（计算机应用技术专业论文）无线移动通信中的智能天线技术——信号波达方向doa估计研究.pdf

摘要 随着近年来移动用户数量的剧增和新型无线业务类型( 语音、数据、图像) 的出现，使 得无线通信业务量迅速增加，移动通信系统中的同频干扰( c c i ，c o c h a n n e l i n t e r r u p t i o n ) 、多址干扰( m a i ，m u l t i p l ea d d r e s si n t e r r u p t i o n ) 日趋严重，信号传输带 宽和传输速率严重不足。同时，由于无线信号传输环境的复杂性和不确定性，使得无线信 号在传输过程中产生多径衰落和损耗。这些因素严重的限制了移动通信系统的容量和性能。 智能天线技术为解决频率资源不足、提高移动通信系统容量和系统服务质量提供了一个有 效的解决途径。在1 9 9 8 年电信科学技术研究院代表我国电信主管部门向国际电联提交的 t d s c d m ar t t 建议和现在成为国际第三代移动通信标准之一的c d m at d d 技术( 低码片速率 选项) ，就是第一次提出以智能天线为核心技术的c d m a 通信实旌方案。在t d s c d m a 中，智 能天线作为核心技术，可以大大提高系统性能。 其前身是自适应天线阵。自从1 9 9 0 年就开始了智能天线在蜂窝移动通信中的应用研 究。随着数字信号处理技术( d s p ) 的发展和3 g 移动通信技术、宽带c d m a 技术研究的兴起， 智能天线在其中的应用也成了研究热点。智能天线引入了第4 种多址方式：空分多址 ( s d m a ) 。 论文的研究工作是基于m a t l a b 软件仿真平台上实现的。首先介绍了智能天线技术出现 的背景：其次介绍了智能天线的原理和相关概念；进而研究了利用智能天线进行用户信号 波达方向d o a ( d i r e c t i o no fa r r i v a l ) 估计的几种算法。所有的研究基于均匀直线阵列。 论文的主要研究工作是：在m a t l a b 仿真软件平台上实现了d o a 估计的传统算法( 时延一相 加算法和c a p o n 最小方差算法) 、多重信号分类算法m u s i c ( m u l t i p l es i g n a l c l a s s i f i c a t i o n ) 的仿真实现；并定性研究比较了三种算法的性能差别。重点研究了高斯随 机噪声对m u s i c 算法的影响；找到了问题所在；并在仿真研究中提出了一种创新性的解决 方法。这种方法的使用，可以使m u s i c 算法在无规律变化的高斯随机噪声环境中提高用户 信号d o a 估计的抗噪声能力，从而提高d o a 估计的性能。 关键字：智能天线d o a ( 波达方向) 波束形成 m u s i c 算法 a b s t r a c t i nt h e s ey e a r s ，w i t ht h ef a s ti n c r e a s eo ft h em o b i l eu s e r sa n dt h ea p p e a r a n c eo fn e w t y p eo f w i r e l e s ss e r v i c e s ，t h ew i r e l e s ss e r v i c e sb e c o m el a g e ra n dl a g e r t h i sr e s u l t s ；nt o om u c hs e r i o u s c o c h a n n e li n t e r r u i p t i o na n dt h em u l t i p l ea d d r e s si n t e r r u p t i o n t h eb a n do ft h et r a n s p o r t e ds i g n a l s a n dt h esg n a ir a t eb e c o m er e s t r i c t e d ，a tt h es a m et i m e 。t h et r a n s p o r te n v i r o n m e n to ft h ew i r e l e s s s i g n a l si sc o m p l i c a t e da n du n c e r t a i n s ot h et r a n s p o r t e ds i g n a l sa r ed e c l i n e da n dw e a r d o w n a i it h i s h a ss t r o n gb a de f f e c to nt h ec a p a c i t ya n dp e r f o r m a n c eo fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m t h es m a r t a n t e n n at e c h n o l o g yi sa ns f f e c t i v es o l u t i o nt ot a k eg o o du s eo ft h ef r e q u e n c ys o u r c e sa n dt op r o m o t e t h ec a p a c i t ya n dt h es e r v i c eq u a i l t yo fl h ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m a sk n o w nt oa l l ，t d - s c d m ai so n e o ft h et h r e e w o r l d3 ”m o b i l ec o m m u n i c a t i o ns t a n d e r s i ti sp u tf o r w a r db yd a t a n g r e l e c o mt e c h n o l o g y a n di n d u s t r yg r o u po fc h i n a t h es m a r ta n t e n n at e c h n o l o g yi so n eo ft h ek e yt e c h n o l o g i e so ft h e t d s c d m a i tc e nl a r g e l yi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m t h es m a r ta n t e n n at e c h n o l o g yi s o r i g i n a l l yu s e di nm i l i t a r yp h a s e - c o n t r o lr a d a r i t sf o r m a l l y c a l l e da d a o t i v ea n t e n n aa r r a y t h ea p p l i c a t i o nr e s e a r c ho ft h es m a r ta n t e n n at e c h n o l o g yi nm o b i l e c o m m u n i c a t i o nf i l e di sf r o m1 9 9 0 w 阶t h ed e v e l o p m e n to ft h ed i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y a n dw i t ht h er i s eo ft h et h i r dg e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o na n db r o a d - b a n dc d m a ，t h es m a r t a n t o n n a t e c h n o l o g yb e c o m e ah o tr e s e a r c hp o i n t t h es m a r ta n t e n n a t e c h n o l o g yi n t r o d u c et h ef o r t h c o n c e p t o fm u l t i p l ea c c e s sm e t h o ds d m a ( s p a c ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) a o ft h er e s e a r c hw e r ko ft h i sp a p e ri sb a s e do nt h em a t l j bs o f t w a r ee n v i r o n m e n t 1 nt h i s p a p e r w em a k e a ni n t r o d u c t i o no nt h ea p p e a r a n c eb a c k g r o u n do ft h es m a r ta n t e n n at e c h n o l o g ya n d i t sr e l a t i v et h e e r ya n dc o n c e p t a f t e rt h a t w ed os o m er e s e a r c hw e r ko nt h ee s t i m a t i o na r i t h m e t i c0 f t h es i g n a ld o a ( d i r e c t i o no fa r r i v a l ) u s i n gs m a r ta n t e n n aa r r a y t h er e s e a r c hw o r ki sb a s e do nt h e u l a ( u n i f o r mi i n e a ra r r a y ) a n t e n n a t h ea d v a n c e d r e s e a r c hw e r ko ft h i sp a p e rl s ：w er e a l i z et w ok i n d s o fd o ae s t i m a o o na r i t h m e t i co nt h em a t l a bs o f t w a r ee n v i r o n m e n t 0 b ea d t h m e t i ci st r a d i t i o n a l a r i t h m e t i c w h i c hi n c l u d et i m e - d e l a ym e t h o da n dc a p o nm e t h o d t h eo t h e ro n ei sm u s i c ( m u l t i p l e s i g n a ic l a s s i f i c a t i o n la d t h m e t i c t h e nw eq u a l i t a t i v e l yc o m p a r e t h ep e r f o r m a n c eo ft h e s e 酬t h m e r i c w i t he a c ho t h e r o nt h i sb a s i s ，w ei n v e s t i g a t ep r i m a r i l yt h ee f f e c t so ft h eg a u s sr a n d o mn o i s ec a u s e d b ya n t e n n aa r r a yo n t h em u s i ca d t h m e t i c a n dw ef i n do u t t h ee x i t i n gp r o b l e m t h r o u g hs i m u l a t i o no f m - f i l eo nm a t l a b w ei n n o v e t i v e l yb r i n gf o r w a r dae f f e c t i v es o l u t i o n w i t ht h ea d c l p t i o no ft h i se l i c i t e d s o l u t i o n t h ee f f e c t so ft h eg a u s sr a n d o mn o i s eo nt h em u s i ca r i t h m e t i c ，w h i c hi su s et oe s t i m a t e t h eu s e rs i g n a l sd o a i sd e c r e a s e di nl a r g e l yd e g r e e t h u st h ed o a e s t i m a t i o np e r f o r m a n c eo ft h e m u s i ca r i t h m e t i cu n d e rt h eb a c k g r o u n do fg a u s sr a n d o mn o i s ei si m p r o v e d k e y w o r d s ：s m a r t a n t e n n ad o a b e a m - f o r m i n g m u s i c a r i t h m e t i c 昆明理工大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做 出重要贡献的个人和集体，均已在论文中作了明确的说明并表示了谢 意。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：李荔琐 。日 期：沙厶年乡月才日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解昆明理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅，学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印或其他复制手段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守) 导师签名：鱼垒靼选论文作者签名：鳓 日期：2 型生兰旦堕旦 昆刚理工大学研究生院硕士毕业论文 第一章绪论 1 1移动通信技术的发展 1 。1 1 从有线通信到无线通信 随着通信技术的出现和发展，通信网络的规模越来越大和用户越来越多。通信业 务也从语音发展到了数据、视频。然而，要使用户最终享受通信网络和技术带来的便 利和快捷，就必须要有一种方式让用户和网络相连。用户接入网络的传统方法是通过 金属铜线实现，但是，铜的含量少，成本高，同时所能提供的传输带宽远远满足不了 广大的宽带应用要求。后来发展到用同轴电缆对用户进行网络接入，这些方法在技术 上都存在局限。如果用光纤作为用户的接入媒介，可以提供很宽的带宽，有很大的优 越性，但其费用对于个人和商业用户来说非常昂贵，一般只用于主干传输线路。基于 以上一些客观原因，对用户的无线接入方式逐渐发展，并可以提供移动灵活性和宽带 接入要求，很快成为传统有线接入方式的替代品【1 5 1 。1 9 3 4 年，人们就开始利用微波无 线电系统传送电话横越英吉利海峡。1 9 4 7 年，美国贝尔研究所在纽约与波士顿之间建 立了宽带模拟微波中继系统。7 0 年代以后，数字微波通信系统开始投入使用。渐渐地， 无线通信技术应用于个人通信领域并且产生了移动通信。 1 。1 2 从大区覆盖制到蜂窝网络覆盖 早期的移动通信系统是在大的覆盖区域中心设置大功率发射机，采用高架天线把 信号发送到整个覆盖地区( 半径可达几十公里) ：为该覆盖区域内的用户提供无线接入服 务。这种系统的不足是它同时提供给用户使用的信道数有限，满足不了移动通信业务 迅速增长的需求。例如，在7 0 年代于美国纽约开通的i m t s ( i m p r o v e d m o b i l e t e l e p h o n e s e r v i c e ) 系统，仅能同时提供1 2 对信道供用户使用i ”，如果出现第1 3 对用户要求通话， 只能出现忙音。 为了解决这个问题，提高通信系统的容量，出现了蜂窝网覆盖的概念。蜂窝网是 把原来的大覆盖区域划分成若干个较小的区域( c e l l ，在蜂窝系统中称为小区) ，各小区 均用小功率的基站发射机进行覆盖，并为该小区内的移动用户提供无线接入服务。这 样，在保证通信质量的情况下，一个任意形状的大区域都可以用若干个c e l l 进行覆盖， 使大区域晕可以同时容纳的用户数大大提高。g s m 网络就是一个典型的蜂窝网络。 ： 至垡望垄望篁! 塑塑墼丕塑垫查：笪量垫堕查塑里q 垒堡生竺圣 1 1 3 从模拟通信到数字通信 ， 通信技术的发展经历了从模拟到数字的一个过程。模拟通信系统就是所有传输和 处理的信号及其信号处理手段都是模拟的。7 0 年代，美国贝尔实验室研制成功了先进 移动电话系统a m p s 并于1 9 7 9 年在芝加哥试运行，这是世界上第一个蜂窝模拟移动通 信系统。进入8 0 年代，模拟蜂窝移动通信技术走向成熟并在全世界得到广泛应用。到 9 0 年代初，模拟蜂窝移动通信网占了全世界移动通信网的大多数，并使移动电话业务 得到快速普及。模拟移动通信被称为第一代移动通信。 随着以大规模集成电路为基础的数字信号处理技术的发展和应用，使人们抛开模 拟技术而采取了数字技术。数字信号处理技术的应用，提高了信号的传输质量；扩大 了通信系统的容量：同时采用数字加密技术，提高了传输信号的保密性。以至今还在 使用的g s m 为代表的数字蜂窝通信系统称为第二代移动通信系统。 1 1 4 无线接入方式的演变 模拟蜂窝系统的技术是采用频率复用实现网络的大范围覆盖。它在每个小区采用 频分多址技术f d m a ( f r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s ) ，即对于在同一基站覆盖的范 围内同时工作的多个移动台，基站是以工作频率来区分的，每一个移动台都使用不同 的频率与基站通信。然而，电磁波的频率资源是有限的，随着移动用户与日俱增，最 终将导致移动通信系统的容量不能满足现实发展的需要。为了扩大移动遥信系统的容 量，必须开拓新的接入方法。 随着计算机技术、大规模集成电路和数字信譬处理技术的发展，移动通信技术也 采用了数字技术。从此移动通信中出现了新的无线接入技术时分多址技术t d m a ( t i m e d i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s ) 。将特定长度的时间段划分为多个时隙，每个移动台对应特定 的时隙进行接收或发送信息，这样，在同一个频率点上，基站就可以根据不同时隙来 区分同时工作的多个移动台。将f d m a 和t d m a 技术结合起来，就可以大大提高通 信系统的通信容量。虽然t d m a 技术的出现提高了通信系统的容量，但其容量上限受 到硬件处理速度的限制。 随着扩频通信技术的出现和发展，诞生了新的无线接入技术码分多址c d m a ( c o d e d i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s ) ，多个移动台在同一个小区c e l l 中工作的时候，每一个移动台 拥有唯一区别其他移动台的正交伪随机码，基站是通过码型区分移动台的，这样，在 某一个特定频率点、某一个特定时隙点，可以有多个移动台同时有效工作于一个小区 内。由于可以找到的准正交码的数目巨大，则可以大大提高系统的容量。若将f d m a 、 昆明理工大学研究生院硕士毕业论文 一 兰 t d m a 、c d m _ a 技术结合在一起，移动通信系统的容量将更大。但在实际的c d m a 系 统中，所用的码型是相互准正交，顾存在非完全正交带来的多址干扰。 1 1 5 移动通信系统的分类 随着移动通信应用范围的扩大，出现了各种类型的移动通信系统。典型的有以下 几种： 无线电寻呼系统 蜂窝移动通信系统 无绳电话系统 集群移动通信系统 移动卫星通信系统 分组无线网 1 2 智能天线技术的由来 1 2 1通信系统发展遇到的问题 由于移动通信技术的发展，集成电路的规模和性能迅猛增加，计算机技术大发展， 多媒体信息处理技术逐渐成熟。信息交流呈爆炸性增长和全球化趋势，多媒体信息流 逐渐超过话音流。 信息的无线传输是需要功率和带宽的，高速率的信息传输需要大的发射功率和足 够的带宽。但在客观的应用环境中，遇到了诸多问题。第一、无线传输环境非常复杂， 损耗、衰落、干扰使得无线传输的效率很低，为了保证好的信号传输质量，必须提高 发射功率。第二、在建网初期，网络要求达到覆盖要求，但用户少，资金回收少，为 了减少基站数目，节省开支，同时扩大覆盖距离，也必须提高发射功率。第三、对于 传统的天线是全向性的，而真正能被期望用户有效利用的信号功率只是到达用户方向 的一小部分：在其它方向辐射的功率是没有利用的，变成了浪费。同时这些在非期望 用户方向上发射的电磁信号对其它用户和其它基站将带来干扰，这和第一个问题是矛 盾的。第四、频率资源有限，直接从频率资源上能获得的系统容量有限，难以满足实 际的需要。同时干扰也是一个限制系统容量的重要因素。 1 2 2 传统解决方法的瓶颈 为了懈决以上出现的问题。首先，可以提高射频信号的发射功率来保证无线信号 传输的质量：在建网初期拥有较少用户的情况下，为了实现覆盖要求，也必须投入相 !无线移动通信中的智能天线技术信号波达方向d o a 估计研究 应数目的基站，即使投入的资金远大于用户带来的收入。其次，要减少全向天线辐射 带来的干扰，就必须使发射功率减小。另外，要提高系统的容量，提高频率资源的利 用率，已经实现的方法是使用划分小区，采用频率复用，但小区数的增加，频率复用 度增加的同时，必须减小基站的发射功率，以减小同频干扰；这样也导致越区切换的 量增加，系统的负荷加重。可见，对整个网络和通信系统性能的总体优化来说，面临 很多的问题，且诸多方面是矛盾的。 1 2 3 有效的解决方法和智能天线技术的出现 为了解决这种发展瓶颈，就要提高发射功率的利用率，使功率发射具有指向性， 将发射信号功率集中使用在期望方向，提高期望用户信号质量的同时，减少了对非期 望用户的干扰，可以在很大程度上提高系统的容量。由于将功率集中指向，用相同的 功率可以获得更高的增益。一方面可以提高信号传输质量；在相同的小区，可以使用 相对于传统天线小的功率实现覆盖要求；另一方面，如果在基站和移动台同时使用智 能天线，可以在建网初期使用较少数目基站而实现大范围覆盖。指向性功率发射还可 以用于采用频率复用的小区，增加频率复用率的同时，减小干扰，从而大大提高系统 的容量。基于此，出现了利用波束空间指向来划分信道的概念。方岛性的发射和接收 射频信号，有助于提高系统容量、系统覆盖距离和系统服务质量。所以，可以把空间 划分作为一种接入方式，弓f 入了新的无线接入方式，空分多址s d m a ( s p a c ed i v i s i o n m u l t i p l e a c c e s s ) ，成为f d m a 、t d m a 、c d m a 的补充。由此发展起来的空域滤波【1 6 】 可以将在频谱上和时间上交叠的多个信号区分开来，而智能天线就是实现空间滤波的 一种有效方式；智能天线系统可以适时更新时域、频域和空域响应。所以智能天线成 为了当今移动通信系统中的研究热点。 在1 9 9 8 年电信科学技术研究院代表我国电信主管部门向国际电联提交的 t d - s c d m ar t t 建议和现在成为国际第三代移动通信标准之一的c d m at d d 技术( 低码片 速率选项) 中，智能天线是其核心技术之一。 1 3 论文的主要工作 对于论文的研究和撰写，在导师的指导下，本人阅读了大量的参考资料，做了大 量的研究工作，具体阐述如下： 第一章：从无线通信发展的角度分析和介绍了智能天线技术出现的背景和期望解 决的实际问题。以引入智能天线作为分析和研究的对象。 第二章：详细的介绍了智能天线的原理、理论模型、核心任务、国内外研究进展。 垦塑堡三查堂婴塞圭堕堕主兰些丝兰一 ! 通过理解智能天线的各方面理论和了解其研究进展，从而选出了以波达方向估计为本 论文的研究重点。始终清楚认识自己所做的研究工作内容及其在实际中的应用和应用 价值。同时为深入研究智能天线相关技术以致创新提供必要条件。 第三章：基于前人研究得到的理论，在m a t l a b 5 l 软件仿真平台上实现了三个波 达方向d o a 估计算法( 延迟一相加算法、c a p o n 最小方差算法和m u s i c 子空间算法) 的仿真，得到了符合要求的实验结果。在此基础上，研究了存在于实际应用环境中的 噪声对d o a 估计的影响。并以m u s i c 算法为例，找出了d o a 估计的问题之，针 对发现的问题，提出了解决问题的思路和方法；然后，在m a t l a b 上做了大量的仿真 实验，通过分析和总结，提出了一个解决问题的数学模型，并通过应用新建的数学模 型，验证了其对信号波达方向d o a 估计的性能改进。 鱼 无线移动通信中的智能天线技术一信号波达方向d o a 估计研究 2 1智能天线原理 2 1 1概述 第二章智能天线介绍 智能天线系统由一组天线阵元及相连的收发信机和先进的数字信号处理模块构 成。在基站的天线端，智能天线根据移动终端发出的信号在天线阵上产生的相位差， 利用先进的数字信号处理算法提取出终端的位置信息【钔，据此产生多个相应波束，每个 波束指向特定的终端，并通过特定自适应滤波算法实现加权因子的适时更新，使每一 个指向性波束动态跟踪移动终端，实现天线主波束对准用户信号到达方向，波束旁瓣 或零点对准信号干扰方向，以高效利用期望的移动用户信号并抑制干扰信号。智能天 线的核心内容是：入射信号波达方向d o a ( d i r e c t i o no f a r r i v a l ) 估计、加权因子( c o m p l e x w e i g i l t ) 适时更新、波束形成。这里的波达方向d o a 包括：仰角0 和方位角妒。 智能的主要含义是指它根据外界用户信号波达方向的变化，通过信号处理技术和 自适应滤波算法对这些波束加权因子的幅度和相位自适应调整，使发射和接收方向图 动态地进行优化。为使天线波束指向可控，甚至形状可控，采用阵列天线使是有效的。 波达方向d o a 的估计是智能天线工作的基础。获得上行链路信号的波达方向信息后得 到下行链路波束形成是智能天线工作的主要内容盯1 。 智能天线的阵元排列结构分为四种情况：线状排列图2 1 ( d ) 、圆周排列图2 1 ( a ) 、 面状排列图2 1 ( b ) 、立体结构排列图2 1 ( c ) 。四种情况又可分为均匀排列和非均匀排列。 既。辩 ( a )( b ) 图2 1 智能天线阵元排列结构 昆明理工大学研究生院硕士毕业论文 2 1 2 智能天线的理论模型 如2 1 1 节中所述，天线阵元的空间排列形状可以是任意的，包括一维、二维、三 维：均匀和非均匀。直线形天线阵可以用在水平方向平面波在0 玎扇区的方位角估 计和波束形成；圆形天线阵则可以用在任意的方位角妒进行估计和波束形成。直线形 和圆形天线阵常用于宏小区等外场环境。二维和三维排列的天线则可以同时在方位角 和仰角方向形成波束，常用于室内、市内用户密集等近场环境。由于均匀直线排列天 线的结构和信号处理量相对简单，且能普遍满足移动通信系统的应用要求。下面只对 均匀宜线阵列智能天线的理论模型做解释。图2 2 和图2 3 分别是均匀直线阵列的空间 模型和平面模型。 z j蒜 、j 7 西 图2 3 智能天线二维豫理图 无线移动通信中的智能天线技术信号波达方向d o a 估计研究 在距离信号源足够远的空间里，可以将到达的电磁波视为平面波。对于均匀直线 阵，由于调制在载波上的基带信号码元宽度与波速的乘积远大于天线阵列的尺寸，因 此到达各个天线阵元上的信号幅度可以视为不变，丽到达它们的载波存在相位差，且 相位差取决于各个阵元的空间位置、尺寸、波长和波达方向( 仰角0 、方位角庐) 。其中 从远场的信号源来说，仰角0 ! 。 如图2 3 是智能天线的原理框图，图2 2 是均匀直线阵的空间三维图。图2 2 中 有m 个阵元，均匀排列于x 轴，从0 到m - 1 。假设第七个信号以仰角0 。( 与z 轴的夹 角) 、方位角仇( 与r 轴的夹角) 入射到阵列0 号参考阵元上的信号为吼p ) ；第所个阵 元上接收的信号为“， ，它与0 号阵元的波程差为m ；m ds i n 0 ic o s 妒 ，对于远场 o 。一要，相位差为： 妒。女。孚m ds i n 吼c o s 丸 ( 2 一1 ) 其中，a 和d 分别是入射波的波长和阵元间距。则阵元埘上产生的信号是： “m ；( t ) e x p ( 一，妒。) ：5 。( 0 e x p ( 一j 孕辨d c o s 仇) ( 2 - 2 ) 为了使天线阵的输出满足需要，在每个阵元上用相应的加权因子w 用进行控制。这 样阵元m 的输出为w 。“。；若到达天线阵的信号数是，天线阵的输出是个信号在 m 个阵元上输出的叠加。将问题简化为x y 平面的二维问题并用解析式表达如下： n 个信号在第小个阵元上的输出为： 铲荟“m ；黔阳p ( - j 了2 x 卅d c o s 机) ( 2 1 ) 则阵列的输出可以表示为： y ( f ) = 羹w m u m 薹薹w 以e 孵j 等哦) ( 2 _ a ) 用向量表示阵列输出如下： 个信号在珂时刻的采样为：s q ) 一【s ，0 ) ，s ：o ) ，s 。 ) 昆蠼三大学研究生院硕士毕业论蔓! 第t 个信号的导引向量可表示为：a 。= 【1 ，e x p ( 一必妒。) ，e x p ( 一弘1 ；f ，f ，- ”。) 7 阵列的导引向量可表示为： a m 【a 。，a ：，a 。】 ( 2 5 ) 阵列输入数据向量可表示为： u a s 7 = “。，“”，“。一。】“ 阵列加权因子向量可表示为： w = ( w o ，w ，w 。一，】8 阵歹0 输出： y w “a s 7 ；w “u ( 2 - 6 ) 2 1 _ l 节中所讲，智能天线的核心任务是：入射信号波达方向d o a ( d i r e c t i o no f a r r i v a l ) 估计、波束形成和加权因子( c o m p l e xw e i g h 0 适时更新。而从2 1 2 节中的理论 模型可以知道，阵列输出中包含了各种信息，包括：阵列结构信息、入射信号幅度、 入射信号的波达角( 方位角和仰角) 。利用这些信息，通过适当选择加权因子向量，我 们就可以实现d o a 估计和波束形成，智能天线的接收和发射有两种思路：其一、使期 望信号在阵列输出最大化：其二、保证期望信号在阵列输出信噪比不变的同时使阵列 输出最小化，达到加强期望信号和抑制干扰的目的。如果我们根据外界无线传输环境 特性的变化实时优化加权因子向量，则就可以实现智能天线的自适应接收和自适应波 束形成。实现智能天线的期望功能。 2 1 3 实际应用中的智能天线 t d - - s c d m a 系统的智能天线是由8 个天线单元的同心阵列组成的，直径为2 5 e r a 。 同全方向天线相比，它可获得8 d b 的增益。其原理是使一组天线和对应的收发信机按 照一定的方式排列和激励，利用波的干涉原理可以产生强方向性的辐射方向图，使用 d s p 方法使主瓣自适应地指向移动台方向，就可达到提高信号的载干比，降低发射功 率等目的。智能天线的实物图如图2 4 所示； 圈2 4 智能天线实物圈 在t d s c d m a 系统中，通过d s p 控制用户的跟踪。每用户的跟踪通过波达角进 0 无线移动通信中的智能天钱技术信号波达方向d o a 估计研究 行测量，由于无线子帧的长度是5 m s ，则至少每秒可测量2 0 0 次，每用户的上下行传 输发生在相同的方向，通过智能天线的测向能力和跟踪能力，可获得智能天线的期望 功能。 智能天线阵列的间距般为半波长。如果阵元间距大于半波长，则阵列上会出现 多于的旁瓣，从而降低天线阵列的性能。如果阵元间距小于半波长，则阵元间会产生 耦合。为了避免出现耦合与旁瓣，实际应用中的智能天线的间距为半波长。 智能天线无法解决的问题是时延超过码片宽度时产生的多径干扰和高速移动时产 生的多普勒效应造成的信道恶化。因此，在多径干扰严重的高速移动环境下，智能天 线必须和其他抗干扰的数字信号处理技术结合使用，才可能收到最佳效果。这些数字 信号处理技术包括联合检测、干扰抵消及r a k e 接收 2 1 等。 2 2 智能天线的分类和波束形成方案 2 2 1智能天线的分类 在很多文献中，智能天线有三种分类方法【1 6 1 。下面介绍其中的一种分类定义【1 7 】。 2 2 1 1自适应方向图智能天线 自适应天线阵列对到达各个天线阵元的信号分别进行加权。然后用自适应算法联 合处理，使其方向图是随信号及干扰的变化而变化，使期望信号和干扰的比值达到适 时最大化。自适应天线阵列系统采用数字信号处理技术识别用户信号波达方向。并在 此方向上为用户独立形成主波束。它的优点是算法较为简单，可以得到最大的载扰比。 自适应天线阵着眼于信号环境的分析与权集实时优化，动态响应速度相对较慢。自适 应天线阵列一般采用4 1 6 个天线阵元结构，阵元间距为半个波长。 2 2 1 2 多波束切换天线 多波束天线在工作对，天线方向图形状基本不变，其利用多个并行波束覆盖整个 用户区，每个波束的指向是固定的，波束宽度也随天线元数目而确定。当用户在小区 中移动时，天线阵列确定用户信号的到达方向( d o a ) ，根据用户移动过程中环境的变 化，基站在不同的相应波束中进行选择使接收信号最强。多波束智能天线对于处于 非主瓣区域的干扰，是通过控制低的旁瓣电平来确保抑制的。与自适应智能天线相比， 固定形状波束智能天线无需迭代、响应速度快，但它对天线单元与信道的要求较高， 而且用户信号并不一定在波束中心，当用户位于波束边缘及干扰信号位于波束中央 时，接收效果最差，所以多波束切换天线不能实现信号最佳接收。 垦婴堡三查堂堑壅圭堕堡主箩业论爱旦 2 2 2 智能天线波束形成 直观上，除了期望接收用户的方向外，基站在其它方向上发射的无线信号都是一 种浪费。这些杂散的无线电波功率只会增加对其它共信道的干扰。下行链路波束形成 的目的是使用天线阵列形成波束方向图，为期望接收用户提供良好信号质量的同时， 尽量减小其他方向发射的干扰。首先将用户信号分为肘条支路，然后对每条支路用相 应的加权因子进行加权，然后进行d a 转换，用天线发射出去，形成期望形状的下行 波束。 下行链路波束形成最简单的方法就是使用和上行链路相同的方向图。在时分双工 f t d d ) 系统中，因为上下行链路使用相同的信道频率。如果发射时信道保持稳定，则 适应于上行链路的权值同样可以用来向该用户发信号。 在f d d 系统中，前向链路和后向链路分别使用不同的频率。信号在到达各天线阵 单元时存在路程差，也就导致了相位差。同时，每一条通路的无线收发信机不可能是 完全相同的，而且，其性能将随时间、工作电平和环境条件等因素变化。这样，下行 波束赋形将受相移和收发信机的严重影响。如果不进行实时自动校准，就会产生不同 的发射阵列方向图，将得不到智能天线的优势。所以，必须具有对智能天线进行实时 自动校准的技术。目前已提出了一种针对f d d 系统的有效阵列校准方法吼 能同时用于t d d 和f d d 系统下行链路波束形成的另一种方法是，在接收机端确 定入射信号的波达方向d o a ( d i r e , c t i o no f a r r i v a l ) 。如果存在一个很强的可以确定的直 接路径，则应该为指向这个用户的方向形成一个下行波束。如第三章所讲。 根据最终波束形成的不同过程，实现智能天线的方式又分为两种：阵元空间处理 方式和波束空间处理方式。 2 2 2 1阵元空间处理方式 阵元空间处理方式直接对各阵元接收信号采样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。 2 2 2 。2 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。此方案不是对全部阵元都从整体 最优计算加权系数作自适应处理，而是仅对其中的部分阵元作自适应处理，因此，属 坚 垄些堡垫望堡! 塑塑堂圣垡垫查：堕! 篓竺互皇旦旦垒堕生翌垄 于部分自适应阵列处理。这种结构的特点是在用自适应算法计算最优加权因子时，计 算量小，收敛快，性能好。 2 3 智能天线的国内外研究情况 智能天线技术在2 0 世纪6 0 年代就开始发展，最初的研究对象是雷达天线阵，目 的是提高雷达的性能和电子对抗能力。到2 0 世纪9 0 年代中，在美国和中国开始考虑 将智能天线技术用于无线通信系统。在1 9 9 7 年，北京信威通信技术公司开发成功使用 智能天线技术的s c d m a 无线用户环路系统；美国r e d c o m 公司则在时分多址的p h s 系统中实现了智能天线。以上是最先商用化的智能天线系统。 目前正处于确立第三代移动通信技术标准之时，中国、欧、日、美等国已经开展 了大量的理论分析研究f ，同时也建立了一些技术试验平台。 1 中国 在1 9 9 7 年，北京信威通信技术公司开发成功使用智能天线技术的s c d m a 无线用户 环路系统：是两个最先商用化的智能天线系统之一。在1 9 9 8 年电信科学技术研究院代 表我国电信主管部门向国际电联提交的t d s c d m ar t t 建议并与2 0 0 0 年5 月已被i t u 批准为第三代移动通信国际标准之一c d k at d d 技术( 低码片速率选项) ，智能天线是其 核心技术。 目前，智能天线的研究主要集中在大唐电信、西安海天天线有限公司、各高校、 研究所、中兴通讯等大的通信公司。 2 欧洲 欧洲通信委员会( c e c ) 在r a c e ( r e s e a r c hi n t oa d v a n c e dc o m m u n i c a t i o ni ne u r o p e l 计划中实施了第一阶段智能天线技术研究，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 t a 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 ei n f r a s t r u c t u r e ) ，由德国、英国、丹麦和西班牙 合作完成。 项目组在d e c t 基站基础上构造智能天线试验模型，于1 9 9 5 年初开始现场试验。 天线由八个阵元组成，射频工作频率为1 8 9 g i - i z ，阵元间距可调，阵元分布分别有直 线型、圆环型和平面型三种形式。模型用数字波束成形的方法实现智能天线，采用e r a 技术有限公司的专用a s i c 芯片d b f l l 0 8 完成波束形成，使用t m s 3 2 0 c 4 0 芯片作为 中央控制。系统评估了识别信号到达方向的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 tm e a n s q u a r e s ) 算法和r l s ( r e c u r s i v e l e a s ts q u a r e ) 算法。同时， 通过现场测试，表明圆环和平面天线适合于室内通信环境使用，而像市区环境则采用 垦望垄! 奎兰竺圣兰垦堡主望些丝兰 堡 简单的直线阵天线更合适。 欧洲通信委员会( c e c ) 准备在a c i s ( a d v a n c e dc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e sa n d s e r v i c e s ) 计划中继续进行第二阶段智能天线技术研究，具体问题集中于以下方面：最 优波束形成算法、系统协议研究与系统性能评估、多用户检测与自适应天线结构、时 空信道特性估计及微蜂窝优化与现场试验。 3 日本 a t r 光电通信研究所研制了基于波束空间处理方式的多波束切换天线。天线阵元 布局为间距半波长的1 6 阵元平面方阵，射频工作频率是1 5 4 5 g h z 。阵元组件接收的 信号在模数转换后，进行快速付氏变换( f f t ) 处理，形成正交波束后，分别采用恒模 f c m a ) 算法或最大比值合并分集算法。天线数字信号处理部分由1 0 片f p g a 完成，整 块电路板大小为2 3 3 c m x 3 4 0 e m 。 野外移动试验确认了采用恒模( c m a ) 算法的多波束切换天线功能。理论分析及实 验证明使用最大比值合并算法( m r c ) 可以提高多波束切换天线在波束交叉部分的增 益。上述两种方案在所形成波束内，选用最大电平接收信号，不用判别用户信号到达 方向及反馈控制机构等硬件跟踪装置。 a t r 研究人员提出了基于智能天线的软件天线概念：根据用户所处环境不同，影 响系统性能的主要因素( 如噪声、同信道干扰或符号间干扰) 也不同，利用软件方法实现 不同环境应用不同算法，比如当噪声是主要因素时，则使用多波束最大比值合并( m r c l 算法，而当同信道干扰是主要因素时则使用多波束恒模算法( c m