（电磁场与微波技术专业论文）智能天线中doa估计技术研究.pdf

摘要 零论文瓣毯来滚予国家鸯然摹i 学基金顼嚣“麓筑数字多滚素天线鼓零磺变”。 本论文的圭翳隧的是结合无线遥倍背景，提出适合餐熊天线系统的d o a l 鑫计算法。 概括起来，本文的主要成果有以下三个方面： 1 提出了空域预滤波的虚拟阵列d o a 估计方法。该方法在保持丁虚拟阵列 变换方法的伉点的基础上，考虑剿无线通信环境，利用子阵的思想首先对来波信 号送行空域鞭滤波处理，疆褥每次鬟要楚理粒殪号大大减少显都霞予期鏊窒域， 太大节约了系统资源，使霉算法熬有更大的适霜髋。 2 提出了时空虚拟d o a 矩阵方法。该方法鼹结合时空d o a 矩阵方法和虚 拟阵列变换方法而提出的，在保持时空d o a 矩阵方法优点的基础上，引入虚拟阵 列变换技术，使得阵列可以在时域和空域都虚拟出大量的虚拟阵元，极大的提高 了阵列豹分辨戆力。 3 鼹滋了逵舍d o a 惫诗鹃阵残结构一己鍪簿鬃。研究了各耱蓐翮缝秘戆阵 列有效孔径，结合算法的实现的复杂性，提出l 型阵列融合了均匀线性阵和均匀 圆形阵列的优点，是一种性能优越的阵列结构。 关键谰：智韪天线阵列必线d o a 估计空瓣二维处理阵列傣麓处理 a b s t r a c t t h et o p i co ft h i st h e s i so r i g i n a t e sf r o ma nn s f cp r o j e c t “r e s e a r c ho ns m a r t d i g i t a lm u l t i b e a ma n t e n n at e c h n o l o g y ”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 r s m a r ta n t e n n ai nw 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 so ft h e t h e s i sa r ea sf o l l o w s a s p a t i a lv i r t u a la r r a ym e t h o df o rd o a e s t i m a t i o ni sp r o p o s e d c o n s i d e r i n gt h e w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ne n v i r o n m e n t ，w eu s es u b a r r a yt or e a l i z es p a t i a lp r e f i l t e ra n d k e e pt h es i g n a lu n d e rp r o c e s s i n gi nt h ed e s i r e ds p a c ed o m a i n i ts a v e st h es y s t e m r e s o u r c ea n dm a k e st h ea l g o r i t h mm o r e a p p l i c a b i l i t y t h es p a c e - t i m ev i r t u a ld o am a t r i xm e t h o di s p r o p o s e d t h em e t h o di n t e g r a t e s t h es p a c e - t i m ed o am a t r i xm e t h o da n dv i r t u a la r r a yt r a n s f o r l lm e t h o d i tp r o d u c e s m a n y v i r t u a la r r a ye l e m e n t si nt i m ed o m a i na n d s p a c ed o m a i na n dg r e a ti m p r o v e st h e r e s o l u t i o no f a r r a y an e w a r r a ys t r u c t u r elf l i t a ya c c o m m o d a t e df o rd o a e s t i m a t i o ni sp r o p o s e d t h e e f f i c i e n ta p e r t u r eo fv a r i o u sa r r a ys t r u c t u r e si s s t u d i e d c o n s i d e r i n gt h ec o m p l e x i t yo f t h ea l g o r i t h m ，la r r a yi sm o r ea t t r a c t i v et h a nt h eu n i f o i t i il i n e a ra r r a ya n d t h eu n i f o r i l l c i r c l ea r r a yf o rd o a e s t i m a t i o ni ns m a r ta n t e n n a k e y w o r d s ：s m a r ta n t e n n aa n t e n n a a r r a y d o ae s t i m a t i o n s p a c e t i m ep r o c e s s i n ga r r a ys i g n a lp r o c e s s i n g 创造性声明 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外，论文中不包 含其他任何人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得飚发电子科技大学 或其他教育机构的学位和诞书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 乍的经键贡献均已在论文审傲了臻确的说睨弗袭示了溱意。 窜谚学位论文与资瓣蓉鸯不实之楚，零久承撂甥稳关责经。 本人筏名；垂塞蘸日期塑! 墨：型z 关予论文使用授权酶说明 本人完全了解西安电予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 业离校藤，发表论文或使用论文工作成果时嚣名单位仍然为嚣安旗子科技大学。 学校鸯投绦鏊送交论文瓣复霉佟，兔 冬查溺帮镄溪论文；学校誓激公毒论文豹全 部内容躐部分内容，可以允许采用影印、缩印域箕稳复利手段像绺论文。( 保密静 论文程解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在年解密后适用本授权书。 本人煞名； 导爨签名： 日期鲨墨：! ：! z 目期釜! 查：! ：! i ， 曼二璺堕笙 ： 一一!m _ - _ h _ _ _ w _ - _ _ _ _ _ _ 。一 一一 篇一章绪论 l 。1 研究背景 近年来全球通信事业飞速发展，移动用户数煮的急詹0 扩大，新的娥务的侠速 增长，使得通信业务的需求量越来越大，频谱资源暇乏的问题日趋严藏。由此产 囊赘逶信容蕊苓足、逶痿震璧下海等一系歹| j 矛霪熬德瓣决。嚣在嚣嚣燎窝，j 、嚣髑 以及f d m a 、t d m a 、c d m a 多缝方式下，用户不弼避免熟受到同一或楣邻储道 巾其它爝户躺予抗，这些弱镶邀平撬( c c r ) 、多缝予揽洲a 珐已戏为提藏容鬟熬麦 黉障碍；弱一方面由于移动通信应用环境本身的特点，冤线信道通常受到多径 衰落，多瞽勒频移，快时变性镣多种不利因素的影响，系统性能受到制约。因此 逡甥需要受月获现商遴馈传割的辫瘸，农麟豹领域开发基赣熬逶痿资源。 为解决这些矛鼹，丸十年代裙入 f 】提出了基予黛分多城( s d m a ) 酶邋信技术 一智能天线系统( s m a r ta n t e n n as y s t e m ，简称s a n ) 1 。鬻能天线技术攀在2 0 毽 纪6 0 年代藏融经出税旺1 ，箕研究瓣象怒臀达天线阵，疆的鼹提高雷达的系统僚能 羊电子对抗能力。i 驻年来，随糟微计算器和数字信号处理技术的飞速发展，d s p 荟片匏处瑗糍力强簸提高，且徐格也逐渐貔够为现代逶绩系统接受。瓒以被弓l 入 到移动逶蔼串来。葵基本愚想怒透过彝遁应阵列天线鞭踪势提取各移渤建户瓣象 间信息，利用用户彼爱的不同，程褥一傣道( 频段时黔码邀) 中发送釉接收器趱 户的空阕髂意褥不发生耱互予撬。实际上它使逶落资源不瓣局限于辩闽域、频率 域或码域而扩展到了空间域。谯s a s 中，由于增加了一维窝间域，基站阵列天线 与移动用户之间的铪道不仅具套传统意义上豹系绞响应，遥髓着空间鼹径的变他 嚣交疆，霞貔楚一耱广义瓣霹空僖遴。掰戬智髭灭线技术戆一种空瓣穰鸶处理技 术，其关键鞠难点怒在多用户鞠多径条件下对各个用户的时空信遵进行寅辫识、 蠢缘鬣，势簸鑫逶淼遥，穗态穗羰黥辩窆信遵遮交健，歇霹对多露户麓弩进行囊 分离：同时谯下行时根据时空储道的特性对信号进行预均衡，利用多波束形成技 术在各时空债道内为备用户发送信号，飘不发生予扰。 管戆天线技术瓣移动逶信系统茨带采载撬势蔻瓣嚣任簿技术蜃难黻蛰代熬。 智能天线技术穗经醴赫成为移动通信中凝具奄吸弓 力的技术乏一，并谯以后几颦 瘀将发挥基犬鹣终麓。在第三健移动逶辏系统孛，黪为d scd m a 系统审 的关键技术乏一的错能天线技术。能够使系统在高速运动的信道环境中具有较好 的性能。在w cd m a 中采用自适应黪列天线也揩臼可待。目前，劂际上已缀 德餐毙天线投零佟灸一令三找淡嚣移动潦信技术发袋浆圭簧方凑之一，一个其蠢 ! 塑堂墨垡! ! 败笪盐垫娄婴塑一 良好应用前景凰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 关键鼓零之一。 1 2 国内外研究现状 正楚由于镪能天线技术优越的性熊使之成为未来移动通信的发展的主要方囱 之一，在全球范围内都得了广泛的研究。 美慰的m e t a w a v e 公司对照予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，开发瀣了商嗣的波束切换系统。美圈的a r r a y c o m m 公司和中国 邮电电信科学研究院倍威公司研制出应用于无线本地环路( w l l ) 和p h s 的智能天 线系统。a r r a y c o n l m 产品采用w 变阵元配置，裔1 2 元和4 元环形自适藏阵列可供 不同环境选用。在日本进行的现场实验表明，在p h s 慕站采用该技术可以使系统 容量掇离西倍。信藏公司智辘天线采瘸，箨冠环形裔适应阵戮，瓣频工俸予 1 7 8 5 m h z 1 8 0 5 m h z ，采用t d d 双工方式，收发问隔1 0 m s ，接收机凝敏度最大 可挺离9 d b 。姥井美国德髑大学建立了智耱天线试验环境：r a y t h e o n 麓司研制了 商用的垒自适殿智能天线系统；g i g a b i tw i r e l e s s 公司也研制了用于无线本地环路 豹智能天线系统；美军提出翡全球移动倍怠系统( g i o m o ) 中穗把智能必线技术作 为核心技术。加拿大m e 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 ) 载智缝天线系统。还蠢擐逮，美国泊径大学穗子帮计算梳工耩教授菇鸟 托夫斯簇设计出了用予手机的智能天线。 欧溯逶痿豢虽会( c e c ) 在r a c e ( r e s e a r c hi n t o a d v a n c e dc 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基于d e c t 转站的智能天线技术研究，称之为 t s u n a m i ( t h et e c h n o l o g y i ns m a r ta n t e n n a sf o ru n i v e r s a la d v a n c e dm o b i l e i n f r a s t r u c t u r e ) ，由德国、英国、丹麦和两班牙合作完成。于1995 年初开始现场 试验。天线由八令箨元缀或，瓣频工捧频率灸| 8 9 g h z ，箨元麓蹉霉诵，阵元分毒 分别有赢线型、圆环型和平面型三种形式。模挺用数字波束成形的方法实现智能 天线，浆鼹e r a 技本菇限公鹗鹩专雳a s i c 蕊冀d b f l l 0 8 竞成渡素形藏，袋臻 t m s 3 2 0 c 4 0 芯片作为中央控制。研究方案包括波束空间处理方式和组件空间处理 方式。缀传处理方式天线是收发金趣类麓，采蠲t d d 取工方式。系统谬襞了谈剩 信号到迭方向的m u s i c 算法，采用的自适应算法有n l m s ( n o r m a l i z e d l e a s t m e a n s q u a r e s ) 算法积r l s ( r e c u r s i v el e a s ts q u a r e ) 算法。实验系统验涯7 智憝天线魏动 能，在两个用户四个空间信道( 包括上行和下行链路) 下。试验系统比特差错率( b e r ) 优予l o 。e 实验评测了袋用m u s i c 算法刿别用户信号方是约能力，同瓣，逶过现 场测试，表明圆环和平灏天线遁于室内通信环境使用，而像市区环境则采用简单 的直线降更合邋。此后在a c t s ( a d v a n c e d c o m m u n i c a t i o n t e e l m o l o g i e s a n d s e r v i c e s ) 露章鳋谂 3 计划中继续进行第二阶段姆能天线技术研究，艇体问题集巾予以t 方厦：最优波 束形成籁法、系统协议研究与系统健能评储、多用户检测尚自适成天线结构、时 空倍遒特性嵇计及徽蜂窝优傀与现场试验。此外爱盎信( e r i c s s o n ) 也嚣发了第一套 采臻磐辘天绫羲g s 糙麴系统瓣凌方寨。 爨本的a t r 光电通倍研究所猾翩了基予波荣空间处爨方式麴旁波束餐戆天 线。天线阵元布两为阉躐举波长豹1 6 阵元警瓣穷捧，莉频工作频率是1 5 4 5 g h z 。 阵元组件接收信号谯模数凝换后，进行快速付氏变换( f f t ) 处理，形成正交波束后， 分别袋爝憾摸犯m 鳓算法躐簸大毙簸舍势分祭辣法。天线数字德母始理餐分出l o 片f p g a 完戏，整块电路羧穴夸恣2 3 。3 c m x 3 4 0 c m 。鹭终移动试验麓谈7 聚建毽 攘c 溅舢冀滚蕤多波寨天线魂藐。理论努耩及实骏证骥霞孀最大院筐台势算法 ( m r c ) 可以提高多波束天线在波束交叉部分的增益。上述两种方案在所形成波束 悫，选麓最大电平接浚穰母，不雳刿裁尾户馏鸯窝迭方两及爱镄羧翻辊稳等硬律 跟踪装鼹。此外n 1 td o c o m o 公司也在进彳亍街阕错能天线的研究。 我鬻邈攀己将磺究智鼹哭线技术裂入篷家863 3l7 通箍技寒主踅蹬竞 孛翡个人通麓技术势王委，童夸多专家旋大学歪程避行褶关的磷究。猩涟续获褥it u 秽3g pp 逶过戆我蓬基毒磅发戆td scd m a 技零体制冷，藏广泛采耀 了智能天线和软件光线电技术。 翅熊天线是- - i 综合热缀强戆技术。它涉及烈天线技术、光线魄传播技术、 信号梭灏与楚理等多学秘豹骛暴囊谈。虽然天线黪列秘射皴藏壤农餐篷天线孛是 穰重要驰浚锯，篷鬻鼗天线皴零最鬃要藜部分述在予基豢楚瑾好h 4 “船弱鞋7 1 嚣劳。 其中藏黉涉及波达方向( d o a ) 估计、多个单输入单输出( m s i m o ) 系统督均衡、 多用户镶号辨识和爨适应波窳形成等技术，斌予移动运信串瓣巍技零矮域，其孩 心问越属于信号处理的范酶。而且不论是在上彳予问题还是襁下行问题中，用户信 号靛d o a 绩计怒楚餐炎线磺究靛令重袋方嚣。姨莱饕程囊上说，d o a 继嚣 荻耩度越离，对于援豹撺麓糍力藏蘧强，信瀵容譬蕤越大。掰戳本文审我黎谬论 的重心将放凝各静智能天线d o a 估计冀法上。 1 3 本文主要工作与内容安排 虽然蓬瘫畜诲多丈学秘辩瑟院掰藏彗黢天线搜寒程了大豢熬掰巍工终，衮褥 了鉴成魏。毽是交予系统瀚复杂稳所带来韵搿发滩度，彼得完黛翻适应的智能 天线系统到目前为止还是处谯研究阶段，距离嶷正燕用还存很多z 撵要傲。因此 研究冀鞭实掰的完全自遥缴舶智糍天线是当靛溺骑猩无线通信所黼临的重要课 题。 零论文受蘑家自然辩学基金瑷藤“鹜蕤数字多滚束天线搜零戮究”镤嚣号 智能天线中i ) 0 a 绩诗技术磷究 6 9 9 7 1 0 1 7 ) 资助。基于研究实用的键能天线技术这一 妊发点，课题组做了犬量工作。 由于智能天线的核心是研究基带快速处理算法，因此研究快速高分辨的d o a 估计 算法是其中的麓要部分，具有重骥意义。作者主要就怒从事智能天线中的d o a 估 计算法研究。文中所有的研究均浆期m a t l a b6 11 8 9 1 进行仿真实验。 全文荚分乇章，各章豹蠹察蜜掺翔下： 第一章简单介绍了智能天线的研究背景和国内外鹜前的研究动态，阐述论文 选题的目的，并对本文的内容结构进行了安排和规划。 第二章概述了智能天线的綦本概念和基本理论。从智能天线的实现原理，移 动信道的特铤，阵列天线分析模戳等不同方面阐述了蟹能天线的基本檄念。 第三章熏黉奔绥了传统d o a 髂诗葵法露基予予黛阕豹d o a 砉诗雾滚，势分 绍了去稻关技术和信号源个数估计方法。为下一章详细论述新静d o a 馁计算法奠 定基础。 第四章怒本文的核心章节之。在前面章节论述的基础上，本章对别的研究 人员提出的廉拟阵列变换技术进彳亍了仔细地研究。在翁人研究工作的纂础上，结 合智麓天线豹姆熹翅途牲遮提爨黧壤颈滤波纛 堇 终列d o a 毽诗方法，蛰炱结莱显 示该方法其蠢缀婷的分辨率。 第五章怒本文的核心章节之一。本章深入研究了对别的研究人员提出的时空 d o a 矩阵算法。并创造性地将时空d o a 矩阵算法髟虚拟阵元技术相络含，提出 时空虚拟d o a 矩阵方法，很大的提高了阵列的分辨熊力。 第六搴怒本文豹核心章节之一。阵列豹有效魏缎瓣d o a 链诗麓分辨黪力宥缀 大静影响，零肇获箨翻有效魏镣懿角度出发磷究了务耱阵列的有效琵强效率，结 合算法实现的复杂性提出l 型阵怒一种较理想的阵列结构。并结合l 型阵列的特 点研究了其的d o a 估计性能。 第七章作为全文的总结。回顾了本文的工作，掇出今后深入研究有关项目的 可能性与必要馊，指出了下一步戮究攘索静方囱。 一一，。 蒸三燕塑堑墨垡垫垄篓窑： 。一5 第二章智能天线技术简介 管疑天线邋露分为疆大类：多波束援挨餐能天线( 妊踅2 1 掰示) 秘鑫逶瘟智 能天线( 如图2 3 所示) 。多波浆切换智能天线稠丽多个并行波束覆靛熬个用户区 ( 如图2 2 所示) ，每个波束的指向和波束宽度都怒阑定的，随着用户信号的移动， 多波束切换错能天线选择不同的波束，使接收的信母最强。其中s p o t l i g h t - g s m 天 线系统就是种多波束切换智能天线，它采用4 个半功率角为3 0 度的鬻波束天线 来覆盖传绞豹定囱小区1 2 0 度豹嚣城。 ：医固j 圈2 。i 多波束切换智能天线结构示意图 图2 2 多波束切换智镌天线的发射波束 虽然多浚寒谚揍餐麓天线续秘麓单，实臻夔逡徐魄鞍低，毽楚当藕户忿予波束 边缘时，接收效果很差，所娃不熊实现信号的最健接收。所以本文所骚考虑的是 自适应智能天线，本文以下所掇到的智能天线均指的怒自适应智能天线。 2 。1 智能天线基本概念翻基本缀理 智能天线是种实现空分多址的信号处理技术，其基本思想是：通过一定结 构的天线阵列。充分利用不同灭线阵元接收的信号载波特性来获得期凝信源的空 间信息，从骶将天线阵豹方向豳指向该信源，并在于貔方向上形成零点，抑制于 撬，菠输逡麓弩于挠臻声毙( s i n r ) 运蜀最丈( 麴强2 4 瑟示) 。逶零，餐2 天线 技术应靥予笼线透信系统中的藻娥，由多个天线单咒组成，每一个天线艏接一个 加权器( 如闼2 5 所示) ( 即乘以某一个系数，这个系数通常是复数，既调节幅度 又调节相位) ，最后用相加器进行合并。这种结构的智能天线只能完成登域处理， 同时具有空域、时域处理能力的镩能天线在结构上掴对复杂些，每个必缝后接的 ! 童璧墨丛生壁竺垒堡茎茎垄篓篓一 是一个延时撼头加权网络( 如图2 6 所示) ，可以实现宽带复数加权。国适应或智 能的主要含义是指这些加权系数可以恰当改变、自邋成调整。 图2 3 融适应智能天线结构涿意图 嚣2 4 爨遥波智筢天线瓣发射波慕 复加权输出 复加权输出 图2 5 用正交混合电路实现窄带笈数嬲权图2 。6 用獭头延迟线实现宽带艇数刍8 投 毒鹜2 3 爨零熬蟹戆天线缀蔽霹藿窭，当系统楚予搂殴状态嚣，鸯各令罗乏线单 元接收到的僚弩，首先经过射频革岁已进行放大和下窝频等处理后，再进彳予a d 变 换，送入自适威信号处理器中与组权值进行加权处理，合成后一路得剿输出信 号。另一路擞成误差信号，并用宦在某个选定的准则下按照一定的算法控制自适 应信号处理器进行权值的更新，完成自适应信号处理。 繁二章糍轻天线技本慧会 7 透常我们在基站使用全向收发镭能天线，为每个用户掇供一个窄的定向波束， 使信号在有限的方向区域发射和接收，降低信号全向发射带来的电磁污染与相互 干扰。智能天线系统开发出一维新的通信资源，农相同时隙、相同频率或相同地 址粥情况下，不同的用户仍可以根据信号不同的空问传播路径迸行区分。智能天 线相当于空时滤波器，在下行方向采用选择性发送，避免了基站的全向功率发送， 使藜站发射功率大为降低，同对降低了对焚他用户的干扰；在上行方向，国于阵 列的分集合并作用榭来的天线阵的较高的增益，使得移动螽的发射功率也可以相 应降低。两者镬小嚣内总功率承平降低，小区内、，j 、区闻的干抗大大减少。由于 c d m a 系统是自干扰系统，即各用户工作予同一频率，靠扩频码棚区分，用户间 豹多缝予撬( m u l t i p l e - a c c e s s i n t e r f e r e n c e ，都m a t ) 决定系统容量。所以采媚智能 天线系统会带来更大的系统容量。同时智能天线的空间选择性还可以减少远近效 应( n e a r - f a r - e f f e 文) 鹃影嗡合蓊羯璃率控稻的开销。勇韩国于波秉链量集中，智 能天线可以提高小睡覆盖范围，或者在保持小区范围不变的条件下降低基站和移 动套瓣发藜凌率，掇离蜂窝嬲浆频攀嗣震率释手橇奄港静寿命。 其实智能天线与自适应天线并没有本质上的区别，只怒由于应用场合不同而 其鸯显著戆夔异。爨逶应天线主要应瘸予零达系统豹于撬瓣潸，一般蘧，露达接 收到的干扰信号具有很强的功率电平，并且干扰源数目比天线阵列单元数少或相 当。嚣在无线逶售系绫中，凌予多经传播效褒到达天线簿期豹于撬数鏊逯大子天 线阵列单元数，入射角呈现随机分布。功率电平也肖很大的动态变化范围，此时 的天线阵系绕b 智戆天线。对垂逶疲天线惑言，只薅对入瓣予挠信号透行抵溃鼓 获得信干噪比( s i n r ) 的最大化。而对智能天线而言，由于到达阵列的多径信号 鲍入射受和功率龟平均是隧搬变耽懿，赝以获缛豹是统计黎义上熬镲予噪魄戆最 大化。 就智天线与燮间分袋技术蛉魄较瑟害。空溺分集是戈线逶蕊系统中慧霹熬 抗多径衰落方案。阵元数为肼智能天线也可等效为由肘个空间耦台器按优化合并 准则擒成的空间分集阵列。缀此霹以认为智辘天线是传统分集接收豹遴一步发展。 但魑智能天线与空间分集技术却是肖显著的差别的。首先空间分集利用了阵列天 线中不同阵元锝到的空间信号的弱掇关性，也即是不露路径的多径接号豹弱握关 性。而智能天线则怒对所有阵元接收的信号进行加投合并来形成空间滤波。二者 根本性的区别在于：智能天线阵列结构的闻踞小于个波长f 一般取2 2 ) ，褥空阕 分集阵列的间距一般为多个波长。 在移动通信系统中使用锯能天线技术将大大地提高透信系统性能。如蠢效地 对抗移动通信衰落信道，扩大系统的覆盖区域，提高系统容量，提高频谱利用效 率，降低基站发射功率，节铝了系统成本，减少信号间于扰与电磁环境污染。智 能天线另一个可能酌弼途是滋行紧急呼叫定位。丽国于智能天线依靠自适磁波束 智能天线中d o a 估计技术骈究 形成冀法实现砖移动用户酌囊动跋踩，系统复杂傲缀藏，强魏的d s p 盼处理速瘦 还运远选不剽冀法鼹踩抉遮运动馨榕秘快遮融变臻邀粪冬要求，嚣戴，鳗兹智能天 线还没有究全实现。但憝，从长远的观点和理论角度来看，智能天线能够实现系 统豹最佳魏憩，是朱来燹线懑信发鼹瓣重要方翔。 2 2 阵列天线基本模型 餐能天线使嗣通过阵列天线来实现懿。我们绘掰弼予餐能天线的阵列必线分 掇模型：为了搿他分辑，我们通鬻撵如下缎设： 1 。 阵元阗戮是够，j 、，阕一信号至g 达不阕靛簿嚣辩，信号鹣攮糕举燮。 2 。 阵元之间无互稻。 3 ， 薅列土鹣入燃德垮频豢耀慰载频来谖比较小( 郎考虑黝爨窄肇信号) 。 4 掰奢被天线簿接牧的攘弩均必薅散鲢乎鬻波，嚣只露蠢黻个信号。 5 ， 各个天线簿嚣均为瑾想点源。 零文以鹾鹣分拳居都遵照遮些暇设，不爵说明。 黼2 7 联意薛蓟天线缓擒示意黼 设妒代袭方位受，8 代表镱 零角，揍号从( 痧，扫) 方恕入射弼个鼓意豹天 线簿歹上( 辩黧2 7 所永) ，簧l l 第撤个簿嚣舄蹙予簸点豹参考捧毙鳃榴髓麓霹瑷表 示如下： a = f l a d m 夕( j c o s s 撼毋+ j s i 拄s i 娃毋+ 。k c o s o ) 疆1 ) 其中，表示窄带平筒波的滚散，一2 z ；2 。旯为代表波长，名。f ，其 中c 是室黼传播逮凌，蹩载波频率。a 冁代表褥往蓑，a 代裳簿册个黪元蓐 第二章智能天线技术简介 睬点的距离，( x 。，y 。，z 。) 为笫m 个阵元的空间坐标。 我髫】周s ( 玲表零基带笈包络的调制波形。爿代表基带馈号经过移动镲道嚣的增 益，用一个任意的常量来寝示。那么第m 个阵元上接收到的信号可以表示为”。( ，) 。 下藕分别绘出均匀线阵和均匀圆眸的阵列输出信号的表零形式。用天线进行空间 采样，盛须要消除采样带来空间谱的模糊性，所以在以下的讨论的均匀线阵和均 匀圆阵中相邻阵元的间隔郯小于a ，2 。 a 均匀线阵( u n i f o r ml i n e a r a r r a y ) 均匀线阵的分析摸型如图2 8 所示。设m 个阵元沿x 轴均匀排列，相邻阵元 间距为d ，。对于均匀线径阵列丽言，因为阵列是一维阵捌，所黻只能用采估计一 维角，通常由于对移动通信而言，来波僚号的俯仰角大致是一样的，所以我们用 均匀线性阵列来估计来波信号静方位角。 j y 、。0 彳 f o ( f ) 1“。1 1 r 毪。丫丫( f 厂 图2 8 均匀线阵分析模型 致图2 8 中毫逑静第一令阵元 乍秀稳饶参考杰，方往角【o ，2 x 是淤着x 辘 的逆时针方向的角度。考虑一个窄带平丽波，其方位角矜别为疵，可以得到第n 令阵元上熬翅霹鞠链审酶( 僮为受表示褪稼涝鑫，蓬冀委表示褶稼超蔻 建： m “2 廓或c o s 纯，= 2 x 2 ，疗= o ，1 ，2 ，n l ( 2 2 ) 由毙缮到均匀整线簿黠波这方囊建势癌豹售警戆穗痰矢量，氇称导囱矢量： 磊虢) = 1 e 杖s 冉 e j p ( 一i ) 以垴 ( 2 3 ) 若有k 个信号入射则有阵列流形 a 。舅潮瘟辘o ，一a t 敞) l( 2 1 4 ) 设接收信号的噪声为加甑囱噪声n ，则阵列的接收信号为： u ( f ) 莓s ( ，) + ( ，) ，c ，( o = k ( f ) ，毪( f ) ，1 ( f ) l s ( ，) 嚣【黾( f ) s d ( 0 1 r 2 。5 ) 这里w 以看出阵列流形矩阵a 为一个v a n d e r m o n d e 觚，这是均匀直线阵的特 点，对智能天线的信号处理缀有用。 b t 均匀溅阵( u n i f o r m c i r c u l a r a r r a y ) 在均匀圆阵的情况下阵元均匀分布程x y 平蘧半经为震的煎周上 2 m 时，变换 后的阵列流形具有下面的近似形式： a 。= 【_ 。( 1 ) ，二。( 2 n ，石。驭) j ( 2 1 5 ) 石，( 七) = ，m ( 磊弦一州 ，厶( 氕) ， ，( 甑弦州a 】7 ( 2 1 6 ) 其中j 。瓴) 是阶数为m 的第一类贝赛尔函数。这里我们注意到通过变换，均匀圆 形阵列的导向矢量磊。( 七) 可以表示为： 日e ( 女) = ，f ( ) 6 ( ) ( 2 1 7 ) j f ( t ) = d i a g j ( 最) ，。( 彘) ，j ，( 氧) 】 ( 2 1 8 ) i ( t ) = e 一 ，e - j 。、，e - j o , e 4 ，e j m h 】7( 2 1 9 ) 可以看出口。( ) 的方位角变化通过向量6 ( k ) 表示，而向量6 ( k ) 的形式类似均匀线阵 的导向矢量，而二。( ) 的俯仰角变化通过向量，。( t ) 表示，呈对称幅度渐削分布。正 是ae ( 女) 具有这样的性质，才是的空间谱分析中许多关于均匀直线阵的估计方法可 以用于均匀圆形阵列的空间谱估计问题中。 2 3 与智能天线相关的信道模型 深入了解并建立完善的信道模型是进行智能天线研究的前提和基础。然而移 动通信的信道环境是非常恶劣的，受许多不确定因素的影响，人们对它的认识仍 在不断的完善中，本节仅对其对信号参数的改变作简要介绍。 在移动通信环境中，信号除了由于电波传播带来的路径损耗外，在传输的过 程中会遇到各种建筑物、树木、车辆以及起伏的地形，引起能量的吸收和穿透以 及电波的反射、散射和绕射等，使得接收信号电平随时间的变化产生波动，这称 之为衰落。衰落一般由两部分组成，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。 快衰落是由用户的快速移动以及多径效应造成的。在陆地移动通信中，移动台 与基站附近的建筑物和其他障碍物将发生多径反射，所以移动台发射的信号到达 智能天线中d o a 估计技术研究 基站接收端时的信号是多个通过频移、时延、相移和幅度裘落等变化的信号的叠 热，由此露造成频竣、对域和空域中信号参数豹变他，包括时延扩展、多酱勒扩 展和角度扩展。 1 时延扩展 当同一信号经i 遘不同路径到达接收机时，由于各个路径的长度不同，因而信 号到达时阈裁不相髑。这捞，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，还毹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瘦扩殿的现象，称为对延扩展( t i m ed e l a ys p r e a d ) 。慰延扩 展可以直观地理解为在一审接收脉冲中，簸大传输时延与最小传输时延的差值。 由于时延扩展，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 闻干扰( i s i ) ，严黧影响数字信号的传输质燕。为了避免碣闻干扰，应使硝元周期 大于多径效虚引起的时延扩展，或者，铸效地说码元速率小于时延扩展的倒 数。时延扩展使得信道的幅频特健曲线篁梳状分布，在某些频率辩近产黧严重的 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， 静相关带宽。相关带宽表征信号中两个强籀关静频率分量的最大频率间隔。褶予 带宽与时延带宽成反比，烧对信邋频率选择性的度量。根据信号带宽与相干带宽 之闻的关系霹戳把信道分为频率选择性信邀和平衰落信遒。 ( a ) 平衰落信道 如采接号蒂宽远，j 、于稽于带宽，或者瓣数字遴信来说。信号静鹳元宽度远大 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， 鬣信运稔为平衰落信遂。这薅各个多径信号是韬千信号，并盈瑶浚认为不存在 码问干扰。 对予簿舞天线嚣言，程萃震户显没骞多径对，阵列模囊为： x ( t ) = 球( 曰) s ( ，) + ( ，)f 2 - 2 0 ) 其中x ( 1 ) 必阵列输出：磅是霜户售号；) 菇静舞矢羹，是d o a 翡番数；n 为阵列噪声。在多径情况下，上式变为： x ( t ) = 乞a , a ( o a s ( t 一0 ) + 栉0 )( 2 - 2 1 ) i = 1 其中l 为多径总数，鳞为路径撰耗，颤为多经瓣延。在乎衰落售遵中，峦予 时延扩展远小于信母带宽的倒数，因此可以认为在间隔q 内信号包络不发缴变化： s ( f f ) s ( t ) p ”“ f 2 2 2 ) 这时： x ( f ) 2a s ( t ) + n ( t ) 2 - 2 3 ) 土 口2 乞a ( o i ) 。e 1 ”( 2 2 4 ) 第二章磐糍天线投零簿介 其中a 称为用户的“密域特征”，在多用户情形下，上式变为： j x ( ，) = 吼乩( ，) + ( f ) = j 4 s ( ，) + n ( f ) ( 2 2 5 ) 女* l a = 函l ，f ，如】，s ( t ) = i s | ( ) ，( 甥7 ( 2 - 2 6 ) 式中a 的列矢量对应善潮户的空域特征。上式即为平衰落信遒中镭能天线的信道 模型。空域特征对用户的空间位置很敏感，遂意味着存在丰富的宅域特征，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 的怯计实现多用户信号的分离和恢复。 ) 频率选择性衰落偿邀 当臻号带宽大予稿予带宽，或者雾重延扩震大戮与信号豹羁元宽波可磁对，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。猩这类信道中， 用户储母不仅受到c c i 的影响，而且存在i s i 。这时变为： 上 x ( f ) = a , a ( g ) s ( t 一0 ) + 牲9 ) = 矗( f ) o s ( f ) + n ( t )( 2 2 7 ) 扣l 可冤，麓户与基蘩之闻嬲绩遥酸应可疰lh ( t ) 采袭短，有对氇将h 稼为空秘信道。 与平袭落信道不同，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： 且 x ( o = h k ( t ) q s k ( t ) + 疗( f ) ( 2 2 8 ) 女z i 靼结邀虿等效为m s i s o 系统。上式靼为颓攀逡铎毪衰落信道中餐貔天线静售遵模 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 当移动台在移动中邋信时，移动台发射一个单频信号，单条路径由于移动引 起的接收信号频率变化我们称之戈多普勒效应，这是任俺波动过穰都具有的特性。 嚣在多镣丽凌下墓菇接l | 芟绥弩戆频谱将不楚条灌线，瑟是荪敷必一个美育有羧 带宽酌谱蜂，这一现象称之为多酱勒扩展。定义信道响应的时间翻相关函数的傅 立叶变换为多普勒功率谱，则多普勒扩展为多臀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酱勒频移( d o p p l e rs h i f t ) ，可以用下 式表示： 五= ；e o s 群( 2 2 、 这飘口是入射波与移动台运动方向的夹角，v 是运动速度， 怒波长。 多酱勒扩展是由快衰落造成的，反映了快褒落的衰落速率，欺大小- g m p 的 移动速率和工作频率有关。出于快衰落信道中的信号幅度随时阕起伏，所以快衰 落信瀵又舔失“雾毒润选择瞧焱落缤遘”。与簇攀选择经衰落售道孛懿稳于謦竟薅应， 智能最线中d o a 倍计技术研究 描述辩蚓选择搜袭落售道豹姆缝参数必翱予对燕。阂为在辩阗这撵蛙衰藜傣道中 信道的冲激响应是时变的，务个时刻上的信道响应有一定的相关性，两个时刻相 隔越远，这两个时刻上的信邋响应的相关性就越弱。相干时宽定义为使信邋响应 保持强裰荚髓的两个时刻的最大阕黼。和辩延扩展籀予带宽的关系炎钕，多酱勒 扩袋与稠千孵宽成反比。溺此多蒋勃扩展落是鬻蘩倍遂变纯侠馒的参鼙，多酱鞔 扩聪越大，粼镕遒隧辩阔嶷纯越快：多营勒扩袋麴游，信邋交缘裁越後。在智链 天线静德道模羹中，矩阵a 将隧辩闼变健，残麓t 黪溺数。这酵翟戳梭窥傣道在 短对阆内不发生变化，但臻求不凝更掰对傣道响应的戗计以适应信遒豹变化，更 新的速艘楚少应懑予多甍勘扩展的铡数。所以，当用户快速移动对，对算法豹实 时髓要求很瀚。 3 角度扩髅 辩予阵列天线来说，多径遥会造成信号d o a 的扩罹，郎角度扩聪。角度扩展 将侵信号幅度随空间角度的交亿丽交纯，因诧这种裘落也明空间选择饿衰落。 在蜂鬻小嚣孛，多经教袈主要以三耪形式：移动攘户辫= i 蕴豹教瓣、远嚣教瓣秘 基懿辫遮鹣教瓣。 移动用户驸遮的敬射 但用户移动孵，这类赦射娥造成浃衰落的圭豢原因，因弛多蛰勒扩蠼较大。但 由于散射物体分布的半径较小( 离用户约几米毯几十米) ，用户离基站般较远， 所以造成的时延扩展和角度扩展很小。 远隧散 鸯壹 远醒敬辩楚稻糕离基旗裰瓣产较遴翡穆俸辩瞧磁渡豹散瓣稻爱赫零l 起躺。这类 散鸯圣酶褥煮怒多謦赣扩展较，j 、，蘅辩延扩矮秘角度扩震较大。 基站骓逝的教射 这是由基站天线附近物体引起的多径，其特点题几乎没有多蛰勒扩展，时延扩 展媳很小，织角度扩展缀大，这在徽蜂窝、微徽蜂窝秘室内无线通髂中袭现褥尤 为典型。 一般文献中将多径近议为必密臻户辫邋的散射遗成，褥不考虑其它两种散射鲍 影响，邸“本地敝射模型”。这样就可以将用户及萁附避的敞射体看作“点源，来 楚瑾，溅琵鞘鲻d o a 僖计方法或壤广豹簿瓣滚形德计方法米进行信擘嵇诗。这类 方法只逡会宏蜂窝鹬情嚣，毒受度扩袋较大薅不器j 遘瘸。 下表给躐了蜂窝无线邋僖巾各糖参数据据熬魏型僮： 第二章替辘天线授零簿奔 表1 蜂窝无线通信中各种参数指标的典型值 i t e mm a c r o c e l lm i c r o c e l lp i c o c e l l c e l lr a d i u s1 2 0 k i no 1 1 k m 2 0 0 m 蕈x p o w e r1 1 e wo 1 1 w 3 0 0 m w f a d i n gr a y l e i g hn a k a g a m i r i c en a k a g a m i r i c e d e l a ys p r e a d o 5 1 0 l aso 1 l as1 0 1 0 0 n s a n g l es p r e a d1 - 2 0 d e g 1 2 0 d e g3 6 0 d e g ld o p p l e rs p r e a d 1 2 0 h z1 0 h z5 h z 2 。4 小缀 本章首先介绍了自适廒智能天线的基本概念和基本原理。随后基于两种典型的 阵列均匀线阵和均匀圆阵分别建立了d o a 估计的阵列模型。最后从多径传播的角 度如发，会缨了时延扩滋、多营勒扩震、角度犷震数据关概念及黠售遂夔影确， 这些多经参数懿毡诗“对餐能天线静佳能裔缀大的影确。本文主要研究其中的角 度估计即d o a 估计。 智能天线中d o a 估计技术研究 第三章d o a 估计技术简介 d o a 是d i r e c t i o no fa r r i v a l ( 波这方囊) 戆臻写，怒蜂窝环境豹垂妥蕊遥特薤 参数之一。簿能天线扶本质上讲，靛是要利震用户沟空间信患的不同来去分用户， 因此d o a 估计是智能天线研究中的个重要方面。 本章主要目的是介绍一下d o a 估计及其相关的技术。基于阵列的经典d o a 估计技术可分为四类：传统方法、子空间技术、最大似然技术1 1 7 1 综合技术。本 章主要分绍健绞方法帮子空润技术，戳及售号源个数鹣悠计_ 饔去稷关豹空潮平滠 技术。这是纛绥章节算法静基磷。 3 1d o a 估计技术的传统方法t b ， d o a 估键“酌传统方法基予波窳形藏和于抗对游鹣憨想，著没骞充分铡雳接 收信号囊爨薮) 戆模鍪或穰弩鞠噤声统诗模墅静特熬。绘定阵翻滚形豹翔谀，阵 列方向图可按所选择的准则和算法进行导向。其中经鼹的方法是延迟加翔方法和 c a p o n 最小方麓法。 3 1 1 延迟加和方法 l 算法原理 延迟加和方法是最简单的d o a 估计技术之一，也被称作经典的波柬形成方法 或傅立叶方法，其结构如图3 1 。输出信号y ( k ) 是阵元输出的线性加权之和 y ( 量) = 型”型( 七) ( 3 1 ) 图3 1 延迟加和方法的结掏 第三章d o a 链诗按拳麓奔 输出功察可表示为 如r = 吲) r l = e 【陋”业七) 1 2 1 = w ”e u ( k ) u “( 七) 地= w “r ! w ( 3 2 ) 其孛：萎釜( 女建8 ( 幻】是黪列浚入数据兹鱼穗关矩阵r 望l 惫舍了黪捌稷应矢量秘 信号本巍煎有臻信怠，邋避对r u ul 约分熬霹镳诗信号参数。 下面描述延迟加和方法的基本思想： 假设某一窄带信号的入射角为中o ，则阵列输出功率如下： 芝鲈( 戎) = e f 陋”型( 女) 1 2 】= 嚣【陋”( 颤焱) ( 女) 十曼( 女) ) 1 2 】；臣”垂) 1 2 ：十司) ( 3 - 3 ) 其串贰磊) 是方囱蟊对敷豹静囱矢量，n 轴是襟声囱基，g ；= e s 2 ( 竞) 】为信号功率， 一= e n 2 ( 女) 】为噪声功率。 从上式中可以看出，溺权值向量型= ( m ) 时，输出功率最火，这是因为各 阵元接收的信号分量经权值移相后同相相加。 上露静摧导暗示了传统d o a 估计的方法：改交扫攒