使有 限的频谱同时支持更多的用户。 由于智能天线的种种优势，可起到提高移动通信系统综合性能的效果，所以 智能天线技术在第三代移动通信以及未来的移动通信体制中占有重要地位，受到 广泛关注。人们普遍对它的期望值很高，对它的发展前景看好。目前智能天线的 研究已成为一个最活跃的领域，将在无线通信领域引起革命。近几年来几乎所有 先进的移动通信系统都将采用此技术，目前国际上已将智能天线作为三代以后移 动通信技术发展的主要方向之一。以后几年内将发挥巨大的作用。 智链天线是一门综合性很强的技术。它涉及到天线技术、无线电传播技术、 信号检测与处理等多学科的背景知识。虽然天线阵列和射频前段在智能天线中是 很重要的设备，但智能天线技术最重要的部分在于基带处理部分2 4 1 ”。其 中主要涉及波达方i 甸( d o a ) 估计、多用户信号辨识和自适应波束形成等技术，属于 移动通信中的高技术领域，其核。t 3 问题属于信号处理的范畴。其中如何选用算法 在智能天线中至关重要，这些算法决定了天线阵暂念响应的速率和实现电路的复 杂度。它是智能天线阵列处理的核心部分，而且无论是在上行问题还是下行问题 中，用户信号的d o a 估计都是智能天线研究的一个重要方向。从某种程度上浼， 智能天线中d o a 估计算法研究 d o a 估计精度越高，对干扰的抑制能力就越强，信道容量就越大，所以本文中我 们讨论的重心放在智能天线d o a 估计算法上。同时直线阵、均匀圆环阵是理论和 工程上最常用的阵列形状，所以通过对直线阵、均匀圆环阵的各种算法进行分析 和比较，丌发最合适、最有效的算法就成为本文重点。 1 2 国内外发展现状 由于智能天线技术的优越性能使之成为未来移动通信的发展的主要方向之 一，在全球范围内都得到了广泛的研究。美国，日本和欧洲等国都非常重视未来 移动通信中智能天线的作用，已经开展了大量的理论分析和研究。 欧洲通信委员会( c e c ) 在r a c e 计划中实施了智能天线技术的第一阶段研 究，由德国、英国、丹麦和西班牙合作完成。该项目组在d e c t 基站基础上构造 智能天线实验平台，于1 9 9 5 年初开始现场实验。天线由8 个阵元组成，射频工作 频率为1 8 9 g h z ，阵元间距可调，阵列构形分别有直线形、圆环形和平面形三种。 该项研究用数字波束方法实现智能天线，采用e r a 技术有限公司的专用集成电路 芯片d b f l1 0 8 完成波束形成，使用t i 公司的数字信号处理芯片t m s 3 2 0 c 4 0 作为 中央控制器。研究内容包括波束域处理方式和阵元域处理方式。系统评估了 m u s i c ，n l m s 和r l s 算法的性能。实验验证了智能天线的功能，在2 个用户、 4 个空间信道( 包括上行和下行) 情况下，实验系统误比特率( b e r ) 优于1 0 一。 欧洲通信委员会在a c t s 计划中继续进行智能天线技术第二阶段研究，其中包括 多用户检测与自适应天线结合、时空信道特性估计等。 在日本，a i r 光电通信研究所研究了基于波束空间处理的多波束智能天线。 天线阵元布局为半波长的1 6 阵元平面方阵，射频工作频率是1 5 4 5 g h z 。利用快速 傅立叶变换处理，形成正交波束后，分别采用横模算法或最大比值合并( m r c ) 算法。数字信号处理部分由l o 片现场可编程门阵列完成。理论分析及实验证明， 使用m r c 算法可以提高多波束天线在波束交叉部分的增益，不用判别用户信号到 达的方向及反馈控制机构等硬件跟踪装置即可在所形成的波束内选用最大电平接 收信号。a i r 研究人员提出了软件天线( s o f w 吼r e 栅n n a ) 概念：根据用 户所处的环境的不同，影响系统的主要因素( 如噪声、同信道干扰或符号见干扰) 的不同，利用软件的方法在不同环境应用不同算法。 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 系统的智能天线进行了 大量研究开发，丌发出了商用的波束切换系统。美国a r r a y c o m m 公司和中国邮电 电信科学技术研究院信威公司研制出应用于无线本地环路( w l l ) 的简化智能天 线系统和p h s 的智能天线系统。a r r a y c o m m 的产品采用可变阵元配置，有1 2 和4 阵元环形自适应阵列可供不同环境选用，在日本进行的现场实验表明：在p h s 基 站采用该技术可以使系统容量提高4 倍；此外美国德州大学建立了智能天线实验 第一章绪论 环境，对s d m a 的实现方法和无信信道特征进行了深入的研究：r a y t h e o n 公司研 制了商用的全适应智能天线系统；美军提出的全球移动信息系统( g l o m o ) 中也把 智能天线技术作为核心技术。还有报道，美国泊杜大学电子和计算机工程教授茹 乌托夫斯基设计出了用于手机的智能天线。 目前w - - c d m a 系统就采用自适应天线阵列技术，增加系统容量。在w - c d m a 中，智能天线天线技术将和多用户检测( m u d ) 一起成为w - c d m a 中下阶段最 重要的技术。目前a r r a y c o m m 公司与英国马可尼公司正在合作开发具有自适应阵 列天线功能的w - c d m a 基站。爱立信宣称将在其w - c d m a 基站中提供自适应 阵列智能天线。郎讯也曾宣布，其第三代移动通信基站中将采用郎讯自主开发的 i a b l a s t 智能天线技术。 我国也早己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，许多专家及大学正在进行相关的研究。在连续获得i t u 和3 g p p 通过的我国自主研发的t d s c d m a 技术体制中，就广泛采用了智能天线和软件无 线电技术。中国邮电电信科学技术研究院信威公司研制的智能天线采用8 阵元环 形自适应阵列，工作于1 7 8 5 1 8 0 5 m h z ，采用时分双工方式，收发1 0 m s ，接收机 灵敏度最大可达9 d b ： 1 3 论文的主要工作和内容安排 虽然国内有许多大学和科研院所就智能天线技术作了大量的研究工作，取得 了一些成就。但是由于系统的复杂性所带来的开发难度，使得完全自适应的智能 天线系统到目前为止还是处于研究阶段，距离真正实用还有很多工作要做。所以 研究真正实用的完全自适应的智能天线是当前国防和无线通信所面l 临的重要课 题。 智能天线工作的核心在于研究基带处理算法，研究高分辨的d o a 估计算法是 其中的重要部分，具有重要意义。本文作者主要就智能天线中的d o a 估计算法作 重点研究。文中所有的算法研究均采用m a 几a b 6 1 进行仿真试验。 概括起来，本文的研究内容主要包括以下几个方面： 1 对无线通信中智能天线的体系结构进行分析，对阵列信号模型精确了解， 熟悉智能天线的基本原理，掌握d o a 估计的一般理论方法。 2 研究现有各种算法，做性能比较，对典型的算法进行详尽的计算机仿真。 在阵列信号模型下，利用m a t l a b 6 1 编制仿真程序，得出结果并分析讨论。 研究了各算法的性能如计算复杂性、分辨误差等。 3 提出了一种新的子空间构成方法，从而可与传统m u s i c 、e s p r i t 组成新 算法，提高了对多径信号的估计性能。并用计算机仿真证实其有效性。 智能犬线中d o a 估计算法研究 4 ，提出了一种u c a ，r b e s p r i t 改进算法，减少了计算量，提高了d o a 估 计速度。 全文分六章，各章的主要内容安排如下： 第一章简单介绍了智麓天线的研究背景和国内夕 目前的研究动态，阐述了论 文选题的目的，并对本文的内容进行了安排和规划。 第二章介绍了智能天线系统的基本理论，论述了预多波束或波束切换 ( s w i t c h e db e a m ) 系统和自适应阵列( a d a p t i v e a r r a y ) 系统两种智能天线技术的基 本理论。然后给出了本文所采用的阵列天线的信号模型，其中包括了均匀直线阵 和均匀圆环阵两种情况。最后讨论了与智能天线相关的无线信道基本模型，主要 考虑了路径损耗、阴影效应以及时延扩展、角度扩展和多普勒频移引起的快衰落。 第三章主要介绍了传统d o a 估计算法和基于子空间的d o a 估计算法。并对 各算法进行直线阵仿真，对性能进行分析比较。 第四章介绍了多径信号的d o a 估计方法。提出了一种新的子空间构成方法， 改善了多径信号的估计性能。计算机仿真结果证明了该算法的有效性。 第五章主要研究讨论了均匀圆环阵的d o a 估计方法。均匀圆环阵不同于均匀 直线阵，普通d o a 算法不能直接应用。所以专门介绍u c a 算法。主要包括 u c a e s p r i t u c a r b m u s i c 算法。最后提出了种u c a - r b m u s i c 改进算法。 第六章作为全文的总结。回顾了本文的工作，并对后续的研究工作以及可望 达到的目的提出了一些个人浅薄的看法。 第三章d o a 一般估计算法 第二章智能天线基本理论 2 1智能天线基本概念和原理 天线与无线通信的收发信机的信号输入输出端连接，通过电波实现收发信机两 端间的有效能量传递。通过设计天线的辐射特性，可以控制无线成形波束电磁能 的空问分布，提高无线通信业务质量、频谱利用率和多址通信能力。但是单一天 线方向图波束宽，方向系数很低。为了压低方向图波束宽度和提高方向系数，可 以把多个天线元组成一个阵列天线。阵列天线的方向图可由单个天线的方向图与 天线阵列因子相乘得到，被称为天线方向性相乘原理。根据这个原理，采用同样 的天线阵元作为阵列天线的单元，只要改变排列位置、阵列单元数和馈电相位， 就可以获得不同的天线方向图。 传统的阵列天线控制与优化方法多系给定权集选择阵列形状和尺寸，即形状、 尺寸寻优法，基于此人们发明了成千上百种天线【1 ”。然而形状、尺寸寻优法存在 理论上和实际上的巨大困难，人们后来热心于给定阵列形状尺寸选择权集，即权 集寻优法，在阵列天线单元数目和天线单元排列给定的情况下，调整权值来改变 各天线的方向图，便可获得不同的天线波束和指向。自适应天线就是基于权集寻 优法发展起来的j 。利用阵列天线实现给定方向、给定波束的天线方向图被广泛 应用到雷达、声纳和通信中，雷达上的相控阵天线和移动通信基站的扇区天线就 是最典型的阵列天线。 阵列天线是智能天线技术的基础，智能天线是在它的基础上发展起来的。智 能天线是通过反馈控制来自动调整自身天线波束成形模式的自适应天线阵。智能 天线根据采用的天线方向图形状，可分为两类： 波束转换技术( 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 e s d a t i a ld i g i t a lp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y ) 天线，或简称波束转换天线和自适应天线。天 线以多个高增益的动态窄波束分别跟踪多个期望信号，来自窄波束以外的信号被 抑制。但智能天线的波束跟踪并不意味着一定要将高增益的窄波束指向期望用户 的物理方向，事实上，在随机多径信道上，移动用户的物理方向是难以确定的， 特别是在发射台至接收机的直射路径上存在阻挡物时，用户的物理方向并不一定 是理想的波束方向。智能天线波束跟踪的真正含义是在最佳路径方向形成高增益 窄波束并跟踪最佳路径的变化，充分利用信号的有效的发送功率以减小电磁干扰。 i 波束转换天线 波束转换天线具有有限数目的、固定的、预定义的方向图( 如图2 2 所示) 通过阵列天线技术在同一信道中利用多个波束同时给多个用户发送不同的信号。 智能天线中d o a 估计算法研究 它从几个预定义的、固定波束中选择其一，检测信号强度，当移动台越过扇区时， 从一个波束切换到另一个波束。在特定的方向上提高灵敏度，从而提高通信容量 和质量。其原理图如图2 1 所示。 为保证波束转换天线共享同一信道的各移动用户只接收到发给自己的信号而 不发生串话，要求基站天线阵产生多个波束来分别照射不同用户，特别地，在每 个波束中发送的信息不同而且要互不干扰。 每个波束的方向是固定的，并且其宽度随着天线阵元数而变化。对于移动用户， 基站选择不同的对应波束，使接收的信号强度最大。但用户信号未必在固定波束 中心，当使用者是在波束边缘，干扰信号在波束的中央，接收效果最差。因此， 与自适应天线阵相比较，波束转换天线不能实现最佳的信号接收。由于扇形失真， 波束转换天线增益在方位角上不均匀分布。但波束转换天线有结构简单和不需要 判断用户信号方向( d o a ) 的优势。主要用于模拟通信系统。 图2 i 波束切换系统结构示意图 第三章d o a 般估计算法 9 0 o 0 6 禽i硷 翱黟 2 7 0 图2 2波束切换系统天线方向图 0 2 自适应天线 自适应天线技术通过自适应处理算法，利用数字信号处理技术识别用户信号 的d o a ，或者是主波束方向。根据不同空间用户信号传播方向，提供不同空间通 道，可有效克服系统干扰。使天线阵实时地产生定向波束准确的指向移动用户， 从而实现对各移动用户的自动跟踪和定位。它是一个由天线阵和实时自适应信号 接收处理器所组成的一个闭环反馈控制系统，它在接收时用反馈控制方法自动调 整天线阵的方向图，使它在干扰方向形成零陷，将干扰信号抵消，而且可以使有 用信号得到加强，从而达到抗干扰的目的。自适应天线阵的系统结构如图2 3 所示。 智能天线中d o a 估计算法研究 一一r i ：丑7 r 一。丝_ 、 野 p 嘲 法j 1 图2 3自适应天线阵的系统结构示意图 在自适应天线系统中，权矢量w 。可以自适应地调整使解调器对信号进行最佳 接收。在最优波束形成技术中，波速方向图的调整的智能控制是按一定的准则来 进行的，准则选择的是否合理将决定天线阵暂态响应的速度和实现电路的复杂度， 它是自适应天线阵列处理的核心。常用的准则有：最小均方误差( m m s e ) 、最 小二乘( l s ) 准则、最大信干噪比准则( m s 瓜) 和最大似然准则( m l ) 。所有这些准 则的结果都可统一为维纳解，向m s i r 准则结果靠拢。在这些准则的约束下得到 合适的权矢量，屹。有时采用自适应抽头时延线天线阵，这样一来同时具有时域和 空域处理能力。对信号接收、均衡和测试很有帮助。对每一个接收天线加上若干 抽头延时线，然后送入自适应处理器，则可以对多径信号进行最佳接收，减少多 径干扰的影响，从而使基站的接收信号的信噪比得到很大程度的提高，降低了系 统的误码率。自适应天线主要用于数字通信系统，是智能天线的主要类型，。是 我们研究的重点，本文以下所提到的智能天线均指的是自适应智能天线。 自适应天线系统方向图如图2 4 所示。自适应天线系统不用预先形成固定波束， 而是根据信号环境的改变实时调整波束方向，这显然要比波束切换系统的性能要 好，但是实现上的复杂度也相对较高。 第三章d o a 一般估计算法 9 0 00 6 12 0 1 1 1 - -、? 6 0 八 7 熊黔00 缀转 v 3 n n，4 n 2 7 0 图2 4自适应阵列系统天线方向图 0 智能天线系统的核心是智能的算法，智能的算法决定瞬时响应速率和电路实 现的复杂程度，所以选择较好算法实现波束的智能控制是至关重要的。通过算法 自动调整加权值起到所需空间和频率滤波器的作用。目前已提出很多著名算法， 概括地讲有非盲算法和盲算法两大类。非盲算法是指需借助参考信号( 导频序列 或导频信道) 的算法，此时收端知道发送的是什么，进行算法处理时要么先确定 信道响应再按一定准则( 比如最优的迫零准则z e r of o r c i n g ) 确定各加权值，要么 直接按一定的准则确定或逐渐调整权值，以使智能天线输出与已知输入最大相关。 常用的相关准则有m m s e ( 最小均方误差) 、l m s ( 最小均方) 和l s ( 最小二乘) 等。盲算法则无需发端传送已知的导频信号，判决反馈算法( d e c i s i o n f e e d b a c k ) 是一类较特殊的算法，接收端自己估计发送的信号并以此为参考信号进行上述处 理，但需注意的是应确保判决信号与实际传送的信号间有较小差错。 智能天线中d o a 估计算法研究 图2 5i n t e l l i c e l l 基站和传统基站的区别 3 ，自适应阵列天线的应用实例 爱瑞通信公司( a r r a y c o m mi n c ) 的i n t e l l i c e l l 技术堪称自适应阵列天线技术 杰出的代表f 2 “。i n t e l l i c c l l 技术又被称为完全自适应智能天线解决方案，它利用专 利软件和标准阵列天线，连续的实时优化每一个无线用户的信道，从而能够优化 发射、减少干扰和降低对频谱的需求，实现在所有空中接口上极大地提高无线语 音与数据网络的容量、覆盖范围和传输质量的目的。i n t e l l i c e l l 自适应智能天线( 空 间传输) 技术可以嵌入到无线基站内部的基带处理部分以及终端设备内，从而使 信号接收和发送得到极大改善。装备有自适应天线阵列i n t e l l i c e l l 的基站能够把大 部分发射能量集中给目标用户，通过凹陷点抑制( n u l ) i n g ) 达到干扰抑制的目的，减 少多径衰落的影响，提高信号增益( 如图2 5 所示) 。在f d d 系统中，如w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 中，凹陷点可以通过算法来拓宽而形成区域，因而可以使多个用户 方向的干扰得到抑制。 第三章d o a 一般估计算法 i n t e l l i c e l i 智能天线系统结构如图2 6 所示 图2 6 使用i n t e l l i c e l l 自适应天线阵列的基站结构 在w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 基站系统中，i n t e l l i c e l l 处理器一方面可以从系统 原有的信道估计模块里获得特征数据，同时从r a k e 接收机的输出端采样信号，经 过已经申报专利的自适应算法处理，得出一套根据无线环境随时变化的幅度和相 位加权参数，输出到空时合并器中，从而完成基带处理。由于在w c d m a 和 c d m a 2 0 0 0 中实现的算法运算量巨大，一般会采用专用的a s i c 芯片来完成。而 在t d s c d m a 中，运算量相对小一些，可以采用目前速度比较快的d s p 芯片来 实现。 2 2 智能天线的分析模型 智能天线使用一系列低增益天线阵元，连接在合并网络上。图2 1 给出了一个 任意排列的天线元阵列。这里矿是入射到阵列上的平面波的方位角，p 是仰角。水 平面用口= n - 2 表示。 为简化天线阵列的分析我们作如下假设【1 】： 1 ) 阵元间距足够小，同一信号到达不同阵元时，信号的振幅保持不变。 2 ) 阵元间没有互耦合。 3 ) 所有入射场都可分解为一系列离散的平面波，即信号的数目有限。 4 ) 入射到阵列上的信号带宽小于载频。 5 ) 各个天线源均为理想点源。 智能天线中d o a1 卉计算法研究 图2 7 任意阵列天线结构示意图 对于来自( 臼，) 方向的入射平面波，入射到阵元i n和原点参考阵源的信号 分量间的相位差为： y 。= 础= ( 工。c o s 书i e + y ，s i n s i n 8 + z 。c o s 9 ) ( 2 - 1 ) 其中口= 2 石，兄是相位传播因子。五表示波长，等于c f ，其中c 是光速， 3 1 0 8 m l s ，f 是载波频率，单位是h z 。代表相位差，埘。表示第1 r 1 个阵元 与原点的距离。阵列天线的之间的相位差是信号空间特征主要信息。 一般说来，构成阵列的阵元可按任意方式排列；但通常阵元分布方式有直线型、 平面型、圆环型和立体型( 如图2 8 示) 。立体型天线阵列由于复杂程度和校准难 度以及部署难度较大，所以实用的场合较少。通常直线型和平面型更容易实现基 站的定向覆盖。而且，在基站选址的问题上也更加灵活，直线型和平面型天线阵 列可以很容易安置于高大建筑物的侧面，也可以安置于杆状建筑物如电线杆上。 而圆环型天线阵列更适于安置于铁塔或楼房顶部，这样更方便提供全向覆盖。智 能天线通常采用4 1 6 天线阵元结构，相邻阵元间距一般取为接收信号中心频率波 长的1 1 2 。阵元间距过大，将引起空间谱模糊；阵元间距过小，阵元间信号相关 度降低，因此阵元半波长间距通常是优选的。本文中重点是直线阵与均匀圆坏阵。 下面给出两种形式的数学模型。在建立模型中，我们用基带复包络来表示平面调 制波。采用某一阵元点作为参考点，其他点与参考点的相位差作为参数来建立数 学模型。 第三章d o a 一般估计算法 图2 8 智能天线阵列的阵元组成方式 下面介绍两种常用阵列结构的向量分析表达形式： l 均匀线阵( 1 i n e a re q u a l l ys p a c e d ，l e s ) 阵列结构： 对于均匀线性阵列而言，因为阵列是一维阵列，所以只能用束估计一维角。 设x 轴上有一均匀直线阵，共有n 个阵元，阵元间距为d ，如图2 9 所示。假设有 d 个已知载频为w o 波长为五的非相干窄带源s 。，s2 ，s d 入射，d o a 分别为 0 1 ，0 ，一0 ，) 。 第i 个阵元接收到的信号为 图2 9 均匀线阵分析模型 x ( ，) ：y d(，)p【，_2zcksk e x ( 卜1 ) d c o s 吼】+ 月。( ，) ( 2 2 ) ( ，) = ( ，) p 【，了( 卜1 ) d c o s 吼】+ 月。( ，) ( 2 2 k = i 。 j w 智能天线中d o a 估计算法研究 其中s 。( ，) 为第k 个用户的基带信号，c 。为第k 个用户信号的幅度，n 。( ，) 为第i 个 阵元上的零均值白噪声( 并且各个阵元间的门。，( f ) 统计独立) ，写成矩阵的形式为 x = c a s + n( 2 3 ) 其中接收数据矩阵x = 【x 。( ，) x ：( f ) ，x 。( 纠7 ，t 表示矩阵的转置： c = d i a g c ，c 2 c c 。】：c 。表示第i 个信号源的幅度：阵列只方向的导向矢量 a ( p ) = 1 ，p 2 “r 。5 8 “，一，e 。2 。”一1 。r 。州8 7 1 】7 i = 1 , 2 ，一，m ： ( 2 4 ) 包含所有0 ，值的一组导引向量a _ 【a ( 0 。) ，a ( 0 ：) ，a ( ) 】称为阵列流形，称 s = i s ，s 2 ，s 。】为入射信号矢量，其中，s ，= 【( r ) ，5 ，2 ( f ) ，s i n ( f ) 】7 ；加性白噪 声n = 【行m h ，行，。】。这里可以看出阵列流形矩阵a 为一个v a n d e r m o n d e 矩阵， 这是均匀直线阵的特点，对智能天线的信号处理很有用。 2 均匀圆阵天线( u c a ) 的阵列结构 具有n 个阵元的均匀圆阵如图2 1 0 所示：其n 个阵元均匀分布在半径为d 的 圆上，选择圆心是接收天线阵的参考点，于是第n 个阵元的方位角就可以表示为 y = 2 朋n ，y ( 0 ，2 x ) ，来波方向与z 轴的夹角作为俯仰角0 ，来波方向到x y 平 面的垂直投影与x 逆时针方向上的夹角作为信源的方位角巾。那么入射方向( 0 ， m ) 的窄带平面波的阵列导向矢量可表示为： a ( a ，庐) = 【p “。“，e h 。“h 1 ，e j ( 州“。l 】 ( 2 - 5 ) 图2 1 0 均匀圆阵分析模型 其中f = k rs i n ( o ) ；波数k = 2 x a ；a 为窄带信号的载波波长。在t 时刻均匀圆环天 线阵接收到了发自信源的d 个互不相关的窄带信号。这时天线阵元的响应在阵元 空间中可以表示为： x ( t ) = a s ( t ) + n ( t ) ；其中s c t ) 为接收天线参考点的接收信号，a 为阵元空问的阵列流形矩阵。a 可表示为：a = 【a ( o ，氟) ，a ( o ：，矿：) ，a ( o 。，九) 】： 第三章d o a 一般估计算法 n ( t ) 为均值为0 的复高斯白噪声，其协方差矩阵为o - i ( 巧为噪声方差；i 为单位矩阵) 。 这里可以看出均匀圆阵的阵列流形矩阵a 不再是个v u n d e r m o n d e 矩阵。 2 3 与智能天线相关的信道模型 在移动通信系统中，无线信道作为传播媒介对通信系统的性能有重要影响。 当无线电信号通过无线信道发射后，电磁波在物理介质中传播并与周围的物体， 如建筑物、山丘、大地、树林以及运动车辆等，相互作用，因而传播环境包括了 所有周围物体，波在这种环境中的传播是一个复杂的过程，包括散射、绕射与反 射。由于空时信道的空间特性对天线阵列系统的性能影响至关重要，为了分析无 线通信系统，建立传播环境合理的近似的统计模型是必要的。 幽2 11 无线通信传播环境示意幽 图2 1 1 表明，多数情况下存在多径传播现象，而且传播路径随移动台或其周 智能天线中d o a 估计算法研究 围物体的运动而变化，甚至很小的物体以很慢的速度运动也会导致时变多径传播， 即产生时变信号。由于移动用户或周围物体的运动，接收信号会产生多普勒扩展， 它表现为信号电平起伏变化，多普勒扩展越大，信号电平随时间的起伏就越大， 此外，每条传播路径达到基站的时间和角度各不相同，导致时延扩展和角度扩展。 除了多径陕衰落外，由于大障碍物的遮挡，产生一种慢衰落，称为遮蔽。一般的， 慢衰落反映接收信号在较长时间内发生的慢变化，由于空间谱估计的实时性要求 很高，所以这里不予考虑：快衰落反映接收信号在短时间内发生的比较剧烈的变 化，这是我们要考虑的重点。本节对这种情况下对模型参数的影响作简要介绍。 1 时延扩展 ， 当同一信号经过不同路径到达接收机时，由于各个路径的长度不同，因而信 号到达时间就不相同。这样，若从基站发射一个脉冲信号，则移动台所接收的信 号中不但包含该脉冲，还包含它的各个迟延信号的脉冲。这种由于多径效应引起 的接收信号中脉冲宽度扩展的现象，称为时延扩展( t i m ed e l a ys p r e a d ) 。时延扩 展可以直观地理解为在一串接收脉冲中，最大传输时延与最小传输时延的差值。 出于时延扩展，接收信号中一个码元的波形会扩展到其它码元周期中，将引起码 间干扰( i s i ) ，严重影响数字信号的传输质量。为了避免码间干扰，应使码元周期 大于多径效应引起的时延扩展，或者，等效地说码元速率凡小于时延扩展的倒 数。时延扩展使得信道的幅频特性曲线呈梳状分布，在某些频率附近产生严重的 衰减，称为频率选择性衰落。从频域来看，有一个和时延扩展相关的重要概念， 即相关带宽。相关带宽表征信号中两个强相关的频率分量的最大频率间隔。相干 带宽与时延带宽成反比，是对信道频率选择性的度量。根据信号带宽与相干带宽 之间的关系可以把信道分为频率选择性信道和平衰落信道。 ( a 1 平衰落信道 如果信号带宽远小于相干带宽，或者对数字通信来说，信号的码元宽度远大 于多径造成的时延扩展时，由于信道在相干带宽以内的幅频相应变化相对平缓， 因此信道称为平衰落信道。这时各个多径信号是相干信号，并且可以认为不存在 码阎干扰。 对于阵列天线而言，在单用户且没有多径是，阵列模型为： r ( f ) = 口( 口) f ) + 行( f )( 2 6 ) 其中x ( t ) 为阵列输出；s ( t ) 是用户信号；a ( o ) 为导向矢量，是d o a 的函数：n ( t ) 为 阵列噪声。在多径情况下，上式变为： l x ( ，) = y ：嘶口( 毋) j ( ，一r ，) + 刀( ，) ( 2 - 7 ) 第三章d o a 一般估计算法 其中三为多径总数，口，为路径损耗，r ，为多径时延。在平衰落信道中，由于 时延扩展远小于信号带宽的倒数，因此可以认为在问隔l 内信号包络不发生变化 这时 x ( f ) = a s ( t ) + 疗( 0 l a = d ( q ) 口f e l ” ，= 1 其中a 称为用户的“空域特征”，在多用户情形下，上式变为 d x ( f ) = 芝：d 吼( f ) + 珂( ，) = 爿s ( f ) + 盱( f ) t = l a = 【口l ，日d 】，j ( ，) = i s l ( ，) ，- ，s d ( f ) 】 ( 2 - 9 ) ( 2 一i o ) ( 2 - 1 1 ) ( 2 - 1 2 ) 式中a 的列矢量对应各用户的空域特征。上式即为平衰落信道中智能天线的信道 模型。空域特征对用户的空间位置很敏感，这意味着存在丰富的空域特征，从而 对d o a 间隔较小用户也能实现“空分”。也就是说，矩阵a 一般为非病态的满秩 矩阵，因此可以通过a 的估计实现多用户信号的分离和恢复。 ( b 1 频率选择性衰落信道 当信号带宽大于相干带宽，或者时延扩展大到与信号的码元宽度可比时，信道 将表现出频率选择性衰落，这时信道称为频率选择性衰落信道。在这类信道中， 用户信号不仅受到c c i 的影响，而且存在i s i 。这时变为： 上 x ( ，) = a , a ( o j ) s ( t 一0 ) + 聍( f ) = 厅( ，) o j ( ，) + 玎( ，) ( 2 1 3 ) i = 1 可见，用户与基站之间的信道响应可由h ( t ) 来表征，有时也将h ( t ) 称为空间信道。 与平衰落信道不同，信道和信号之间是卷积关系，因此信道具有记忆效应，这是 造成i s i 的直接原因。当同一信道中存在多个用户时，上式变为： x ( o = h k ( t ) 圆s k ( r ) + 月( f ) ( 2 - 1 4 ) k = l 即信道可等效为m s i s o 系统。上式即为频率选择性衰落信道中智能天线的信道模 型。这是问题就变成如何从x ( t ) 中盲估计出h k ( t ) 和各用户信号s k ( t ) 2 多普勒扩展 当移动台在移动中通信时，移动台发射一个单频信号，单条路径出于移动引 智能天线中d o a 估计算法研究 起的接收信号频率变化我们称之为多普勒效应，这是任何波动过程都具有的特性。 而在多径环境下基站接收信号的频谱将不是一条谱线，而是弥散为一个具有有限 带宽的谱峰，这一现象称之为多普勒扩展。定义信道响应的时间自相关函数的傅 立叶变换为多普勒功率谱，则多普勒扩展为多普勒功率谱支集的宽度。对于单条 路径，多普勒效应所引起的附加频移称为多普勒频移( d