（电路与系统专业论文）全向型智能天线的性能研究.pdf

摘要 摘要 智能天线是现代无线通信系统中的关键技术。本文简要介绍全向型智能天线 的概况。在阵元空间中对均匀圆阵接收信号的到达阵列的角度，即波达方向( d o a ) 的估计所采用的算法的分析。并且文中采用了了一种改进的m u s i c 算法实现对相 关信号的估计。 通过空间预处理将阵元空间的均匀圆阵转换成为模式空间中的虚拟均匀线 阵，实现前后向空间平滑以及e s p r i t 算法。同时采用两级分组信号处理的方法从 天线阵元数目的角度考虑对信号处理的精确度的提高和计算量的减少。 波束形成是智能天线的主要技术。其中实现d o a 的估计是波束形成的前提。 本文采用了一种方法实现每个移动台只接收到基站发给自己的下行信号而不受基 站发给同一信道中其它用户信号的干扰，具有较高的有效性。 关键词智能天线均匀圆阵波达方向波束形成下行链路 摘要 a b s t r a c t s m a r ta n t e n n ai st h e k e yt e c h n i q u eo fc o n t e m p o r a r y w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s y s t e m o m n i d i r e c t i o n a l s m a r ta n t e n n ai si n t r o d u c e di nt h e p a p e r d i r e c t i o n s o f a r r i v a l ( d o a ) o fs i g n a l sf o r t h eu n i f o r m c i r c u l a ra r r a y ( u c a ) a r ee s t i m a t e db ya n a l y z i n g r e l e v a n ta l g o r i t h m si ne l e m e n ts p a c e m o r e o v e ra ni m p r o v e dm u s i ca l g o r i t h mi s p r e s e n t e d i no r d e rt oe s t i m a t ec o l a e r e n t s i g n a l s av i r t u a lu n i f o r ml i n e a ra r r a y ( v u l a ) i sd e d v e db ys p a t i a lp r e t r e a t m e n tw h i c h t r a n s f o r m st h eu c af r o me l e m e n ts p a c et ob e a ms p a c e ，a n df o r w a r d b a c k w a r ds p a t i a l s m o o t h i n gt e c h n i q u ea n de s p r i ta l g o r i t h m a l ea p p l i e ds ot h a td o ao fc o h e r e n t s o n l e si se s t i m a t e d at w o s t a g e s i g n a lp r o c e s s i n g s t r u c t u r ei s p r o p o s e d b y t h i s m e t h o d ，t h er e s t r i c t i o no f c a l c u l a t i o ni se a s i l ys o l v e da n dt h ep e r f o r m a n c eo f s y s t e m s i s i m p r o v e d b e a m f o r m i n gi st h em a i nt e c h n i q u eo f s m a r ta n t e n n a ，a n de s t i m a t i o no fd o a i s t h ep r e m i s ef o rb e a m f o r m i n g an o v e l a p p r o a c h i sa d o p t e ds ot h a te a c hu s e rr e c e i v e sh i s s i g n a la n d i sn o ti n t e r f e r e db yt h es i g n a l sb o u n df o ro t h e rc o l l s e l sr e c e i v i n gi nt h es a m e c h a n n e l k e y w o r d ：s m a r t a n t e n n au c a d o a h e a m f o r m i n g d o w r d i n k y 5 8 3 7 2 6 授权书 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) 本人授权西安电子科技大学图书馆保存学位论文，本学位论文属于( 保 密级别) ，在年解密后适用本授权书，并同意将论文在互联网上发布。 本人签名： 熬焦日期：尘! 璺! f ! 】 导师签气：钗日期：2 ；垒止 创新- 性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师知道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果的研究成果；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：一毯焦 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景与意义 从移动通信技术于2 0 世纪7 0 年代诞生以来，在短短的3 0 多年时间里得到了 飞速的发展，成为当今通信领域内最为活跃的研究热点之一。随着当今社会信息 量的急剧增加，个人移动通信的迅速普及，作为个人通信网重要组成部分的无线 移动通信网也因此成为目前通信发展的热点之一。显而易见，在不久的将来用户 的需求将超过现有技术所能提供的系统容量，为此应该尽早开展无线资源扩容新 技术的研究。 因此由于移动用户数量的急剧增加。通信资源匮乏的问题日趋严重，产生了 通信容量不足、通信质量下降等一系列问题亟待解决。并且在无线通信环境中如 何消除同信道干扰( c c i ) 、多址干扰( m a i ) 与多径衰落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。于是在9 0 年代初，一些学者提出了智能天 线系统( s m a r ta n t e i l i i as y s t e m ，简称s a s ) 的概念l l 卜i f 3 】。 实际上，智能天线原名为自适应天线阵列( a a a ，a d a p t i v e a n t e n n a a r r a y ) ， 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。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。为此，移动通信研究者给应用于移动通信的自适应天线阵起了一个 较吸引人的名字：智能天线，英文名为s m a r t 加1 t 蛆n a 或i n t e l l i g e n t a n t e n n a 。 在现代通信信号处理领域，各种时域和频域的处理方法已经很普遍，包括频 分多址( f d m a ) 、时分多址( t d m a ) 、码分多址( c d i v t a ) 等多种方法。与之相 比，智能天线从一个崭新的角度，即信号的空域处理来研究通信扩容问题，成为 移动通信领域的一个研究热点。它采用空分多址( s d m a ) 的概念，利用在信号入 射方向上的差别，将同频率、同时隙的信号区分开来，所以它可以成倍地扩展通 信容量，并和其他复用技术相结合，最大限度地利用有限的频率资源，从而有效 解决频率资源匮乏的问题，并提高系统容量和改善通信质量。 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，还有 待于许多问题的研究解决。对智能天线的研究值得关注的有以下内容：智能天线 全向型智能天线的性能研究 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等 方面。 智能天线由于其能大规模提高系统的容量和性能而具有巨大潜力，1 1 1 9 0 年代 以来，得到了广泛的重视和长足的发展。具体而言，智能天线将在以下方面提高未 来移动通信系统性能：( 1 ) 扩大系统的覆盖区域；( 2 ) 提高系统容量：( 3 ) 提高频谱 利用效率；( 4 ) 降低基站发射功率，节省系统成本，减少信号间干扰与电磁环境污 染。现在对智能天线系统的理论研究已基本成熟，而工艺水平的进步，和新一代 蒿速数字处理器的普及，使智能天线的实现不再是遥远的梦想。在目前第三代移 动通信标准中，中国的t d s c d m a 标准中明确地指出智能天线是其中的关键技术， 而且其它标准w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 也都把智能天线作为可选方案。可见智能天线 在移动通信领域中的重要地位。智能天线的研究涉及到多个领域，如天线阵、电 波传播、数字信号处理，以及多用户检测、多用户接收和功率控制等。目前的智 能天线多用于基站系统，今后还可以研究基于移动台的智能天线。总之，智能天 线是第三代乃至第四代移动通信系统中重要的关键技术，有着光明的发展前景。 1 2 本文的主要工作 本论文的主要目的是研究用于移动通信系统中的全向型智能天线的性能，包括 对空间接收信号源的到达天线阵列的波达方向的估计和智能天线的波束形成，实 现将窄的主波束对准期望信号，并减小干扰和噪声，跟踪期望信号的变化，自适 应调整最优权矢量。 论文分为三部分进行讨论： 智能天线的概述与发展： 上行链路的波达方向的估计和波束形成；分别在阵元空间和模式空间中进行分 析和讨论； 下行链路的波束形成。 在第三章，我们详细讨论了c a p o n 算法、m n m 算法和m u s i c 算法对于独立 信号源的波达方向的估计和波束形成，并比较了各种算法的优缺点。并采用了一 种改进的m u s i c 算法，采用这种算法可以实现对相关信号的波达方向的估计。 在第四章，我们将智能天线转换到模式空间进行分析，使均匀圆阵具有了虚拟 线阵的性质，从而实现了e s p r j l r 算法的应用和前后向平滑去相干。并从阵元数目 的角度研究了算法的计算量对工程实现的影响，提出了两级分组的方向，极大地 蔓= 兰笪丝 3 减少了运算复杂度。 在第五章，针对智能天线下行链路的波束形成比上行链路的波束形成更难以 实现的问题，利用线性功率最小约束方法，实现分别收敛每个期望信号的最佳权 矢量，从而准确地将主波束对准期望信号而不使期望信号受到同信道中其他信号 的干扰。 4 全向型智能天线的性能研究 第二章无线系统的智能天线技术概述 2 1 第三代移动通信的发展 进入新世纪以来，并且在更远的一段时间内，移动通信市场飞速发展，许多 运营商不断将大量投资数字技术这一领域以满足市场高速增长的需求。因此第三 代移动通信系统是第二代数字移动通信系统发展的必然趋势，必将推动移动通信 产业的巨大发展。 第三代移动通信( 3 g ) 系统也叫“未来公众陆地移动通信系统( f p l m t s ) ”， 后由国际电联( i t u ) 正式命名为i m t - - 2 0 0 0 。它是一个以无线媒介作为接入和传 输手段的个人通信网，实现全球无缝覆盖、全球漫游，包括卫星移动通信、陆地 移动通信和无绳电话等蜂窝移动通信的大系统，可以向公众提供前两代所不能提 供的各种宽带信息业务，如高速资料、慢速图像与电视图像等，传输速率高达 2 m b p s ，带宽可达5 m h z 以上。 我国在1 9 9 9 年向国际电联提交了中国的第三代移动通信技术标准建议，即t s - - s c d m a 技术方案，其中一些标准目前已被i t u 采纳。t s s c d m a 基于同步 码分多址( s c d m a ) 技术，结合了智能天线、软件无线电、全质量语音压缩编码 等先进技术，工作于t d d 方式，有更好的频谱利用率，并且支持更为精确的接力 切换概念和系统切换概念。t s - - s c d m a 技术的提出，对于中国能够在第三代移 动通信标准制定方面占有一席之地起到关键作用。 第三代移动通信缩合了第一代和第二代的性能，简化了第二代系统向第三代 系统的过渡，这种结合和演化决定了第三代移动通信技术的多样性和复杂性。其 中最重要的特点是在不同环境里可提供多媒体业务，这不仅能象前两代那样提高 语音业务容量，而且还能将话音、图像等多种业务统一结合起来，使得人们无论 在何时何地都可以自由通信。利用第三代移动通信业务，运营公司不仅可以为用 户提供比第二代更加丰富的业务，而且其方式也比前代更加灵活多样，并且对于 其他各项管理也有了更高的要求。i m t - - 2 0 0 0 的最终目的就是要把包括卫星网络 在内的所有网络集合于一体。从功能作用上取代其他网络的统一体。 第三代移动通信系统能适应各种无线运营环境。图2 1 所示为第三代移动通信 系统的运营环境。从图中可以看到，各种不同的操作环境，从具有极高容量的室 第二章无线系统的智能天线技术概述 内微蜂窝结构到室外的蜂窝结构和卫星覆盖，都包含在第三代通信系统中，使之 具有提供各种业务( 数据、语音以及多媒体) 的能力。系统运行的地面环境包括 商务办公环境、住宅区室内室外环境、市区车载步行环境、地面航空环境、 固定户外环境以及固定高速率传输环境等，其主要特征是周围的环境、运动速度 和数据速率各不相同，导致无线传播差异甚大。无线传播特性主要是指最大传输 距离、总路径损耗预测模型、多径时延展宽、慢衰落统计性能以及最大多普勒频 偏等。这些特性的差异决定了第三代移动通信系统无线传输技术的设计与选择， 从而影响到多址接入技术、射频信道参数、无线覆盖范围、传输的误码性能、调 制技术、信道编码以及交织技术的选择与设计。因此必须充分考虑上述特性的差 异，以保证全球范围设计的共同性，且无线接口的种类应尽可能地少并具有高度 共同性的要求。 2 2 1 智能天线的基本概念 图2 1 第三代移动通信系统框架 2 2 智能天线技术的概述 智能天线是一种具有测向和波束形成能力的阵列天线【4 】。它通过调节各阵元信 号的加权幅度和相位来改变阵列的方向图形状，利用数字信号处理技术，产生空 间定向波束，使天线的主波瓣( 方向图中较高增益点) 对准用户信号的到达方向 d o a 或指向一个特定的用户，并自适应地跟踪用户信号，零陷( 方向图中最低增 益点) 对准干扰信号的到达方向，从而有效地抑制干扰信号，提高所需信号与干扰 加噪声的比值即信干噪比( s i n r ) 。 在移动通信中，传统的f d m a 、t d m a 或c d m a 多址方式通过给多个用户分配 有效信道( 频率、时隙或码道) 来提高系统容量。而智能天线引入了第四维的多 爹 ，【 o |、|，廊噔一 j 7、1 一r 6 全向型智能天线的性能研究 址方式：空分多址( s d m a ) 。采用空分多址技术，智能天线为每个用户提供一个 窄的定向波束，使信号在有限的方向区域内发送和接收，这就相当于在空间通过 物理位置的划分为用户建立双向通信。这种全新的多址接入方式能够增加系统容 量和提高系统性能，理论上分析，在一组相关的天线阵元构成一定几何形状( 如 直线、圆环和平面等) 的天线阵列中，每个阵元都相当于一个传统的全向天线， 形成新的自由度和空间。这样，由m 个阵元组成的天线阵列所能接收到的移动用户 信号能量就是单个全向天线的m 倍，所以简单的阵列输出之和就可带来1 0 1 9 m ( d b ) 的信噪比改善，这样，就可以提高天线功率传递效率，所以智能天线能极大地扩 展覆盖范围，从而增加系统容量；同时还有增加抗衰落和干扰、降低功耗的能力。 在s d m a 中，多个用户可以共享同一信道，这是提高系统容量最有效的方法。对一 特定用户，其他用户信号都是较强的干扰源，要提高系统容量，必须设法降低由 此带来的同信道干扰( c c i ) 。虽然这时各用户占用同一常规信道( 频率、时隙、 码道) ，但是各用户信号经过不同的空间路径到达基站阵列，即具有不同的空间信 道，智能天线可以利用用户空间位置差异，使得仅仅是那些落入波束内的c c i 才被 接收，其数目一般少于智能天线的阵元数，也就是说此时干扰自由度小于天线自 由度。在这种情况下，智能天线可以通过零陷技术将c c i 予以较大程度的消除，使 得干扰降低到期望容限以下，这是智能天线能成倍提高频率利用率和通信系统容 量的重要原因。 在智能天线技术中最复杂的应用是s d m a 。它采用先进的处理技术去锁定和跟 踪固定的或是移动终端，自适应地把发射信号对准用户，远离干扰。采用这种自 适应技术能获得较好的干扰抑制，有可能频率的重复利用模式比标准的固定六角 形的重复利用模式更有效。在本质上，这种系统能够根据多数用户的位置自适应 地进行频率分配。由于s d m a 引入空分多址后的容量改善要远远大于f d m a 及 t d m a ，还具有容量共享等灵活性。可以想象，随着s d m a 技术的成熟，它与c d m a 技术的结合必然会成为潮流和趋势，且可能成为第三代移动通信中多址技术的核 心。 2 2 2 智能天线的用途 智能天线系统的目的是在通过无线电信号的集中发射来提高系统信号质量的 同时，通过提高频率的重复利用来扩大容量。根据覆盖范围所需的可用功率的大 小，对从多个天线接收到的信号进行优化合成，以集中能量发射，增大基站的覆 盖范围，同时延长了手机待机时间。通过控制天线方向图，提高了接收信号的c i 值，从而提高频率复用率，减小簇的半径，增加了容量。通过将来自阵列的信息 合成，可使衰落和其它多径传输中不希望有的结果最小化以降低成本，同时减小 第二章无线系统的智能天线技术概述 信道的有效时延扩展，支持较高的比特率，实现多径抑制。另外，它还可以利用 下行链路中多个天线输入的合成，优化可用的处理增益，降低功放成本，减小功 耗，获得较高的可靠性和功率效率。 用于基站的智能天线是一种由多个天线单元组成的阵列天线。它通过调节各 阵元信号的加权幅度和相位来改变阵列的天线方向图，从而抑制干扰，提高信噪 比。它可自动测出用户方向，并将波束指向用户，从而实现波束随着用户走。它 可提高天线增益，减少信号发射功率，延长电池寿命，减小用户设备的体积。或 在不降低发射功率的前提下，大大增加基站的覆盖率。广义地说，智能天线是一 种天线和传播环境与用户和基站的最佳空间匹配通信。 用于手机的智能天线可以有效地提高通信性能，降低发射功率，减少电波对 人体影响。此外，由于智能天线可以从用户方向和传播时延获知用户位置，它将 是一种不受建筑物阻挡的定位手段，可以为用户提供新的服务，如导航、紧急救 助等。天线的空间分集可以克服快衰落，显着提高通信质量，有时也把它归入智 能天线的范畴。 2 3 智能天线的基本结构 智能天线系统采用全方向性天线单元( 天线单元数为n ) 组成的天线阵列作为 收发天线嘲。每个天线单元后接m ( m 为波道数) 个加权器( 可以调节天线输出信 号的幅度和相位) ，即共有n m 个加权器，这些加权器由自适应波束形成器来控 制形成自适应波束指向用户。每个波道控制相互独立的自适应波束分别指向跟踪 各自的用户。如图2 3 1 所示。 2 3 1 智能天线的一般结构 图2 3 1 智能天线方框国 全向型智能天线的性能研究 智能天线的构成主要包括天线阵列、接收通道及数据采集、基带处理单元三部 分 4 1 。如图2 3 2 所示。 一 叫叫 一 i 矗r j 一 i m 【l “o l1 丁丁；。高速鼙据蛙0 圣 接 i * r 一一b ! 竺l 固嚯 一- 月i 目t 目 ，- i 叫* - l 图2 3 2智能天线在t i ) - s c d m a 系统的结构 在移动通信系统中，天线阵列通常采用直线阵和平面阵。在确定天线阵列的形 式后，天线单元的选择就十分关键。天线单元不仅要达到本身性能指标，还必须 具有单元之间的互耦小、抑制性好以及加工方便的特点。在1 d - s c d m a 系统的基 本结构中，智能天线是由8 个天线单元的同心阵列组成，此阵列的直径为2 5 c m ， 同全方位天线比，它可以获得较高增益。其原理是使一组天线和对应的收发信机 按照一定的方式捧列和激励，利用波的干涉原理可产生强方向性的辐射方向图， 使主瓣自适应地指向移动用户，可达到提高信号的载千比c i r ，降低发射功率的目 的。而上述性能允许更为密集的频率复用，使频谱效率得以显著提高。 接收通道及数据采集部分主要是由射频电路，a d 、d a 变换器和滤波电路构 成，完成信号的高频放大、变频和a d 、d a 转换等，实现射频和基带信号的相 互转换。射频与基带处理单元之间通过一组高速数据总线连接。 基带处理部分是智能天线的核心，主要完成超分辨率阵列处理和数字波束形 成两方面的功能。进行超分辨阵列处理的目的是获得空间信号的参数，这些参数 主要包括信号的来向、信号的调制方式及射频频率等。其中信号的来向对于实现 空分多址和自适应抑制干扰有着重要作用。数字波束形成主要通过调整加权系数 来达到增强有用信号和抑制干扰的作用，它需要收敛速度快精度高的算法支持。基 带处理单元主要由空间处理器、调制单元和解调单元组成。空间处理器包括空间 第二章无线系统的智能天线技术概述 9 特性估值器、参数估值器、上行波束形成控制器、下行波束形成控制器，调制单 元包括一组与终端数目对应的扩频器阵列、下行波束形成器阵列和数字合路器， 解调单元包括一组与终端数目对应的解扩器阵列、上行波束形成器阵列和检验器 阵列。此外还有供每个扩频器、解扩器使用的p n 码发生器。这些基带处理单元在 实现时可由一组数字信号处理器( d s p ) 构成，完成所有基带处理功能。基带处理 部分通过控制与接口单元接至交换系统。 2 3 2 时空信号联合处理技术 智能天线是一个方向图可以动态调节的多波束自适应天线阵列。在一个固定 波束系统中，用户从一个波束到另一个波束的切换是主要问题；而在智能天线系 统中就不存在这个问题。因为天线的每一个波束在蜂窝覆盖范围内动态地跟踪用 户。另外，智能天线系统对干扰和多径信号提供可变的增益，通过在这些方向上 设置零点，可以抑制干扰和强的多径信号。 利用空间和时间分集技术可以减小同信道干扰和符号间干扰( i s i i n t e r s y m b o li n t e r f e r e n c e ) 。智能天线就是一种空间信号处理技术【q 。在时间信号处 理方面，如均衡技术，时域、频域分集接收，凇接收，最大似然接收等已在通 信中得到广泛应用。它们本身也常用于克服多径衰落，提高通信质量。把两种信 号处理技术结合起来，产生一种新的统一的算法。可以更有效地提高通信性能和 处理效率。有的文献称之为两维或三维r a k e 接收。图4 给出一种空间滤波扎u 接收机的框图，它包括n 个天线单元、n 套形成空间波束的加权器和n 个r a k e 接收 机。除此之外，还需一个实时d o a 探测器和相应的控制器，用以产生加权数。 抠h 鳖卜 近卜罾 分集合并器 压 册 图2 3 3 空间滤波r a k e 接收机 1 0 全向型智能天线的性能研究 2 4 智能天线的研究内容和动向 2 4 1 智能天线的研究概述 按智能天线的上行链路和下行链路为分类根据，智能天线的研究主要包括以下 两方面内容：一是上行多用户信号的分离( u p l i n k s o u r c es e p a r a t i o n ) ，即利用空间 信道估计和均衡技术对同一信道中用户发往基站的信号加以识别【7 】删；= 是下行选 择性发送( d o w n l i n ks e l e c t i v et r a n s m i s s i o n ) ，即利用用户的空间方位差异，保证每 个移动台只接收到基台发给自己的下行信号丽不受同一信遭中基台发给其它用户 信号的干扰1 1 0 】。在时分双工( t d d ) 系统中，可以直接通过上行信号的空间特征 ( s p a t i a ls i g n a t u r e ，或s s ) 形成下行波束；在频分双工( f d d ) 系统和其它一些广泛 的应用场合中，需要估计各来波方向，并依据这些空间角度分别形成各个波束， 因此波束形成是智能天线的关键技术。调制单元的扩频器阵列、下形波束形成器 阵列和解调单元的解扩器阵列、上形波束形成器阵列中都要涉及到波束形成技术。 简单地说，波束形成过程就是将阵列天线上接收到的信号变换到基带，然后进行 相应的空间谱处理，获得该信号的空间特征矢量和矩阵以及信号的功率谱估值和 d o a 估值。在此基础上，就可计算信号在各个天线阵元的权值。从而解决波束形 成问题。 信息处理部分是智能天线的核心部分，主要完成超分辨率阵列处理和数字波束 形成两个方面的功能。进行超分辨率阵列处理的目的是获得空间信号的参数，这 些参数主要包括信号的数目、信号的来向、信号的调制方式及射频频率等，其中 信号的来向对于实现空分多址和自适应辛中制干扰有着重要作用。在众多的超分辨 率测向算法中，m u s i c 算法及其改进算法一直占据主导地位，它不受天线阵列排 列方式的影响，只需要经过一维搜索就能实现对信号来向的无偏估计，并且估计 的方差接近c r l b 。此外，使用e s p r i t 算法来解决移动通信中的测向问题也得到 了广泛的研究。 作为智能天线的关键技术的波束形成，其自适应波束形成算法是智能天线技术 的核心。调制单元的扩频器阵列、下形波束形成器阵列和解调单元的解扩器阵列、 上形波束形成器阵列中都要涉及到波束形成技术。简单地说，波束形成过程就是 将阵列天线上接收到的信号变换到基带，然后进行相应的空间谱处理，获得该信 号的空间特征矢量和矩阵以及信号的功率谱估值和d o a 估值。在此基础上，就可 计算信号在各个天线阵元的权值，从而解决波束形成问题。波束形成在算法上要 求收敛速度快，能够实时跟踪用户；精度高，能够让波束精确对准目标；稳健性 第二章无线系统的簧能天线技术概述1 1 好，能够让波束指向目标用户：抗干扰性能好，动态范围大，适应恶劣的通信环 境。目前在移动通信领域中研究的比较多的算法主要有：最小均方l m s 、递归最 d , - - 乘i l l s 和恒模算法c m a 等。值得注意的是基于特征值分解的自适应数字波 束形成算法越来越受到重视，它不仅能很好地与超分辨测向算法统一起来，而且 能自动校正通道不匹配、阵元位置偏差等许多因素所产生的误差，具有很强的鲁 棒性，缺点是计算量大。由于移动通信环境非常复杂，各种算法都有其优缺点， 需要相互并用才能取长补短，使系统的性能最佳。 但是，在波束形成技术中存在着一定的难题。由于无线信道的复杂性，理论分 析与实际系统达到的性能还有一定的差距。波束形成算法的收敛速度也是制约波 束形成的一个重要因素。特别是智能天线的下行波束形成的实现比较困难【i i j 叫“j ， 因为对下行链路的信道响应缺少短时先验知识，而移动通信的信道状况变化极快， 使智能天线不能很好地跟踪用户信号的变化。接收和发送链路中器件的线性特性 对系统的性能有显著影响。为使备用户正确接收，将各路信号的权矢量加权叠加 后同时馈给各阵元，经过空间叠加后发送到期望用户，使智能天线的窄波束的主 瓣对准期望用户，而利用旁瓣抵消干扰。这就是下行链路选择性发送的基本思想。 原理图见图2 4 1 。 i ( t ) h ( t ) 图2 4 1 下行多波束形成原理示意圈 2 4 2 智能天线技术的研究动向 在t d s c d m a 系统中，智能天线是其关键技术。并且我国已将研究智能天线 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，许多专家及大 学正在进行相关的研究1 7 。 我国的第三代移动通信系统基于同步码分多址技术，广泛采用了智能天线和 软件无线电技术。作为系统根基的s c d m a w l l 的现场运行结果，足以证明基于 t d s c d m a 技术的第三代移动通信系统是可行和成熟的。 1 2 全向型智能天线的性能研究 欧洲在进行了基于d e c t 基站的智能天线技术研究后，继续进行诸如最优波束 形成算法、系统性能评估等研究。日本某研究所提出了基于智能天线的软件无线 概念，即用户所处环境不同，影响系统性能的主要因素亦不同，可通过软件采用 相应的算法。 美国的m e 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；a r r a y c o m m 公司也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试验环境；加拿大m e m 舔t e r 大学也对算法进行了研究。 第三章全向型智能天线在阵元空间中的性能分析 3 i 引言 智能天线系统利用阵列天线和阵列信号处理技术将通信资源由传统的频域、 时域扩展到空间域，利用移动用户的空间方位信息提高移动通信系统的传输质量 及系统容量【2 3 1 。因此在无线通信中的干扰消除、有效功率利用、系统容量和无线 传输质量的提高等方面具有明显的潜力。 波达方向d o a 估计是阵列信号处理的一个熏要任务。在基于阵列信号处理技 术的d o a 估计中，均匀圆阵与均匀线阵相比，有着许多优点 2 4 j ，相对于线阵，圆 阵能提供3 6 0 度的方位角信息，可提供俯仰角信息估计，可以实现方位角的覆盖； 均匀线阵方向图在o 度- - 3 6 0 度范围内具有多值性，而均匀圆阵的方向图有唯一性。 另外由于均匀圆阵的圆对称性，使得它在各个方位角上有着相同的方向特性，并 且方向图再阵列平面上旋转时波束的形状不会有太大改变。相对而言，均匀直线 阵只能提供1 8 0 度方位角范围，而且阵列偏离视轴会导致波束变宽。但是相对于 二维平面阵，圆阵形成的波束赋形不如二维平面阵效果好，但是圆阵所需要的天 线单元少，数据量相应也少，处理方法也比较简单，特别适合在较为空旷的区域 使用。移动通信应用中，在宽广平旦的环境下，只需关心用户信号入射的方位角， 可以忽略它的俯仰角。只需要采用一维子空间法对用户信号入射的方位角进行准 确的一维估计就可以了。而在市区环境下仅有方位角往往是不够的，为了同时实 现对信号的方位角、俯仰角估计，需要对用户信号进行空间估计。 3 2 智能天线的空时信号模型 3 2 1 平面阵列的信号模型 智能天线使用- - n 低增益天线阵元，连接在合并网络上。图3 2 1 给出了一个任 全向型智能天线的性能研究 意的天线元阵列。这里，是入射到阵列上的平面波的方位角，p 是仰角。水平面 用目= 7 r 2 表示。 为了简化天线阵列的分析，我们做如下假设： 1 阵元间距足够小，不同阵元接收到的信号幅值相同。 2 阵元间没有耦合。 3 所有入射场都可以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。 向 图3 2 1 确定入射到任意天线元阵列的平面波波达方向的几何坐标系 对于来自( 口，) 方向的入射平面波，入射在阵元m 和原点参考阵元的信号 分量的相位差为 = 届拟。= p ( x 。c o s # s i n 0 + y 。s m s i n + c o s 0 ) ( 3 2 1 ) = 2 万2 ，是相位传播因子。五表示波长，等于e f t , c 是光速，3 1 0 8 m s ， f 是载波频率，单位赫兹。 通常，阵列可以用阵元以任意希望模式组成。不过。阵列更多的是以等距线 阵( u l a ) ，均匀圆阵( u c a ) 或者均匀平面阵列的形式出现，采用共极化低增益元 件，并且取向相同。 一个方向为( 庐，口) 的平面波到达阵列。平面波的调制用基带复包络啪表 示。假设此刻所有的天线都是无噪声等方性，并在各个方向上都是等增益。利用 ( 3 2 1 ) 式，有x m - - - m l x ，等距线阵阵元n l 接受信号表示为 ( ，) = a s ( t ) e 一伽“= a s ( t ) e 一脚“9 ( 3 2 2 ) a 是特有的增益常量。阵列输出信号z ( t ) 表示为： m fm f z ( f ) = w 。“，( f ) = a s ( t ) w i n e 一脚耐“9 = a s ( t ) f ( o ，庐) ( 3 2 3 ) z 0m - - 0 第三章全向型智能天线在阵元空间中的性能分析 1 5 f ( o ，庐) 叫做阵列因子。它决定阵列输出的接受信号可利用性的比例，z ( t ) 表示 信号，a s ( t ) 由参考点测得，( 口，庐) 是波达方向的函数。通过调整权值( w 。) ，可在 任意期望方向将阵列因子的主波束对准来波方向( o o ，九) 。 阵列输出的接收功率为： o ：i 1 ) i z ：丢( f ) 1 2 i f ( o ，甜 ( 3 2 4 ) 在阵列天线中，使用矢量符号是非常便利的。定义权矢量 w = w o w m 1 】“( 3 2 5 ) h 表示厄密共轭转置。 每个天线阵元的信号组成数据矢量 u = u o u m 1 ( t ) 】1( 3 2 6 ) 那么阵元输出z ( t ) ，由( 3 2 5 ) ，可以表示为： z ( t ) - - - w h u ( t ) ( 3 2 7 ) 方向( 0 ，) 的阵列因子为 f ( o ，产、 ，h a ( 口，声)( 3 2 8 ) a ( o ，) 称为方向( 口，矿) 上的导向矢量。如果一个平面波从( 目，) 入射，如图3 2 所示，导向矢量a ( e ，一) 描述了到达每个天线阵元的有效信号的相位和参考点阵元 的信号的相位之间的关系，利用( 3 2 3 ) ，导向矢量为 a ( 0 ，) = i - 1 ，a l ( 口，) a m 1 ( 口，妒) 7( 3 2 9 ) 其中a m ( 口，庐) = e - i p ( h 州s l n ( 9 + h 州s i n ( 廿+ 钿嘣8 ( 3 2 1 0 ) 3 2 2 均匀圆阵的阵列结构 均匀圆阵( u c a ) 几何结构如图3 2 所示口叼。设天线n 个阵元是全向的，均 匀地分布在x y 平面上，圆周半径为r 。为了保证阵元的间距d 不大于处理最高频 率信号波长a 的二分之一，取r = 0 6 5 3 3z 。用球形坐标( 以复数形式表示) 系统用来 表示到达平面波的方向。球坐标的圆点在阵列的中心。信源俯仰角0e 【0 ，万2 】， 由z 轴测量，方位角庐【o ，2 x 】，从x 轴的反时针方向测量。阵元n 由一个角度 以= 2 n n n 取代。矢量方位表示为p 。= ( r o o s t 。，r s i n r , ，0 ) 。考虑一个窄带平面波 1 6 全向型智能天线的性能研究 的波数k 。= 2 a z ，只为俯仰角，谚为方位角。用笛卡尔坐标( 用 复数 ) 表示 r ， r = ( s i n o c o s ，s i n o s i n # ，c o s 0 ) 。 = e “仉= p 鼬”8 。叫一“= e 7 叫4 一，善= k o r s i n o 。阵元空间的圆阵阵列流形矩 阵表示为 口( 口) = d ( 善，妒) p 片。o 吖，一h ) p j 细h ) ( 3 2 1 1 ) 其中，俯仰角依赖于参量f ，矢量口= ( ，矿) 表示信源的到达方向。 图3 2 2 均匀疆阵示意图相位羞 阵元接收的噪声为加性高斯分布，不同阵元噪声为平稳随机过程，独立同分 布。空间信号源为零均值平稳随机过程，它与阵元噪声相互独立。 信号源数k 小于阵元数m ，信号的取样数n 大予阵元数。信号源为窄带信号， 即信号通过天线数组的时间远远小于信号带宽的倒数。 考虑入射信号为远场窄带信号，且以0 角入射到天线阵，天线阵的输出x i ( t ) 可以简单的表示为， ， x i ( t ) = s ( t ) e 。了州”+ 托( r ) ( 3 2 1 2 ) 如果用向量的形式来表示x ( 铲【x l ( t ) ，x 2 ( t ) ，x s 0 ) r ，其中t 为转置运算，然后 可知： x ( t ) = a ( 秒) s 0 n 0 )( 3 2 1 3 ) 其中a ( 口) = 扣一一2 - mo s o ，。一2 - m 、b2 w a ) ，。- j 等聃! ! 芈】t ，为信号s ( 1 ) 的方向矢量， 而加性噪声矢量为n ( t ) = n l ( t ) ，n 2 ( t ) n ( t ) t 。如果有k 个窄带信号源同时入 射到天线阵列，其入射角分别为巩( k _ l k ) ，然后阵列的输出为 第三拿全向型塑能天线在算元空间主的性能分析1 7 x ( t ) 2 a ( o d s 女( r ) + ( f ) ( 3 2 1 4 ) k = l 用矩阵的形式表示为： x ( t ) = a ( 臼) s ( t ) + n ( t )( 3 2 1 5 ) 其中a ( 0 ) 是到达天线阵列的接收信号的阵列流形， a ( 0 ) = “01 ) ，a ( 02 ) ，a ( 0k ) ( 3 2 1 6 ) 那么阵列输出向量的协方差由 r x x = e x ( t ) x ”( t ) = a ( 臼) 咫。a “( 臼) + k 。( 3 2 1 7 ) 给定，h 为共轭转置运算，其中r n n = e n ( t ) n “( t ) 为加性噪声的协方差矩阵， r 。= e s ( t ) s “( t ) 为入射信号的协方差矩阵。 3 3 超分辨角度估计和波束形成 在空间谱估计技术的发展过程中，为了突破线性谱估计受瑞利限( 注：当干 扰信号和所需信号的入射角之差小于天线的波束宽度时，虽然可以使用零点技术 使干扰处于零点位置，但波束的主瓣指向已偏离了所需信号的d o a 方向，引起角 度估计的误差增加，这就是瑞利限。) 约束的缺点，提高角度分辨率，许多非线性 的超分辨算法被相继提出。其中最典型的代表是由s c b m i d t ( 1 9 8 6 年) 提出的多重 信号分类法m u s i c ( m u l 却l es i g n a lc l a s s i f i c a t i o n ) 和由r o y 等人提出的旋转不变 技术的参数估计法e s p r i t ( e s t i m a t i n gs i g n a lp a r a m e t e r sv i ar o t a t i o n a li n v a r i a n c e t e c h n i q u e s ) 。但是e s p r i t 不能直接用于均匀圆阵，需要进行一定的转换，这将在 下一章再叙述。 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。因此可用软件设计完成自适应算法更新，以在不改变系统硬件配置前提下， 增加系统灵活性。波束形成方法一般有两种：阵元空间处理方式和波柬空间处理 方式。 阵元空间处理方式这种方式按收信号采样，直接对各阵元进行加权求和处理 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。 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1 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 波速率；第2 级对第1 级的波束输出进行自适应加权调整后，合成得到阵列输出。 全向型智能天线的性能研究 此方案仅对全部阵元中的部分阵元作自适应处理，属于部分自适应阵列处理。其 特点是计算量小，收敛快，波束保形性能良好。 智能天线技术在实现过程中可采用不同算法，根据是否需要发射端发送参考 信号，自适应波束形成算法可以分为盲算法和非盲算法两类，非盲算法基于发射 端发送的时域参考信号，主要有最小均方算法( l m s ) 、递归最小平方算法( r l s ) 和采样矩阵求逆法( d m i ) 。盲算法不需要发射端发送参考信号，可节省发射带宽， 提高频谱的有效利用率。 3 3 1 独立源算法 先假设入射到天线阵的k 个信号是相互独立的源，并且以不同的入射角入射， 如果对应于不同的入射角的方向矢量彼此线性独立，那么显然a ( o ) 是非奇异的， 即r a n k ( a ) = k 。如果信号源相互独立，并且快拍采样远大于天线阵元数，那么凡。 = e s ( t ) s “( t ) ) 非奇异。 3 3 1 1 c a p o n 最小方差法 c a p o n 最小方差法使用一些( 不是全部) 自由度在期望观测方向形成一个波束， 同时利用剩余的自由度在干扰信号方向形成零陷田j 。此方法使输出功率最小，达 到非期望干扰的贡献最小的目的，同时增益在观测方