（电磁场与微波技术专业论文）wcdma系统波束赋形算法应用研究.pdf

重庆邮电学院硕l ：论文 摘要 移动用户数目的不断增长及新业务需求的不断涌现，使得整个移动通信领 域的研究与开发出现了如下几个新技术需求：第一，需要能改善整个无线信道的 通信质量与提高频谱效率的新技术；第二，需要在有限的共享频谱范围内提供不 同业务的新技术：第三，需要能将移动蜂窝系统的各种功能可编程实现的信号处 理新技术。 在研究新技术的同时，我们不可避免地受到如下几种因素的影响。一是无 线通信的物理特性对通信的影响。二是通信与计算机设备的功率与尺寸。三是在 具体的移动通信系统如码分多址蜂窝移动通信中，如何克服加性白噪声干扰、多 径干扰以及多用户问的多址干扰( m a i ) 。基于上述考虑，我们选取了本课题，以 期通过相关研究，为移动通信高新技术的研发提供有价值的理论参考。 本文首先简介相关背景知识，在深入分析常用自适应波束赋形算法的基础 上，给出了用拉格朗同乘子法来计算一般及广义特征问题的解，其解就是我们所 要寻找的最优权矢量。基于拉格朗同算法，我们引入2 dr a k e 一时空波束赋形器。 同时，我们还对下行波束赋形算法进行了初步研究，给出了基于匹配阵列与双工 阵列的上下行联合处理算法。 其次，本文对所提算法进行了仿真结果分析。在上行链路中，实时分析说 明采用基于一般解的算法与基于广义解的算法都能满足实时性要求，而针对两种 信道环境进行的仿真表明，我们可以采用基于广义解的算法来设计r a k e 一时空 波束赋形器。 在下行链路中，仿真结果分析说明，我们可以采用匹配阵列的上下行联合 处理算法。 最后，作为本文的结束，我们还对下一阶段所要进行的研究作了进一步展 望并提出了几个感兴趣的课题。 关键词：智能天线波束赋形r a k e 接收w c d m a 系庆l i j u l l l 学院烦i j 论文英文摘要 a bs t r a c t w i t ht h en u m b e ro fm o b i l eu s e ri n c r e a s e da n dt h ed e m a n do fn e ws e r v i c e e m e r g e df r o mt h e w o r l d t h et o t a ir e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n ti nt h em o b i l e c o m m u n i c a t i o n st a k e so ns e v e r a ln e wd e m a n d f i r s t l y , t h en e wt e c h n i q u e sn e e dt o i m p r o v et h eq u a n t i t yo fc o m m u n i c a t i o no v e rt h ew h o l ew i r e l e s sc h a n n e la n dt h e s p e c t r a le 蕊c i e n c y s e c o n d l y , t h et e c h n i q u e sn e e dt oa c c o m m o d a t et h ed i f f e r e n t s e r v i c ei n s h a r i n gt h e l i m i t e ds p e c t r u m f i n a l l y , t h en e wt e c h n i q u e si n s i g n a l p r o c e s s i n gn e e dt oi m p l e m e n tv a r i o u sf u n c t i o no f t h ec e l l u l a rs y s t e m h o w e v e r , t h es e v e r a lf a c t o r sw o u l da f f e c tt h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t f i r s t l y , t h ep h y s i c a ll i m i t a t i o n so ft h ew i r e l e s sc h a n n e lp r e s e n taf u n d a m e n t a lt e c h n i c a l c h a l l e n g ef o rt h er e l i a b l ec o m m u n i c a t i o n s s e c o n d l y , l i m i t a t i o ni nt h ep o w e ra n ds i z e o ft h ec o m m u n i c a t i o na n dc o m p u t i n gd e v i c ei sa n o t h e rm a j o rd e s i g nc o n s i d e r a t i o n t h i r d l y , h o wt oo v e r c o m et h e s ei n t e r f e r e r sd u et ot h ea d d i t i v ew h i t en o i s ea n dt h e m u l t i p l ep a t h sa n dm u l t i p l ea c c e s s e so fm u l t i p l eu s e r si sa n o t h e rc o n s i d e r a t i o n b a s e d o nt h e s ec o n s i d e r a t i o n s t h er e s e a r c ht o p i ci sd e t e r m i n e di no r d e rt op r o v i d ew o r t h y t h e o r yr e f e r e n c ei nt h en e wt e c h n i c a ld e v e l o p m e n to fm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n f i r s t l y , w es i m p l yi n t r o d u e et h er e l a t e dk n o w l e d g e ，a n da n a l y z et h o s ea d a p t i v e b e a m f o r m i n ga l g o r i t h m ，a n dg i v et h eb e a m f o r m i n ga l g o r i t h mb a s e do nl a g r a n g e f o r m u l a o nt h eb a s e dl a g r a n g ea l g o r i t h m w ed e s i g n2 dr a k e b e a m f o r m e r a tt h e s a m et i m e 。t h eb e a m f o r m i n ga l g o r i t h mi nd o w n l i n kw o u l db es t u d i e da n dai o i n t t e c h n i q u ef o rd o w n l i n kb e a m f o r m i n ga n du p - l i n kb e a m - f o r m i n gr a k eb a s e do nt h e m a t c h e da r r a ya p p r o a c ha n dt h ed u p l e xa r r a ya p p r o a c hi sg i v e n 、 s e c o n d l y , t h ep e r f o r m a n c eo fa l g o r i t h mi si l l u s t r a t e db yc o m p u t e rs i m u l a t i o n o n t h eu p l i n k ，t h er e a l t i m ea n a l y s i so ft h e s ea l g o r i t h m ss h o w st h eg e n e r a l i z e ds o l u t i o n a n dt h eo r d i n a r ys o l u t i o nb yl a g r a n g e sf o r m u l aa i lc a nr u ni nr e a l t i m e m o r e o v e l t h es i m u l a t i o ns h o w st h ep e r f o r m a n c eo ft h e2 dr a k e 。b e a m f o r m e rb a s e do nt h e g e n e r a l i z e ds o l u t i o nb yl a g r a n g e sf o r m u l ai so u t p e r f o r m e dt h ep e r f o r m a n c eo f t h e 2 dr a k e b e a m f o r m e rb a s e d0 1 1t h eo r d i n a r ys o l u t i o n o nt h ed o w n l i n k ，t h es i m u l a t i o ns h o w st h ep e r f o r m a n c eo ft h ei o i n tp r o f e s s a l g o r i t h mb a s e do nt h ed u p l e xa r r a ya p p r o a c hi so u t p e r f o r m e dt h ep e r f o r m a n c eo f t h e i o i np r o f e s sa l g o r i t h mb a s e do nt h em a t c h e da r r a ya p p r o a c h f i n a l l y s e v e r a li n t e r e s t i n gq u e s t i o n sr e m a i no p e n k e y w o r d s ： s m a r ta n t e n n a b e a m f o r m i n g r a k er e c e p t i o nw c d m a n 重庆邮i 【l 学院硕 j 论文 第一章 第一章绪论 i 一蜂窝移动通信系统的发展 1 9 7 8 年美国贝尔实验室成功研制出a m p s 系统，它是第一个真正意义上的 具有随时随地进行通信的大容量蜂窝移动通信系统。它结合频率重用技术，可以 在整个服务覆盖区域内域内自动接入公用电话网，与以日，j - 的系统相比，具有更大 的容量和更好的话音质量。从此蜂窝移动通信系统在世界范围内蓬勃发展。到八 十年代中期，欧洲和日本也纷纷建立了自己的蜂窝移动通信网，主要有：英国的 e t a c s 系统，法国的4 5 0 系统以及北欧的n m t 4 5 0 系统。这些系统都是双工的 f d m a 模拟制式系统，人们通常称之为第一代蜂窝通信系统。 随着超大规模集成电路、低速话音编码以及近年来计算机技术的发展，数 字化处理技术比模拟技术有更大的优势，现代通信已经由模拟方式向数字化处理 方式转变。1 9 9 2 年，欧洲推出第一个数字蜂窝移动通信系统_ g s m 系统，随后， 美国和r 本相继推出d a m p s 系统与j d c 系统。这几个系统的空中接口方案都 采用t d m a 的接入方式。1 9 9 5 年，美国高通公司推出采用码分多址接入方案的 i s 9 5 系统。上述系统构成了被称为第二代移动通信系统的主体。第二代移动通 信系统较第一代f d m a 蜂窝移动通信系统具有如下优势：频谱效率高、系统容 量大、保密性好以及话音质量好等等，因此，在当代商用移动通信系统中得到了 广泛的应用。 随着移动通信业务需求的发展，如何满足多种高速率高质量的业务应用， 提高频谱利用效率，同时减少目前存在的各大网络之问的不兼容性，已成为当今 移动通信业界亟待解决的问题。事实上，早在1 9 8 5 年，国际电联( 1 t u ) 就提 出了第三代移动通信系统的概念，当时称作未来公共陆地移动通信系统 ( f p l m t s ) ，后来更名为国际移动通信系统i m t 2 0 0 0 。其主要特点是：全球普 及以及全球均可无缝漫游：支持多媒体业务，尤其是因特网业务：支持多速率业 务：便于过渡与演进；高频谱效率；高服务质量；高保密性以及在移动环境下传 播速率高达2 m b i t s 的高质量图像。 在这一背景下，各个国家、组织以及公司，纷纷提出自己的建议和标准。截 止到1 9 9 8 年6 月3 0 同，提交到国际电联( i t u ) 有十个地面第三代移动通信无 线传输技术( r 1 汀) 建议和五个卫星移动通信系统的无线传输技术建议。经过一 年多的评估、修改和融合，最终确定了两类共五种r 1 盯技术建议作为第三代无 线技术规范建议。 二w c d m a 系统简介 w c d m a 方案于1 9 9 7 年由e t s i 和a r i b 联合研制出来。e t s iw c d m 方 案来源于欧洲f m a 2 方案，而a r i bw c d m a 方案柬源于同本的a 核心方案。 w c d m a 的上行链路主要基于f m a 2 方案，而下行链路主要基于a 核心方案。 a r i b e t s iw c d m a 方案的主要技术特点如表l 所示i l j 。 总之，w c d m a 系统的基本特点是： 可适应多种速率的传播，灵活提供多种业务，而为了适应不同业务的需 求，采用了可变扩频因子( o v s f ) ，扩频因子为4 2 5 6 ： 垂庆邮i 乜学院硕l ：论文第一章 该系统没有采用g p s 系统，它是一个准同步系统，因此有一个独特的 小区搜索过程以及b t s 之间不需要同步。移动台的接入采用随机接入 突发结构的时隙阿罗华技术： 表iw c d m a 参数 信道带宽 1 2 5 、5 、1 0 、2 0 m h z 下行r f 信道结构直扩 码片速率 1 0 2 4 4 0 9 6 8 19 2 l6 3 8 4 m c s 码片形状滚降因子 0 2 2 帧长度 10 m s 2 0 m s 扩展调制平衡q p s k ( 下行链路) 又】2 _ - 1 2 信道q p s k ( 上行链路) 复值双工电路 数据调制下行链路采用q p s k ；上行链路采用 b p s k 相干检测用户专用时分复用导频信道( 上下行) ； 下行链路设有公用导频信道 上行链路信道复用时分复用的控制导频信道：数据与控制 信道的i q 复用 多速率可变扩展及多码元 扩展因子 4 2 5 6 功率控制丌环功控与快速闭环功控( 1 6 k h z ) 下行扩展信道分离采用可变长的i f 交序列； 小区及用户分离采用截断周期为1 0 m s 的码长为2 他的g o l d 序列 上行扩展信道分离采用可变长i f 交序列： 用户分离采用2 4 的g o l d 序列( 1 信道 与q 信道有不同相移，且序列截断周期 为1 0 m s ) 除了采用i s 5 4 系统中使用的卷积编码技术以外，还采用了适用于高速 数据业务传输的t u r b o 编码技术； 系统允许一个用户同时发送多种业务，因此为了更充分地利用资源，系 统采用了包括速率匹配在内的信道复用技术； 分组数据传输方式更优化，系统采用了两种不同类型的分组数据传输模 式，一是数据短且使用不频繁的分组直接附加在随机接入突发中，另一 种是数据更多、使用更频繁的分组则在专用信道上传输； 支持各种各样的切换，包括软切换、频率问切换； 采用复扰码来区分基站和用户： 采用上、下行快速功率控制来使该系统实用化： 充分考虑了信号设计对电磁兼容的影响； 支持多种新技术来提高系统性能：如智能天线、多用户检测技术等等 反向采用导频辅助的相干检测，从而提高反向解调增益以及功率控制准 确性： 调制方式上，系统在前向采用q p s k ，反向采用b p s k ，同时还使用了复 2 重庆邮l 乜学院硕l 论义第一章 加扰技术。 三本课题的选题依据 用户数量的持续增长以及对各种新j i p 务的需求，使得在整个移动通信领域的 研究与丌发出现了如下几个新技术需求j 。 第一：需要能改善整个无线信道的通信质量与提高频谱效率的新技术； 第二：需要在有限的共享频谱范围内提供小同业务的新技术： 第三：需要能将蜂窝系统的各种功能集成实现的信号处理新技术。 由于无线传播信道的特殊性，如何有效地处理信道对传输信息的影响，是移 动通信理论与技术需要解决的首要问题。在码分多址蜂窝移动通信系统中，这种 影响或称为干扰，大致可以分为三种类型：加性白噪声干扰、多径干扰以及多用 户i 日j 的多址干扰( m a i ) 。当用户同时进行通信的数目增加时，多址干扰也就成为 最主要的干扰。由于码分多址是一种干扰受限系统，因此多址干扰不仅严重影响 系统的抗干扰性，而且也严重限制了系统的容量提高。因此，抵抗与限制多址干 扰就成为码分多址蜂窝移动通信系统的一项主要任务。 对于多址干扰问题的解决，一般可以有如一f j b 种技术1 3 i 。一是从码型设计的 角度来抵抗多址干扰，由于多址干扰是各用户扩频码i i h j 的互相关性不为零所造 成，互相关越小，多址干扰也就越小。二是当实际的多址码互相关函数不为零时， 我们可以采用功率控制技术来克服由于远近效应所造成的多址干扰，功控可以尽 量减少多址干扰，但是不能消除多址干扰。三是我们采用多用户检测技术，该技 术认为多址干扰本质上并不是纯粹无用的白噪声，而是有着强烈结构的伪随机序 列信号，而且用户间与各条路径问的相关函数都是已知的，因此从理论来说，完 全有可能利用这些伪随机序列的已知结构信息和统计信息柬进一步消除它所带 来的负面影响，以达到提高系统性能的目的。这种技术理论上比较成熟，但由于 实现很复杂，估尚未币式商用化。最后一种办法是空问滤波技术。其基本思路是 将小区内多址干扰按区间区域将大区划成小区，将多用户的干扰从整个小区划分 为局限与若干个小区的局部小区，以达到在每个子小区内减少多用户干扰影响的 目的。在具体实现上有如下两种：其一是多扇区化，即将一个小区划分为空间相 互独立的若干扇区，如三扇区、六扇区等。也就是用扇区设计来达到隔离扇区间 的多用户干扰。另一是本文所要研究的智能天线技术。其基本思想是采用更多更 窄的动态波束来隔离空问多用户干扰，若能达到一个动态波束跟踪一个用户，则 基本上从空问上完成隔离和消除了多址干扰。 另外，陆地移动信道的主要特征是传播的丌放性、接收点地理环境的复杂性 与多样性以及通信用户的随机移动性。从而导致信号传播时受到三种损耗的影 响，路径传播损耗、慢衰落损耗以及快衰落损耗。从无线系统工程的角度看，传 播损耗和阴影慢衰落主要影响到无线小区的覆盖，用合理的设计就可以不同程度 的克服这些不利的影响。而对信号影响最大的是快衰落损耗。快衰落主要是由于 多径传播而产生的衰落。多径快衰落严重影响信号传播的质量，且不可避免，因 此，如何采用抗多径衰落的技术来减少其影响，就成为了我们研究的目的。 而在c d m a 系统中，常见的抗多径干扰技术有分集技术、自适应均衡技术 和差错控制编码技术等几类。具体来讲，c d m a 系统中常用的抗多径干扰技术 有：智能天线技术( s m a r ta n t e n n a ) 、多用户检测技术( m u l t i u s e rd e t e c t i o n ) 、r a k e 接收技术以及各种信道编码技术。 基于上述考虑，我们选择了相关内容作为论文所要研究的课题，以期通过对 3 重庆邮i 乜学院帧i j 论文第一章 相关解决方案的分析研究，从而为未来移动通信的理论研究及技术丌发提供有益 的参考。 四论文结构 第一章绪论主要介绍蜂窝移动通信系统发展历程、w c d m a 系统简介以 及本课题的选题依据。 第二章波束赋形算法研究的基础简堆介绍本论文涉及的知诊 ，包括智能天 线技术、r a k e 接收技术以及常见自适应波束赋形算法。对几种常用自适应波束 赋形算法做了一些评价，为第三章给出的算法作铺挚。 第三章基于r a k e 接收技术的波束赋形算法研究这是本文的主题部分， 本章分析了基于不同的准则所导出的两种自适应波束赋形算法。一是基于m s n r 准则的自适应波束赋形算法，另一种基于m s i n r 准则的自适应波束赋形算法。 第四章智能天线系统的设计以及下行波束赋彤算法本章用第三章提到的 算法来设计智能天线系统以及对下行波束赋形算法进行了综合性评述。 下行波束赋形主要有两种办法：一种是信道反馈法，其缺点是降低了信道利 用率且当用户移动速度较快时还需较高的反馈速率：另一种是子空i 珏j 方法，利用 信号子空间包含的用户d o a 和平均信号强度信息，进行下行自适应波束形成。 第五章系统性能仿真结果分析，我们对第三章所提到的算法以及第四章所 分析的下行波束赋形算法进行的若干仿真结果进行了深入的分析，提出了我们的 相关建设性意见，从而可为未来移动通信的理论研究和系统实现技术提供有益的 参考。 第六章本文总结以及下一步研究展望。 4 蕈庆邮i 乜学院硕一l ：论文第二章 第二章波束赋形算法研究的基础 移动通信中的各类新技术都是用来解决移动通信中的有效性、可靠性和安全 性问题。而分析移动信道是解决移动通信关键技术的前提，是移动通信中各类新 技术的源泉。关于信道，我们不准备展丌讨论，下面将主要介绍智能天线技术、 r a k e 接收技术以及常用自适应波束赋形算法。 2 - 1 智能天线技术简介 自适应天线是一种可以根掘环境变化来自行调整天线阵中各阵元的加权值 以改善其输出特性的一类重要天线技术1 4 j 。自适应天线最优化天线阵列输出性能 指标，从而改善系统对环境的适应性。从发展过程看，自适应天线经过自适应波 束控制、自适应零点控制及空间谱估计p j 等发展阶段，而随着相关技术的发展又 使得人们可以同时对来波信号的到达角、功率、极化、带宽及个数等特征加以超 分辨率估计，基于这些估计结果我们可以通过数字信号处理技术来改善阵列的输 出特性，从而在较大程度上改善无线系统性能。 随着现代天线技术的成熟和半导体技术的提高，移动通信系统采用称为“智 能天线”的空分多址也成为可能。需要指出的是，s d m a 技术并不是与f d m a ， t d m a 、c d m a 等同的多址方式，而是附加在上述多址方式的优化方案。其基 本原理是基于自适应天线阵列的数字波束形成技术，利用天线阵的方法形成窄波 束并调节其方向，以指向并跟踪特定的移动用户。这样不仅提供了天线增益，而 且降低了相邻波( 移动用户) 问的干扰，这对改善移动通信系统中复杂的干扰环 境非常有利。特别是在c d m a 这种干扰受限的多址方式，采用智能天线技术将 会大大提高系统容量。 2 1 1 阵列天线及电子调整阵列 一阵列天线 阵列天线通常由多个天线阵元组成。每个阵元都从发射机馈以相同的信号 ( 同一幅度与相位) 。当阵列的总长度增加时，中央波束变得更窄，而当天线阵 元增加时，旁瓣变得更小。通常以振子天线为天线阵列的阵元，振子天线一般由 偶极子构成，它在水平面具有近似无方向性的天线方向图，因而天线增益很低， 在自由空间内增益常常只有6 1 0 d b 。为了获得较高的天线增益，可将多个振子 天线按一定的规则排列在一起，形成一个大的阵列天线，利用波的干涉原理，通 过一定的激励，阵列天线就可以产生强方向性的辐射方向图【6 】。 在移动通信中，阵元可以放置在任何地方而组成3 d 阵列，如线阵、圆阵、 二维平面阵以及三维阵，其基本概念都是一样的。一般说来，算法的复杂度与天 线形状的简捷性是一对矛盾，算法简单，则阵列形状复杂，算法复杂，天线形状 简单。再加之由于圆阵具有3 6 0 度全空间扫描能力，在实际系统工程上采用较有 意义，因此下面我们以圆阵为例来介绍智能天线的基本概念。参看图2 一l ，假 设m 个阵元在x y 平面内沿半径为d 的圆周等问距排列形成圆阵，其中第n 个 5 重庆l l l g f b , 学院硕i ：论文第二章 阵元的角位置是丸= ( 2 翮) m 。激励电流为 f，=a，矿_(2-11 图2 一l 具有n 个天线单元的均匀圆阵 则天线远场分布为 m e ( ，0 ，) = 爿一p 风4 万譬 n = o ( 2 2 ) 其中k = 2 石旯，a 是载波波长。r 。是第n 个天线阵元到观察点的距离 r 。= ( r 2 + d 2 2 r d c o s ( 矽) ) 2 ( 2 3 ) 由于，远远大于d ，计算幅度影响时，可以认为r 。，但相位影响却不能忽略， 因此，场强计算公式可以简化为： 肼 e ( r ，0 ，矿) = 4 万孚彳。p 舢删州“h ( 2 4 ) n = o 其中阵因子为 m f ( o ，矿) = 彳。p 脚螂咧m 卜靠1 ( 2 5 ) n 军o 为使主瓣最大值指向用户方向( 吼，九) ，第n 个天线阵元的激励电缆的相位应为 6 蘑庆邮i 乜学院硕l ：论文 第一二帝 口。= - k d c o s ( 矽。一九) s i n o o ( 2 6 ) 圆阵的一个固有缺点是其副瓣比较大，虽然由圆阵形成的波束赋形远不如二 维直线阵等其他形式的天线阵，但圆阵与二维直线阵相比，所需要的天线阵元数 要少，数据量也相应少，处理方法也较简单，凶此，在实际的通信系统。 j 经常采 用圆形阵列天线。 二电子调整阵列 通过改变阵元信号相位，我们可使其主波束得以调整，最简单的控制信号相 位的方法是系统地变化阵元的同轴电缆长度，不同长度的电缆可以延迟信号，从 而使信号相位偏移。但是，这却不允许天线自动调整相位。 而在电子调整中，可编程电子相移器为每个阵元编制所需要的相位偏移从而 可以自动调整天线波束，但是，其调整幅度却极小。下面所要介绍的数字波束赋 形技术却可克服这个缺点。 2 1 2 模拟波束赋形与数字波束赋形 在移动通信系统中，智能天线主要应用在无线基站。目日i f 提出的智能天线主 要分为弼大类：一类是全自适应智能天线。另一类是预多波束智能天线。 预多波束天线利用多个并行波束覆盖整个用户小区，每个波束的指向固定不 变，就好像将用户小区划分为几个扇区一样。当用户在小区中移动时，基站根据 用户的不同位置选择相应的波束，使接收的信号最强。但是这种方法存在一个明 显问题，即用户不在波束的中央时，由于天线不能调整波束的指向，这样此时的 接收效果将非常差。而且当用户在同一小区内从一个波束覆盖范围移动到另一个 波束覆盖范围时，基站要进行切换。这无疑要增加计算开销而且容易掉线。这种 预多波束天线并不是严格意义上的智能天线，但在工程上相当看好。 全自适应智能天线可以根据接收到的用户信号，估计信号的特征信息如来波 方i 句( d o a ) 、特征矩阵等等，并使用数字波束赋形技术，使天线阵的主波束指向 用户方向且自适应跟踪用户的移动。这种全自适应的波束赋形系统有时候被称为 “智能天线系统”。对于峰窝电话，具有智能天线系统的基站能在同一频率上容 纳更多用户，只要这些用户在不同的方向上，就可调整每个用户的天线波束。因 此智能天线系统又叫做“空域多址”( s d m a ) 。显然，要实现天线波束的自适应 赋形和跟踪，最好在基带通过数字信号处理技术实现。 下面我们将对模拟与数字波束赋形技术进行介绍，以便真讵阐明智能天线的 内涵。 一模拟波束赋形算法 模拟波束赋形技术是指根据天线方向图的要求，在基站收发信机的射频或者 中频部分( 模拟部分) ，调节天线阵中每单元天线发射信号的幅度与相位，从而 调整旁瓣水平和调整零点使成形后的波束的主瓣方向指向用，_ 所在的地方。每个 阵元合在一起的相对幅度吼及相移仇叫作复权矢量，一般用复常数w 来表示( k 指第k 个阵元) 无线发信机的波束赋形器应用复权矢量到阵列天线每个阵元的发射信号上， 从而调整相位与幅度。而无线接收机的波束赋形器应用复权矢量到来自于每个阵 元的信号，然后将所有信号合在一起以得到期望信号的方向图。 7 重庆邮i 乜学院硕i j 论文 箱二章 模拟波束赋形技术的方框图如图2 2 所示。从模拟波束赋形的基本原理及 图2 2 在方框图可以看出，一个波束赋形网络只能形成一个波束，即只能指向 波 柬 赋 形 器 图2 2c a ) 模拟波束发射赋形器 图2 - - 2 ( b ) 模拟波束接收赋形器 一个用户，对于有多个用户的移动通信系统，要产生多个波束，则天线阵的馈电 网络会非常复杂，因此模拟波束赋形网络虽然在雷达系统中得到了广泛应用，但 并不十分适用于移动通信系统。模拟赋形技术在移动通信系统中存在的主要问题 8 蕈庆邮l 乜学院颀i j 论文 第二章 是： ( 1 )多波束成形网络的设计非常复杂，对于设计好的成形网络要修改其参数也 比较困难 ( 2 )不能实时跟踪用户，这是因为不能实时改变赋形网络的参数，当用户处于 移动状念时，赋形波束就不能实时调整以跟踪用户。 ( 3 )由于模拟波束赋形技术产生的波束指向是固定的，当用户处于波束的边缘 足，通信质量会受到影响。 ( 4 ) 使用模拟波束赋技术，由于赋形网络比较复杂，基站的硬件复杂度也会提 1r r f 转换器 八 带通滤波器 砭多 低通滤波器 中频( i f ) 输出 取样时钟 ， 兮 a d 变换器 去数字卜变频的数字中频 图2 3 整个频带转移到中频的方框图 高，成本也相应增加。 ( 5 ) 模拟波束产生的多个波束不会完全i f 交，将会互相干扰。 二数字波束赋形 数字波束赋形技术随着天线技术和数字信号处理技术的提高而发展起来的。随着数字信 9 重庆邮l 乜学院硕l j 论文第二章 号处理芯片的处理能力越来越强，芯片价格也越来越低，数字波束赋形技术的麻埘也越来越 广泛。 从原理来看，数字波束赋形与模拟波束赋形是一样的，只是幅度与相位的调 整以及接收相加等操作均是以数字形式来完成。即在一般的d s p ：芯片或者使用 专用的波束赋形j 芯片中采用软件来实现。 来自a i d 转换器的数字中频 同相分颦f ( f ) 正交基带输出 ( 仅有一个无线信道，低取样率) 图2 4 数字。f 转换器的方框图 正交分鼙q ( t ) 下面我们以上行波束赋形器来说明数字波束赋形技术，下行波束赋形器的原 理与此类似。 数字处理模块要求每个阵元接收的信号都得使用a d 转换器以获取数字信 号。由于短波频率以上的无线信号的频率太高( 3 0 m h z ) ，从而使得不能以合理 的代价直接将这些无线信号数字化。因此数字波束赋形接收机在a d 转换以前 使用“射频转换器 使频率下降，图2 3 就显示了如何将整个频带转移到中频。 一旦阵元信号被数字化以后，这些数字信号利用数字下变频模块就可使无线 信道的中央频率下降，从而仅让具有一个信道带宽的信号通过。下变频模块以低 1 0 重庆邮i 【l 学院颂i ：论义 第一二章 抽样率产生f 交基带输出信号。见图2 4 。 为了表达i f 负频率( 正负是指相对于中央频率) ，我们用j 下交基带信号的同 相信号及正交信号来合成无线信号，而j f 交基带信号的同相信号i 与正交信号q 可以用一个具有实部与虚部的复矢量来表示。 s ( t ) = x ( ，) + j y ( t )( 2 7 ) 图2 5 复数乘法器的方框图 其中j ( f ) 是复值基带信号，x ( ，) = f ( ，) 为实部。】，( ，) = - q ( t ) 为虚部。 在波束赋形中，复值基带信号与复值权矢量相乘以获取每个阵元的相移及幅 度调节。 薰庆邮l 乜学院硕f j 论义 第二章 ，= d r a p ，州怫l m = 口ic o s ( 0 i ) + j s i n ( 6 k ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) 其l 一，坼是第k 个阵元的复值j j i j 权矢量。o 。是权矢量的相对幅度。吼是权矢量 的年1 i 位移动。 一般用途的d s p 就可实现上述复数年l l 乘。见图2 5 s i ( ，) m ，i ( f ) = 口i 【x i ( t ) c o s ( 9 , ) 一k ( t ) s i n ( 0 , ) 】+ j x i ( ，) s i n ( 0 j ) + 圪( 0 c o s ( 0 , ) ( 2 一l o ) 图2 6 显示了一个完整的数字波束赋形接收机。波束赋形器模块均有相同的 图2 - - 6 数字波束赋形接收机方框图 天线阵元、频率转换器以及a d 转换器。所有r f 转换器及a d 转换器都共有 1 2 ( f ) 系庆l l j l j f b 学院硕i j 论文 第二二章 共用振荡器，以便转换器都产生相移相同的信号。数字波束赋形模块中的所有数 字下变频模块均共用同一时钟且设置了同一中央频率以及带宽，数字本地振荡器 相互之间也是同相的。每个d d c 的基带输出均由阵元的加权矢量来加权。紧随 其后的解调器从天线信号中获取需要的信息。 数字波束赋形与模拟波束赋形相比有如下优点： ( 1 ) 数字波束赋形是通过软件来实现的，因此其实现灵活方便，便于 根据需要进行修改与升级。 ( 2 ) 使用数字波束赋形，不需要专门的相移器等模拟器件，使基站设 备结构简单，成本降低。 ( 3 )使用数字波束赋形，只需利用接收信号中的空间特征信息，因此 可以实时跟踪用户位置的变化。 f2f f = f ，r = f 1 图2 8 离散型时延功率谱 2 2r a k e 接收技术简介 空间分集、频率分集、极化分集等均属于显分集，它明显地采用多套设备在 不同时f b j 、不同频率、不同极化方向接收合并而成，故成为显分集。 随着科学技术的发展，分集的实现方法也在不断更新。其中最有前途的一种 分集技术是利用信号设计技术将分集作用隐含在被传输的信号之中，这种技术我 们称之为隐分集。而在移动通信系统中，一般有多径分集的r a k e 接收技术、信 道交织技术以及抗衰落纠错编码技术等。本节将重点介绍多径分集的r a k e 接收。 2 2 1r a k e 接收的基本原理 一时延功率谱 1 3 垂庆邮i 【! 学院坝i j 论义 第- 二帝 移动通信巾信号传播的多径效应引起接收信号时延功率谱t l 的- 1 1 “激，其中最典 孤! 的有以下两类扩散1 6 j ： ( 1 ) 连续型时延功率谱 这种时延功率谱般出现n ：繁j 乎市区，密集建筑物反射i l i ij p ；j j 髭, 。连续时延 功率谱如l 剡2 7 所永。 ( 2 ) 离敞型时延功率谱 一般现仡非繁华、非密集型建筑r x ，时延功率满足离敝7 i ! 的，如图2 8 所示，如何将被扩。散的时延功率充分币l j i l t 起来，这是：l ：程没汁者要重点聊究的问 题，这个问题可以形象地用下列信号矢量来表示。 二r a k e 接收的直观表示 无r a k e 接收时，多径信号的矢量合成如图2 9 所示。 二径 图2 - 9 多径信号的欠鬣合成图 采j jr a k e 接收以后的合成矢量图如图2 一1 0 所示。 幽2 一1 0 利朋r a k e 接收( 相干检测) 后 的合成欠最图 由于用户的随机移动性，接收到的多径分景的数量、大小( 幅度) 、时延、 耳u 位均为随机量，因而合成矢量也是一个随机量。但是若能通过r a k e 接收，将 各路径分离丌，相位校准后再加以利用，则随机变化的矢量和将可以变成比较稳 定的代数和而加以利用。当然这一分离、处理和利用的设想是在宏观分区域含义 下完成的，而不可能是针对所有实际传播路径而言。 因此，i 口j 题归结为如何才能设计出分离宏观分区域含义下的多径，这个问题 桶二j ：发送端信号的设计i u j 题。 利用宽频带的扩频信号的相关理论，可以将上述连续或者离散的时延功率谱 扩散分量加以分离、处理，最后达到合并起来加以有效利用的目的。 对上述时延功率谱的利用效率，取决于多径时延宽度与多径分离的能力，即 能分离出多少条路径。而路径的分辨率则墩决于系统的扩频增益与扩频带宽。 1 4 荸庆邮电学院硕一f ：论文 第二章 2 2 2r a k e 接收的工程实现原理 、 r a k e 接收的实现方法可以有很多种方案，这罩只就其实现原理作简单介绍。 扩频信号的波形与多径信道非常匹配，在多径信道中，发射信号在各种障碍 物上散射，如建筑物、山脉等。接收机收到具有不同时延的多径信号，若信号到 达接收机时仅差一个码片时间，那么接收机就可以分离这几条多径信号。实际上， 若从多径信号来看，其他的多径信号可以视为干扰而且可以被处理增益抑制掉。 然而，若可分离的多径信号用r a k e 接收机合在一起，那么我们可以进一步得到 可分离的多径信号所带来的优点，而c d m a 信号波形为多径分集的利用提供了 便利。在频域中也就意味着发射信号的带宽要比信道相干带宽更大，而且信道是 频率选择性信道，也即，信号传播中仅有部分信号衰落。 r a k e 接收机由若干相关器( 指峰) 组成，每个相关器都可接收一个多径信号， 用相关器解扩后，我们可以使用一定舰贝0 来合并这些多径信号。例如，我们可以 使用最大比率合并法来合并多径信号，由于已收到的多径信号独立衰落，分集性 能得到改善，图2 一l l 描述了r a k e 接收机的原理。扩展与调制后的信号发射出 去，然后通过多径信道传送到基站，多径信道可以用抽头延迟线来描述( 也即， 发射信号在信道中有时延以及衰落) 。图2 一1 1 中，我们有三条时延分别为r ，r ， f ，以及衰落为口，口：，口，的多径信号，每条多径信号都对应于不同的传播路径。 对每条多径信号r a k e 接收机都有一个接收相关器，在每个相关器中，接收信号 与用户扩展码作相关运算。图2 一“采用最大比率合并法，也就是说，每条多径 信号都用路径增益来加权。由于用户的移动，散射环境也将改变，因此，衰落因 子与时延也随之改变。因此，必须测量抽头延迟线分布以及重新分配r a k e 接收 图2 一l ir a k e 接收机 机的指峰。对于小规模的变化( 小于一个码片的变化) 可以用码元追踪环来解决， 码元追踪环可以追踪每条多径信号的时延。 当然。我们所提出的r a k e 接收机需要知道多径的时延。然而，c d m a 应用 环境中在许多用户激活的情况下很难准确估计传播时延，这些已经超出本文范 围，这儿不再赘述。 1 5 重庆邮电学院硕i ：论文 第二章 2 3 常用自适应波束赋形算法 2 3 1 概述 数字移动通信系统的性能受到信号衰落及其他同信道用户干扰的影响，如果 在基站部署智能天线，那么这两种影响就可以削弱。智能天线系统可以进行适当 的信号处理以及对接收信号进行适当合并。值得一提的是，通过最优合并阵列输 出，智能天线系统可以削弱多径衰落，对接收信号进行最优合并阵列输出，从而 在空间维度上抑制同信道干扰。 智能天线系统包括一系列空间均匀隔开的天线阵元以及用于获取最优权矢 量的自适应阵列处理器。图2 一1 2 显示了一个智能天线系统的方框图，信号处理 器的确切结构依赖于信息数量。这些信息包括信号调制类型、信号格式类型、在 基站接收到的可分离信号数目、每条路径时延和来波方向、参考信号或训练信号 的获驳以及传播环境的复杂程度等等，而且这些信息都可以在基站获取。 阵列输出 图2 一1 2 自适应阵列 系统方框图 至于阵列信号处理器，许多文献已提出基于时间或空间先验信息的算法去设 计自适应波束赋形器，从而对同信道用户进行分离。传统的空l 日j 算法包括高分辨 率的角度估计技术，如m u s i c 算法，e s p r i t 算法以及w s f 算法【卜l o 】，这些技 术使用最优波束赋形算法去估计信号波形1 1 1 , 1 2 j 。然而，这些技术需要假定到达基 站的信号波形数目以及传播环境等等，这样，这些技术的使用范围就非常有限。 另外一些技术如使用参考信号或训练信号去获取最优权矢量i l 弘”】技术以及近年 来提出来的特性修补技术。特性修补技术利用通信信号的时问或者空间结构来获 取权矢量，并且不用假定先验空间信息。它所使用的特性包括常模特性【1 6 i8 1 9 j ， 离散符号特性【2 0 一2 3 1 ，自相关特性【2 4 1 以及高阶统计特性【2 5 1 。 本章中，我们将简要概述一下以前的自适应波束赋形算法并且对这些技术作 简要的分析，为下章所给出的w c d m a 环境下的自适应波束赋形算法作简单铺 垫。 1 6 蕈庆邮i l 三学院硕j ：论文 第二章 2 3 2 自适应波束赋形算法 我们考虑一个典型的无线通信链路，这个链路由具有k 元阵列的高架基站与 移动台来组成。基站处的接收信号取决于传播环境所有散射体的散射。令s o ( r ) 为 发射基带信号的复值包络，口。为相应的信道矢量。假定信号的时延扩展要比信 号的倒数小，那么我们就可以直接给出基站阵列天线的接收信号矢量。 x ( t ) = s o ( t ) a o + 附) + 珂( f ) ( 2 一1 1 ) | 其中f i t ) - - s ( f ) 口， ，i l ( 2 一1 2 ) 代表n 个同信道干扰信号的合成，行( f ) = 厅。( ，) + 咖，( ，) 是加性噪声矢量，这 个噪声矢量可以由具有零均值且协方差为 e n ( t ) n ( ，) 】= 仃：，( 2 - - 1 3 ) 的复值高斯随机矢量来建模。i 为k * k 阶的单位矩阵。仃：为阵列噪声矢量方差。 方程(