（电路与系统专业论文）信道参数估计与空时多用户检测的研究.pdf

摘要 一信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 技术韵起了人们极大的关注。c d m a 系统是干扰受限系统，接收机的设计是一个 很重要的问题。如何消除信道干扰( c c i ) 、多址干扰( m a i ) - 与多径衰落的影响成为 首先我们提出了两种高斯慢衰落信道环境中堡塑燮估计方法。将信号子空 间方法和独立分量分析方法分别应用到信道参数估计中。仿真结果证明了两种方 法的良好性能。 第二部分将阵列天线用在接收机中以改善系统性能。通过对传空时统接收机的 分析，在降低系统复杂性的基础上提出一种简化的空时接收机；并利用d s c d m a 系统采用的扩频波形的特性，提出一种适合于直扩系统的数字波束形成算法。改 善了接收机的检测性能。 本文的工作得到了国家“8 6 3 ”计划和国家自然科学基金的资助。 关键词：多用户检测智能天线码分多址独立分量分析 a b s t r a c t w i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n t o fg l o b a lc o m m u n i c a t i o ns e r v i c e ，w i r e l e s sm o b i l e c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yr e g a r d e da sf u t u r ep e r s o n a lc o m m u n i c a t i o nm a i nm e a n si s r e c e i v i n g m u c ha t t e n t i o n c o d ed i v i s i o n m u l t i p l ea c c e s s ( c d m a ) s y s t e m s a r e i n t e r f e r e n c e l i m i t e d s ot h ed e s i g no ft h er e c e i v e ri sv e r yi m p o r t a n t h o wt oe l i m i n a t e t h ec c i ，m a ia n dm u l t i p a t hf a d i n gb e c o m e st h ee s s e n t i a lf a c t o ro fi m p r o v i n gs y s t e m p e r f o r m a n c e m u l t i u s e r d e t e c t i o na n ds m a r ta n t e n n aa r et w o i n s p i r i n gk e yt e c h n o l o g i e s t h ee s t i m a t i o no fu s e r s e q u i v a l e n tw a v e f o r m ，m u l t i p a t hf a d i n gi n f o r m a t i o na n dt h e a p p l i c a t i o no fa r r a ya n t e n n ai nt h er e c e i v e rc a nb ea d d r e s s e di n t h i st h e s i s t h em a i n t a s ki ss u n l l n a r i z e da sf o l l o w s ： f i r s t ，t w oe s t i m a t i o na l g o r i t h m so fw i r e l e s sm o b i l el o n g t e r mf a d i n gc h a n n e li n a w g ne n v i r o n m e n ta r ep r o p o s e d s i g n a ls u b s p a c em e t h o da n di n d e p e n d e n t c o m p o n e n t a n a l y s i s a l e a p p l i e d t ot h ee s t i m a t i o np r o b l e mr e s p e c t i v e l y s i m u l a t i o n sv e i l f yt h e e f f e c t i v e n e s so ft h e s em e t h o d s a r r a ya n t e n n ai si n t r o d u c e di nt h er e c e i v e rt oi m p r o v es y s t e mp e r f o r m a n c ei nt h e s e c o n dp a r t a p a r tf o r mt h ea n a l y s i so ft r a d i t i o n a l s p a c e - t i m er e c e i v e ，as i m p l i f i e d s p a c e t i m er e c e i v e ri sp r o v i d e do nt h eb a s i co ft h ed e c r e a s eo ft h es y s t e mc o m p l e x i t y u s i n g t h ep r o p e r t yo ft h eu s e dw a v e f o r mi nt h es y s t e mw ei m p l e m e n tan e w a l g o r i t h m a d a p t e d t od s c d m a s y s t e m w h o s e p e r f o r m a n c e i sp e r f e c t t h ep a p e ri ss u p p o r t e db y “8 6 3 ”h i g h t e c hp r o g r a ma n dn a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c e f o u n d a t i o no fc h i n a k e y w o r d s ：m u l t i u s e rd e t e c t i o n ；s m a r ta n t e n n a ；c o d e d i v i s i o n m u l t i p l ea c c e s s ； i n d e p e n d e n tc o m p o n e n ta n a l y s i s 第一章绪论 觯绪论 类发i 琵至0 现在，已缁挂 了信息时弋。每个人舸能目鄱棉曲蝠；和其他她方的其 他 交流信启。这就是个 通信所要实现的目标。最近，移动通信服务正以迅猛的速度渗 透到我们的日常生活中。至今为止，移亏掘信已经和正在经历着三代演变。第代删 移彩百信系统，其成功的代表有北美的a m p s ( i s 一1 9 ) 系统，英国的t a c s 系统和北欧的 n m t 。这代系统以话静 输为主，技术e 采用频分多址( f d m a ) ；第二代系统的代表 有北美的d - 舢m p s o s ，5 4 ) 和q - c d m a ( i s - 9 5 ) 系统，日本的3 d c 系统和欧l i i 的g s m 系统。 这代系统不f 旦史帛酿 传渝，同时挺蒯岛塞的数据业务，技术e 转向时分多址( t d m a ) 或吗分多址( c d m a ) 。随善燃荆言号处理技术和专用集成电路( a s i c ) 的发展，这些系统 成为基于数字技术的系统。除射频外，它们的功能拢村陕央是由数字处理单元州耐 来实 现的，因此也被称为数字移动通信系统；第三代将是未来公共陆地移动通信系统 ( f p l m t s ) ，为了满足 们日益增长的业务需求，它将具确耸剩汐酸勤暑游系统和支持多媒 体业务的能力：快摩膨努砖臻螭浓瀚速率达1 4 4 1 d g s ，步行环境最- 薪墓率达3 8 4 k t ：c s ，室 内环燃速鞑2 m b s 。另外，它需酗夥滴服务贯量；i 砸毪蜾割蝣。它还可以提供 未来刁硼见的业务能力，即具有多谴辫甜e e 能。 自力十年代以来，伴随i m 7 2 0 0 0 标准f 二工作自蝴亍，第三代防办蓖信拱沭和系统的 开发成为移动通屉i 最热门的话题。目前的翻鲂案型鲥列舌欧洲提出的w - c d m a ，北美 提出的e a m a 2 0 0 0 ，中国提出的t d - s c d m a 等。 1 1c d m a 技术在移动懈统中的应用 多址技术是贞线个 通信酌核心技术，也提辱磁泊瞧点之一。它可以被认为是_ 。t 、滤 波问题，许多用户可以同时使用同频潜，然后采甩不同的滤波带哪聿他处理技术，使不 同用户的信号互不干扰地分别被接收和解凋。选用哪种多址方式直接黝向到系统的频谱 利用率、系统容量、小区结构、设备的复杂度及廊谇等。 目前用到的多珏匕扔盎醴荽有h ) 队( 频分多址) 、t d m a ( 时分豸囊吐) 和c d m a ( 码 分多址) 三种。其中f d m a 是第啦翩黼系统的杨0 技术。它心恿信系统的剧群敲0 分为若干个等间隔的频段，每们爵活用户占有其中个频段进行通信。t d m a 是第二代数 字蜂窝系统的主流技术。在t d m a 中，- - 5 4 b i | 1 1 司期被划分为灌哥叶 时隙，移动台只在指 定的时隙内发送稻剖殳信息。 c d m a 是近年来用于数字蜂窝移亏嗵信白争撇的无线扩牺百信技术。它能够满 足高容量、廉价、高效的移动通信的需求。在c d m a 系统中，不同甩户传输的唐号刁弓是 信道参数估计与空时多用户检测的研究 靠频率不同或时隙不同来区分，而是靠用不同的编码序列即扩频码来区分。这些编码是大 型的伪噪声f y r j ，将信号频谱扩展至很大的带宽，同日邯纠氐了信号的频谱密度。如果从频 域或时域来观察，多个c d m a 信号是互相重叠的，不同码型的c d m a 用户占据相同的带 宽，彼此看起来象是随机噪声。它们的存在类f 以于在信道中引入了噪声或干扰，通常称之 为多址干扰。 扩频通信可以采用直接序列( d s ) 、跳频c f h ) 、跳时( t h ) 及其组合( h y b r i d ) 等 方式扩展信号铡普。快跳频扩频方式在军事e 被广泛采用，然而由于这种方式对频带的利 用率；f 氐，在商用蜂窝系统中很少采用。在移峁置信及个 通信网络中般采用直扩码分多 址方式，扩频码可以是确定眭的短晒职也可以是妫随机码( 长码，其周期远远i 大于个符 号周期) 。目前的c d m a 系统如i s - 9 5 中，采用的是长码，在将来的c d m a 通信系统中将 会考惑使用短码。 1 1 1 直接序列码分多址( d s - c d m a ) 的优势 l 通信容量大 根吲邮6 理论，个崮蓖吲言道容量完全由信遭特日缺定，但在实际系统中很难u 达 理论的睛况，不同的多址方式将有不同鲫置信容量。理论分析表明，在同样的条件下，采 用d s - c d m a 方式的小区容量是采用数字t d m a 或f d m a 方式的容量的4 6 倍，是采 用模拟f m f d m a 方式的容量的2 0 倍。 2 可以与视距微波通信共享个频段 为解决频段拥挤的矛盾，一方面要积极开发更高的频段，另方面要充分利用现有频 段，使之发挥更大的效益。在d s - c d m a 系统中，信号经过扩频处理后，单位频带内的功 率很小，故对窄带用户的干扰很小。同时考虑至崂燧磷见足懒的特点：波束方向性好、收 发台远高于地平面，所以两个系统可以共甩0 、频段，而不致于造成明显的相互干扰。 3 能充分利用话音的统计特性 d s - c d m a i 系统的容量是受干扰限制的，任何消除或减小干扰的方法都能直接转化为 系统容量的提高，大量的统计表明人们在打电话时，约有5 8 的时间处于听的状态，只有 3 8 的时间在讲：话，如果采用间断传输技术，则系统中的多址干扰可以减! 一半以上，从 【f i 提高了系统容量。 4 ，更适合于在霭群撇中传输 信道中的，陕衰落主要由多径传输引起，同卟椎污燃不同的路径到达接啦端，由于 各路僻i 的相位、时延及强度的随饥变化，使得接4 则艏号自g 强度、相位随阴变化，严重 第一章绪论 地影响传输的可靠性。在d s - c d m a 系统中，当多径时延大于个切普间隔时，多径信号 间的互相关f 则、，从而对系统 生能的影嘶剐、。 5 平滑的越区切换和有效的宏分集 d s c d m a 系统中e i 有小区使用相同的频率，这不仅简化了频率规划，也馘自区切换 得以平 院或。每当移动台处刊、区边缘时，同时有两价司两个以上的基站向该移动台发 送相同的信号，移动台的分集接收机能同时接收、合并这些信号，此时处于宏分集状态。 当某基站的信号强于当前翟巍惜且稳定后，移动台才切换到该莲黼的控制上去，这种 切换可以在通信的过程中平滑完成，称为软切换。 6 通信容量的软特眭 在t d m a 系统中，系统可同时使用的用户是固定的，要多加个用户是不可能的， 此特| 兰e 称为容量的硬阻塞。在d s - c d m a 系统中，多增加个用户，只会使通信质量略有 下降，不会出现硬阻塞现象。 7 低自饰事弛捐谱密度 ， 在d s - c d m a 系统中，信号谚辟被扩展到比自身频哺嘣甥移潞以上的频带范围，因 而其功率谱密度大为降低。由i h ，可得到两方面的好处，其一，具有较强的抗窄带干扰能力。 其二，x 摔带系统的于_ 晰艮j 、，有可能与凇统财胁设。 除了以th 。慕冼势外，d s - c d m a 系统还有不需要时间保护间隔、不需要复杂的频率 管理、便于从模拟方式向数字方式过渡等优点，这些优点使d s c d m a 成为新叫弋以及未 来介 通信中塌澳甬鼋 争力、塌洧前景的无线垂制e 技术。 1 1 2 d s c d m a 系统中存在的问题 d s - c d m a 虽然有e 述的优点，但是它曲每笛静r i 的缺点。由于d s - c d t 蛆系统使 用的扩频码集叫籽刊酽吲 正交，非零互相关系统会引起各用户间的相互干扰( 称为多址 干扰) ，在异步传输信道以及多径传播环境中多址干扰将更加严重。多址干扰的存茁带来两 个问题： 系统容量受到限制。随着同e t 搬人系统用户数的增加，检澳雌睛e 随之下降。因此，减 小多址干扰将增加系统的容量。 “远近效应”严重影响系统性能。由于移动用户的位置不断变化以及深衰落的存在， 使得基站接收到的各用户信弓动率可能相差很大，强信号对弱信号产生明显的抑制，使弱 f 青号的接收性嗡断艮差甚至9 舀去通信。 要在复杂的移粕恿信环境f 晴限的频榭餐源下实现个 通信这个最高目标，主要需要 信道参数估计与空时多用户检测的研究 克服以下三个因素的限制： 1 ) 多径衰落。这是由于信号经过不同的路径到达接l i 女冼几，因为天线位置、方向和极化 不同，导致接收信号韵幅度、相位的起伏变化造成的。为了保证给定的通信质量，不得不 增加信号功率，这就会直接影响系统容量。 2 ) 时延扩展。由于不同路径的信号有不同的传播时延，当时延超过检澳蛆永冲符号宽 度的1 0 t 1 ，就会存在明显的码间4 眺g s i ) ，从而限制了移动通信的数目 速率。 3 ) 多址干t o i ( m a i ) 。多址干扰来自于本小区和相邻小区其他用户的干扰。它随着小 区内信道数目及用户信号功率的增加而增加。 1 7 4 止l d i - 7 g d i l 系统容量、缓解刳1 1 1 ：扰的影响成为一个引人注目的课题。抑制二f 扰的方法 i 二要有：采用多用户检测技术、设计具有互相关系数尽可t t i , 的扩频码集、功率控制( 如 目前的商用i s 一9 5 系统) 以及采用纠错编码或扇形天线。当前，移动通信中用于抑制多址 干扰和码哥f 扰的信号处理技术主要分为两个方面：多用，户检测技术和空日赫i 号处理技术。 j 鼎技术的侧重点不同，多用户检测技术充分利用扩展波形引人的结构来进行处理，空时 信号处理技术主要采用阵列天线，充分利用空时二维信息来增强c d i v l 6 l 系统的i , a - f i b ，它 们的最终目的都是为了更好地检测出期望用户的信息。 1 _ 2 多用户检测理论的研究概况 由于多址干扰不同于白噪声，即多址干扰不是完全随机的，而是具有定的结构特陛， 多用户检测技术的基衣思想就是利用各个用卢的扩频码、时延、振幅和相位信息，从总体 i 铼降低各个用户的误丹陛能。 c d m a 系统是干扰受限系统，它的容量和| 生能主要受到多址干扰的限制。接收机的 没计是一个重要的问题适当地抑制多用户干扰，可以显著提高系统的眭能和容量。当然 也可以将多用户干扰作为加性噪声处理，采用单用户接收中的传统匹配滤波器。传统的检 测器将哇目匹配滤波器的输出直掘糍到拳怯潞中街l 恪用白的检测信号，如果各个用户 的扩频码之间是正交的，传统检涣帽乳到邑暖佳检钡幡；，这氆提在吓彳亍 连路中同小区的用户 同步，且采用正交扩频码的原因，然而异争或时延将破坏扩频码之间的正交陛，因此需要 对匹配滤波器的输出进行进一步的处理。多用户接收方案所带来的陛能增益，吸引了通信、 信号处理以及f 毒息理论领贼的巨大硼究热隋。例如，在划1i 汀r s 宽带c d m a 力案中， i 十戈4 用户数仅为5 0 个，对于扩频增益为2 5 6 的系统而言，5 0 个用户仅占可容纳用户数的 2 0 。在采用精确功率控制的晴况下，这样个系统能达到的信干比为7 d b ，系统可以正 常运行。如果采用了精确的多用户检测，负载量则可以达到1 0 0 ，这种容量的提高是相 当可观的。 多用户检a l j 是抑制多址干扰的一种主要手段，又称为联合硷醒0 或干扰抵消方法，它可 第一章绪论 以莅场诱船翮基站采用，也可以在下行琏路中的移动台使用。基站接收的各个用户是异 步的，经过不同的多径信道，同时基站般已知本小区所有用户扩频移u 、时延及信道参 数。而移动台股仅知道自己的扩频码等参数，而目移动台般仅受到相邻的几个其f 削、 区的干扰，同小区内的其他用户的干扰与其本身信号是同步的。由于移动台受体积、功耗 等因素的限制，处理能力有限，因此多用户检测技术主要在基站采用，而且，多用户检测 通常用来抑制本小区内的干扰，而不能抑制相邻小区的干扰。当蜂窝系统的频率复用因子 为l 时，相除刚、区的其他用户的干扰通常是本小区干扰功率的5 0 ，因此即使可以完全消 b 捌叫、区的干扰，依然存茁相当量的刚、区干扰。即使考虑到这些因素，多用户检测仍然 可以大大提高系统的容量和f 生能。 多用户检测理论研究在八十年代以前还e e 较少，直到1 9 8 6 年，s v e r d u 利用对数似然 函数的可分解性，证明了d s - c d m a 系统中的最优多用户检测器可以由匹配滤波器组后接 t e 巾i 译码器构剧”。该检测器的提出显示了c d m a 系统巨大的容量潜力和性篚政善 替| 力， 使多址干扰抑制问题引起学者们的注意。然而由于最优多用户检钡蜡车i 去的复杂度随系统中 的用户数成指数关系增长，当用户数较大时运算量非常大，以至于在现阶段还难以实用。 但是v e r d u 的工作为进一步的研究奠定了理论基础，促使 们去寻求复杂麽嘲氐、性能上 优予传统睑濒女器的备m 雉融哆用户检觏蠕。 根自靴蘑己j 裁磕；器输出的处理方式，次最篼多用户检诹蚶沭可以分期鳓蝣蝴0 和j e 线 性检测两大类。线性睑测算法包括解相j 毓l 测、最d 澎掳豫差检测和最彤必莹检测等。非 线懒0 主要刨舌并行( 或串行) 干扰瓣肖算法、判决反= 赍刊艏鼎算法以及各种神经网 络多用户检测算法。 在线性j 多用户柱碧潞中，匹甑期渤跨黼出经翅l _ 1 吲摊留擞阵然后再送入笋决设 备。1 9 8 9 年，r l u p a s 等 首先提出解相关f 佥测器刚，它的线性变测郾鞍；各用户扩频码 日募：舞| 玛珀每逆阵。解稍皂检澳! 曙晕其牟 最堆目亢逦五匠e e 能，隹e i 菲刁毫受干扰用户侣弘多弓肇事t g 影响， 但与此同时背景噪声被敬大，在低信噪比i 青1 t ，其误码辛耐蝴酾玲b 会劣于传统检测器。 针x 按一问题，在1 9 9 4 年，u m a d h o w 等煺出和分析了另稚螺一最_ 均方误 差( m m s e ) 检测# ，这种检测器在消除多址干扰与噪声放大之间取个较好的折衷。 检钡蹴甥等仔横行f r 滤稆曙s 结构，j 副峪蒹宁列时，可以自适应j 荽现。对于用户的扩频雨马线 性相关时，解相关检钡崤翮稿b 威：立，而m m s e 检钡蝽豺蒯 ! 可以存在。线性检测器也可以 直接对输 信弓趔彳亍女b 理，因j 比也可以用在移动台中。 非线眭多用户检黜髟糨己称为干扰抵消技术，大量有关的 ：作着重亍多级( 或串行干 扰抵消) 算法。1 9 9 0 年，m i c v m a n a s i 提出并分析并行干扰抵消( p i e ) 技术( 又称为非 线性多级检测) 1 7 】，它假、发其他用户的信号是巳知的，在每嘲中所有用 白同i t 寸m 输 信 号中减去干扰信号后，对需要检测的信蜀斯碓勋啪删p 睑测。随后p p a t e l ( 1 9 9 4 ) 提出串 行于扰瓣肖( s i c ) 算 去圈。这阮删酮户信号肓跬嚏减利i 颐扁新亍彳沌嗍消逝陧，每 级只处理某个用户的信号，将接【i 芟1 著勖既娟厶面已经检澳挝的强用刷占睛挣估计值， 信道参数估计与空时多用户检测的研究 f 导到本级用户的榆测信号。a d u e l h a l l e n 于1 9 9 3 年提出判决反馈干扰抵消算法n 将用户 按功普避7 j 戎- j l b p i j ，通过刈扩频相关矩阵进行c h o l e s k y 分解和线| 生变换，使每个待判决吲言 l 圳1 又包含已判测吉号对它的影响，再采用s i c 方案，去除这些干扰。然而，所有的干扰 抵消算法都假设前面的判决是正确的，但当前面的判决出现错误时，将出现“锚误传播” i 日题，i 遂方案自廿陛能将会大大恶化。为了解决这一问题，1 9 9 1 年，m k v a r a n a s i 提出 用解相关检测器的判决作为干扰抵消算法的初始值，这种方法可以提高干扰抵消算法，但 增加了太大的复杂度。d d i v s a l a r 等人1 9 9 8 年提出一种改进的并行干扰抵消算洌，在仅 增加很少的复杂度隋况下很好地解决了这个问题。f 也仃拟为前面的判决不很可靠，因此只 是部分地减去干扰，随着判决i 廉胜地增加，减去更多的多址干扰。 近年来，神经网络多用户 ：佥l 则器引起人们的重视，b a 她( 1 9 9 2 ) 等人首先提出 一种用多层感知器神经网络实现多用户榆则器的思想嘲，但多层感知器的权值需要通过训 练获得，而且多层感知器的硬件复杂度随用户数呈指数增长。u m i l r a ( 1 9 9 4 ) 提出种用 径向基函数神经网络实现的多用户检测器1 1 0 l 。最近g k e c h f i o t i s ( 1 9 9 6 ) 等人提出一种基于 h o p f i e l d 神经网络( i n n ) 多用户检测别川。这种检测器利用h o p f i e l d 神经网络的并行处 理能力完成多用户检测器的快速实现。然而当用户数增加或用户间互相关系数增大时， h n n 检测器的误码率瞰b 明显降低，难以逼近最佳多用户检漫船的f 生能。 与只需要已知本用户信息的传统检测器相比，e 述检测器需要已知诸如召个用户的扩 顿码、时延、用户功率、信道参数等系统参量的准瞻倍计，对于异步系统、存在多径或信 号功率不断变化的隋况下，得到这些信亩、有时销畏困难的，多用户检澳m 器的没汁懒口复 杂。以前的工作的重点主要是针对理想的高斯加陛白噪声提出些算法与结构，近来信号 叟臼塑领域的工作则主要毛黾着q 戈些自谴班芷方法，盼侧佥i 贝i 曙骗旨够根据焉琶充垂司旺边女亍自猢 整，这些算法包括依靠洲练序列的自适应算程戒是盲算法。u m a d h o w 等人提出的最小均 方误差检测器，司以根据 i l g t ：澎l j 适应地抑制多址干扰。但是在固定地带宽下，发i 羞训 练序歹巾 每俐氐f 善眇电f 鞠翁速率，特别是稠多彩豳信中，信遭特陛变化快，需要经常发送训 练序列。近年来，针对这一问题，学者们提出了不需要i i | 练膨0 的盲多用户检测技术，可 有效地抑制多址1 二扰。m h o n i g 等人( 1 9 9 5 ) 提出的最小输出能量法仅要求知遭睑测用户 的扩频序列”a ，以检汉0 器输出自髓捌州，作为目标函数，可采用各种自适应滤波算法凋整 检测器的参数，减小输出信号中的多址干扰。x w 姐g 等人( 1 9 9 8 ) 提出予空间盲多用户 检测算法删，利用输入信号的广义循环平稳特陛，对输 数据的二阶统计量矩阵进行子空 间分解，将输入青号投影到信号子空间匕进行处理，这种方法不需要已知任何用户的扩频 序列。 很多多用户检测技7 陪陆辅朗蝴鲍鹁例嘲蒯翻州岛糸牛下得到的，在存在多址干扰 的情况下，进行商重复骷椎升，提高倍汁的正确性是近来多用户检测技7 i 研究的个新问 题。 目前将前向i 屿音编码、天线分集技术与多用户检测结合起来也是研究f 驹- - 叶 ：h - 向。在 第一章绪论 单用户信道中，采用纠锩辋或惑幽释腺翱马率，据副佥i 贝惝。在多用户信道 中，将引门与多用户检汉i 障合盘起，可瓣步提高系统吲蟑，而目在达到同样瞰 的要求下，可以降艮痢醣妇例扮集的复杂度。 1 3 智能天线技术 智能天线原名自适应天线阵列，最初应用于雷达、声纳、军事方面，主要用来完成空 域滤波和定位，大家e 礴蟋的相控阵雷达扰是一种自适应天线阵。移彩恿信阮谳应用 于移动通信的自适应天线叫做智能天线，英文名为s m a i t a n t e n n a 。 阵列信号处理的发展史最早可以追溯到2 0 世纪4 0 年代的自适应天线组合技术，它使 用锁相环进行天线跟踪。虽然早在1 9 7 8 年就已在军事逦詹系统中使用了自适应天线，但在 民用的蜂窝式通信中使用天线阵列却只是在1 9 9 0 年才开始的。近2 0 年来，阵f 吖蒂致b 理 作为信号处理的个熏要分支，在通信、雷达、声纳、地震勘探、射电天文等领域获得了 广泛应用和迅速发展。阵歹f 睹号处理的最重要应用包括： 1 信( 号) 源定位一确定阵列到信源蒯印角和方位角，甚至距离( 若信源位弓逝场) ； 2 信源分离一确定备懈发神吲掣 波形。各f 懒从不同方向到达p 锣j j ji 塞事 实使得这些詹号波形得以分离，目跗弦抑1 御抽蚜醐瑚b 尉勤口的； 3 信遭倚十一确定信源与阵列之间的传黼的参数( 多径参数) 。 阵列信号处理的主要问题包括：波束形成技术一使阵列方向图的主瓣指向所需的方向； 零点形成技术一使天线的零点对准干扰方向；空闭髫 f 占计一对空间信号波达方向的分布进 行超分辨估计。 阵歹攻豳到吾爽善蜂窝乘除 、通信月民务系统质量、疆b 毓围和容量锇| 制明有力的工具。 实际感兴趣的阵列处理是将接收天线p # 列用于匕行连接。多个接收天线能够收集更多的信 号能量，若天线在空间足够分离戈睽f 匕各异，则多个天线能够提侈斩勋珀够涛辫敝，并抑 制多径传输引起的衰落。这些好处可以扩大基站的覆弑围，改善通信质量。 顾名思义，自适应天线阵由多个天线单元组成，每个天线后接食自印| 叉器( 即乘以 某一个系数，这个系数通常是复数，它既调节幅度又调节相位，在相控阵雷达中只有相位 可调) ，最后用相n 暑蹦扦i 合并，这种结构的智能天线只能完成空域处理州同时具有空域、 时域处理能力的智能天线在结构匕相对复杂些，每个天线唇韵删昏似鲷抽自头加权网( 结 构上与时域f i r 均衡器相同) 。自适应或智雏构主要含义是指这些力髋嫂黼以适当改变 或者自适应调整。匕面介绍的其实是智能天线甩隆赛蛾时的结构，当用它进行发郴寸 结陶 需要稍作变化，加权器或b 杉阑络置于天线之前，也没有相n 合并器。 假设满足天线鸺精哜崭静条件，即某_ 人身寸隹泻瑶薛筘鬯戋单元的口惠直只有相位岩淠而没 有幅度变化，这些差异由人射信号到达各天线所走路径的长竟差；决定。幸孰射信号为平面 波( 阵列天线处于信号源的远场) ，则这些柑鹾由载波波长、入射角度、，毪啦置分布唯 确定。给定组加【权值、一定的人身寸信号强度，不同入射角度的信号由斤在天线间的相 _ 一 羔j 量堕堡塑堕! ! ! ：墼堕墨望! 堡型塑堑窒 位差不同，合并后的输出信号强度也会不同。 以入射角为横坐标，对应的智能天线输出增益( d b ) 为纵坐标所作的图称为方向图，智 能磁的方向图不同于全向天线( 理批寸炉直线) ，丽蚴向悃谶的方向图，即有 主瓣、副瓣等，但相比而言智能天线通常有较窄的主瓣，较灵活的主、副瓣大小、位置关 系和较大的无线增益，另外和固定天线的最大区别是：不同的权值通常对应不同的方向图， 我们可以通过改变权值来选择合适的方向图，即天线模式。 下面来解释一下何渭合适的方向图，为了最大限度地放大有用信号，抑制干扰信号， 撮直弼哟是我们可以将主嗽d 准有用信号的人疑防向，而将方向图中的最低增益点( 被称 为追零) 对准干扰信号方向。当然这只是理想隋况，实际的无线通信环境是很复杂的：多 二f 扰信号、存在多径传输，天线阵元数不会很多( 有限的自由度) 、有用信号与干扰信号在 a i i - 2 向上差异可能不大等等，这些都使得前面的方案并不可行，但追求最大信干燥比 s i n r 依然是髅目标。智能跫戋的实际卫怍赌z e 吐面介绍的复杂，特别是当进行空、 时联合处 | 里日寸，这时壤锊是丛信号处理、特镕q 是自适应滤波角度解释。 移动通信信道传输环境比较恶劣，多径衰落、聃延扩展造成的符号间串扰、f 7 ) m a 与 1 i ) m a 系统由于频率复用引入的同信道干扰、c d m a 系统中的多址干扰等都使链口能蟾e 、 系统容量下降，我们所熟知的均衡、码匹配滤波、r a k e 接收、信道编码译码技术等蕾隐 为了消除或者减小它们的影响，这些技术实e 稀4 用的都是时、频域信息。而实际上有用信 号的时延样本和删言号在时、频域存在差异的同时在空域也存在差异，分集天线，特 别是扇形天线可看作是对这部分资源的初步利用，而要充分地利用它只有采用智能天线技 术。 智能天线是一种伸缩性较好的技术。在移动通信发展的早期，运营商为节约投资，总 是希望用尽可能少的基站覆盖尽可能大的区域，这就意味着用户的信号在到达基站收发信 没备前可能经历了r 较长的传播路径，有较大的路径损耗，为使涣收到的有甩庸号不至刊氐 于门限，要么增加移动台的发射功率，要么增加基站天线的接收增益，由于移动台( 特别 是手机) 的发射功率是有限的，真正可行的是增加天线增益，相对而言用智能天线实现较 大增益比吊单天线容易。 利用智能磁，借目力有用信号和干扰信泻在 射角度上的差异，选 翠适当的合并权值， j l ；成正确的天线接收模式，即将主瓣列谁有用信号，低增益副瓣x 蝴激的干扰信号，从 而可更有效地抑制干扰，更大比例地降低频率复用因子( 比如在g s m 中使用复用因子3 称为可能) 和翩寸支持更多用户( c d m a 中) 。从某种角度我们可以将智能天线看作是更 灵活、主瓣更窄 也扇形天线。 智能天线的又个好处是可以减少多径效应，c d m a 中利用r a k e 接收们可对时延 差大于一个码片的多径进行分离和相干合并，而借助智能天线可以对时延不可分但角度可 分的多缁蕴一步分离，从而更有效减少多径增益。 采用智能天! 戋技术的主要目的是为了更有效地改善移动通信信道特胜，而时分、码分 第一章绪论 多址系统地崮刮专输环境m 本质e 讲是样的，所以除了具体算法e 的差异外，智能天线 可广泛应用各种时分、码分多址系统。 智能嬲个可能的用途鼢紧急呼叫定应，并提燃的斟端i 度，因为在i 获 得可用于定位的时延、强度等信息的同时，它还可获得波达方向信息。 智能天线的研究内容可以按它在移动通信中所扮演的角色来划分，移动台( 特别是手 机) 在体积、电源上的限制使智能天线在移动台难于实现( 个侈! j 夕h 是w l l 无线本地环 系统) ，所以目前主要弼皖的捏泊彦翰嫡的智能厌线收与发，即e 行收与下行发。 智雏沃线的上行收技术比较成熟，自适应天线阵最早引 移动通信的目的也是为了改 善上行信道的质量和容量。智能天线e 行收主要有两种方式：全自适应方式和基于预多波 束切换方式。在自适应方式中，对应空域或空、时域处理的各权值司体：据一定的自适应算 法进行任意调整，以对当前的传输环境i 斯碓彰 可能匹配，相应的智能天线接收渡荥可以 是任意指向的。而在劫形蜮中各权值只能从预陆刭算好的几组值中封选，某时刻的智 能天线工作l 赋只能从预先设计好的n 价诳辣中选择，不是征意指向的，因而只可能对当 前传输珂境进行部分匹配，从理论角度讲不是最优的。 全自适应智能琵翔院的杨皖自适碴旃法，目前已提出很多著名鳓去，褫形蟛隋 非盲算法和盲鞲嘲目目大类。非盲：鞘割封觥胁参考信号( 导频序列或影眵皓道) 的算法， 此时收商黼发送的是什么，进行算祛处理日寸要么先确定信道响应再按定准贱( 比如最 优的迫零准则) 确定各加杈值，要么直崩安定的准啊皖翻溷蛳调整权值，以使智能天 线输出与已知输凡就赶相关，常用的准步有i v l m s e ( 最小均方i 吴差) ，l m s ( 最d 均方) 和l s ( 最小二乘) 等。盲期去贝岈孺发罐精送已知的影莎 f 言号，判决反馈算j 剖 习锄特 殊的盲算法，收端自己 古 十发送的詹号并以此为参割言蝴蕴行匕述女睡，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异。盲算法j l 娇i 用调制信号本身固有的、与 具体承载的信息比特无关的些特征如恒模( c l v l ) 、子空间( s u b s p a c e ) 、有限符号集( f i n i t e a l p h a b e t ) 、循环平稳( c y c l e s t a f i o n a r y ) 等，并调整权值以使输出满足这些特陛，常见的 是基于梯度的各种采用不同约束量的算法。非盲算法栖( 寸 彰韵去而言，误差通常较小，收 敛融妇塑较快，但需浪费一定的系纡颧源，将二彭寄拍孵- _ 剥哗盲算法，即先用非盲方 法确定初始权值，再用宦茸 龆基彳强踪和调整，这榉敞柳酊玎综合= 者的优点，曲面 也是与实际的通信系统相致的，因蝴西常导频不会时时发送，而是与对应的业务信道时 分复用的。 全自适密智能天线虽然从理论e 讲可以达勇蝎优，但相沛确群济嘲祛均存在e 斤需数 据量、计算量大、信遭睁鲤简单、收铷翦宅较慢，在某些懒兄下甚至可能出现黯误收龟孵 魂点，而实际崮彭条僻下当干扰皎多、多径衰自；严重，尤其判苛猷越时霉田寸，很雌欧t 某 _ 用户谢谫耐跟踪。正慰礴背景下，基瑚够波束触u 换可勖式瞄眦。_ 【h ：日拴 空域( 各种可能的入射角) 被些预先计算好的波束分善崾盖，各组权值对直的波自硝不 同的主瓣指向，相邻波束的主溯柱l 通常会有些重叠，接蝴寸的主要任椭i 捌卜个( 也 信道参数估计与空时多用户检测的研究 有可能是几个，但需合并后再输出) 作为工作模式。与自适应方i 翳目比，它显然更容易实 现，实际上我们可将其看作足介于扇形天线与自适应天线间的种技术。波束切换天线中 f 】i 得研究的有姒下内容：如何划分空域，即确定波束的问题，包括数目和形状；挑选波束 的准则：波束跟踪的实观，主要指的是实现融封燃法等：以及切换波束与自适应波束 肜成的理论关系。 要实现智能天线的下行发相对困难，这是因为智能天线在设计发波束时很难准确获知 下行信道的特征信鼠( 特别是只有传播路径的出射角度) ，而理想的天线工作模式应是与信 道相匹配的。一种方法是象i s - 9 5 上行功控样，做岗羽环测试结构，但它有以下缺点： 浪费宝贵的系统资源、附加时延、受e 行信道干扰等。还有种方法是利尉商鲞信刚酊占 汁下行信道，在t d d ( 时分双工) 系统中这届然行得百，这也是中国提交的t d s c d m a 第三代建议f r 亡) d 方式) 得到较多注意的主要原因。但在f d d ( 频分双工) 系统中情况却并 非如此，由f 上、下行信道使用的是不同频率( 第三代系统相对第二代有更大的上、下行 频差) ，上、下行信道的相关b e 是很弱的，很多参数并不相同，目前较多研究者相信的是上、 f 行信道主要传播路径的入射、出射角基本湘同，所以我们只可毹目骼下行1 前苴的翻玢信 息，所形成的发波束也绝不会是最优的。 用智能天线实现下行发射面f 悔的一个难题是由于加权是在天线前端进行的( 实际中多 在基带或中频实现，因而更容易更灵活) ，后级的滤波器、d a 数棋转换器、混频器、天线 阵元( 各烙的) 特| 生变化必然使形成的发射波束发生变化，而它又不可能或很不容易用常 用的反馈方法来调整加权系数以抵消这种变化，种可行但不是很好的方法是周期蝴t 后级特阻进行测试和调整。 1 4 本文的主要工作及内容安排 本文主要研究了高斯白噪声环境中异步系统用户等效特征波形、无线慢衰落信道参数 n 每佶汁问题，以及阵列天线在系统中的应用。主要内容安排如下： 第二章简单介绍了无线通信信道的特点、性质以及信道的些重要参数。 第三章给出了d s - c d m a 系统的信号陕型，然后将信号子空间的概念引入到移动用户 等效特征波形和多径信道参数的估计中，分别给出在已知和未知期望用户时延信窟的隋况 下能估计方法。 第四章介绍了独立分量分析方法，并将其应用到异步d s c d 帆系统等效特征波形和 多；纠吉道参数的估计中，分别给出在已知和未知期望用户时延信息的情况下的估计7 5 法。 第五章介绍了空时= 维接收机，并给出件改进的空时接收机。并通过大量仿真结果 验i e 其l 生 | 。 第六章根据同步d s c d m a 系统所采用的特征波形的特陡，提出了种用于c d m a 系绕的波束形成算法，并讨论了其性能。 第七章对本论文的工作做了个整体的总结，并目讨论了些有待解决的问题，对今 第一章绪论 后的工作做出了展望。 信道参数估计与空时多用，o 检测的研究 第二章无线信道 第二章无线信道 信道是发射端和接收端之间传播媒介的总称。它是任何一个通信系统不可或 缺的组成部分。按传输媒介的不同，物理信道分为有线信道和无线信道两大类。 有线信道是平稳的和可预测的，而有些无线信道则是极其随机的，并且不易分析。 无线信道有中、长波的地表面波传播，短波的电离层反射传播，超短波和微波的 直射传播以及各种散射传播等。本章只讨论无线信道的各种特性及影响的有关描 述： 在无线通信系统中，由基站发射机到移动台的无线连接称为前向连接或下行连 接：而由移动台到基站接收机的无线连接则称反向连接或者上行连接。典型地， 前向连接和反向连接被分成不同类型的信道。无线电信号无论是在前向连接，还 是在反向连接的传播，都会以多种方式受到物理信道的影响。 由于无线信道的复杂性，一个通过无线信道传播冉与售道往往会沿着一些不同的 路径到达接收端，这一现象称为信号的多径传输。虽然电磁波传播的形式很复杂， 但一般可归结为反射、绕射和散射三种基本传播方式 2 1 陆地移动无线电波传播 移动通信中的信道是一种时变信道。无线电信号通过移动信道时会受到各个方 面的衰减损失，由于路径损失和衰落的影响，接收到的信号要比发射的信号弱的 多：接收信号功率可表示为： p ( d ) = 1 d i 一“s ( d ) r ( d )( 2 1 ) 其中d 表示距离向量，其绝对值表示移动用户与基站的距离。上式表示信道 对无线电信号的影响可归纳为三类： 1 自由空间的传播损耗与弥散，用川1 表示，其e en 一般为3 4 ； 2 阴影衰落，用s ( d ) 表示。这是由于传输环境中的地形起伏、建筑物和其它 障碍物对电波的阻塞或遮蔽而引起的衰落； 3 多径衰落，用r ( d ) 表示。这是由于移动传播环境中的多径传输而引起的衰 落。多径衰落是移动信道特性中最有特色的部分。 事实上，以上三种效应描述的是在三种不同的区间范围内信道对信号的作用。 i 长区间中值随距基站的距离而变，其衰减特性一般服从矧“律。它表明的 是以公里计的较大范围内接收信号的变化特性。路径损失主要由平方律扩展、水 信道参数估计与空时多用户检测的研究 气和叶群的吸l 恢、地表反射等引起，它与距离有关。 2 在数百波长的区问内，信号的短区间中值也出现缓慢变动的特征。这就是 阴影衰落s ( d ) ，其衰落特性符合对数正态分布。这种衰落速率较慢，又称慢褒落。 在较大区间内对短区问中值求平均可得长区问中值。它主要来自建筑物和其他障 碍物的阻塞效应。 3 在数十波长的范围内，接收信号场强的瞬时值呈现快速变化的特征。这就 是多径衰落只( d ) ，由移动用户附近的多径散射产生。其衰落特性符号瑞利分布。 这种衰落由于衰落速率较快，又可称快衰落或短区间衰落。在数十波长范围内对 信号求平均，可得到短区间中值。 无线传播信道中的许多物理因素都会影响衰落，主要有： 1 多径传输 信道中反射物体和散射体的存在会产生一个不断变化的环境，使得信号能量 征幅值、相位和时间延迟方面产生弥散。这些效应会使得发射信号经过不同路径 到达接收天线时的形式各异，显示出不同的时间和空间方位。不同的多径分量的 随机幅值和相位引起信号强度的扰动，从而产生小尺度衰落、信号畸变或二者兼 有。多径传播通常会使信号到达接收端所需要的时间加长，它可能引起码间干扰， 从而导致信号污损。 2 移动台的速度 基站与移动台之间的$ h x , t 运动会使每个多径分量产生不同的多普勒频移，从而 引起接收信号的随机频率调制。多普勒频移有可能