（电磁场与微波技术专业论文）智能天线发射波束形成技术研究.pdf

摘要 摘要 智能天线可以通过阵列天线技术在同一信道中利用多个波束同时给多个用户 发送不同的信号，以提高通信容量和质量。本文主要研究发射波束形成算法。 本文首先介绍了智能天线和波束形成的基本原理，以及无线通信信道的基本 模型。然后根据下行波束形成中主要存在的问题展开研究。首先研究了在时分双 工智能天线通信系统中利用上行信道信息来估计下行信道，从而完成下行发射波 束形成。同时还进一步研究在下行发射时利用c h e b y s h e v 多波束优化方法提高发 射天线阵列的空间分辨率，降低同信道信号的衰落。但在频分双工系统中情况却 并非如此，本文通过对上下行信道的信道协方差矩阵进行研究，根据其中不随频 率变化的特点，研究了利用上行信道协方差矩阵完成发射波束形成的方法。 关键词：智能天线，发射波束形成，时分双工，频分双工 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ea n t e n n a a r r a y , s m a r ta n t e n n as y s t e mi sc a p a b l eo ft r a n s m i t t i n gm u l t i p l e c o - c h a n n e ls i g n a l st os e v e r a lr e c e i v e r ss ot h a te a c hr e c e i v e rg e t si t si n t e n d e ds i g n a l w i t hm i n i m u mc r o s s t a l kf r o mt h er e m a i n i n gs i g n a l s t h i sp a p e ri sf o c u s e do nt h e r e s e a r c ho f t r a n s m i s s i o nb e a m - f o r m i n g a l g o r i t h m i nt h i sp a p e r , a ni l l u s t r a t i o no ft h ep r i n c i p l e so fs m a r ta n t e n n a ，b e a m f o r m i n ga n d w i r e l e s sm o b i l ec h a n n e lm o d e la r ep r e s e n t e da tf i r s t a u t h o ra n a l y s e st h ed i f f i c u l t i s s u e so fs m a r ta n t e n n at r a n s m i s s i o nb e a m f o r m i n g t h ef i r s tp r o b l e mi s f o r m i n g t r a n s m i s s i o nb e a mp a t t e r n si nat i m ed i v i s i o nd u p l e x ( t d d ) c o m m u n i c a t i o ns y s t e m u s i n gt h ei n f o r m a t i o no fu p l i n kc h a n n e l t h em o d e lo fc h e b y s h e va r r a yi sa p p l i e dt o g e to p t i m u m s o l u t i o nf o rt r a n s m i s s i o nm u l t i b e a md e s i g n a t i o n i naf r e q u e n c yd i v i s i o n d u p l e x ( f d d ) c o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，am e t h o do fe s t i m a t i n gu p l i n kv e c t o rc h a n n e l a n d f o r m i n g a w e i g h tf o rt r a n s m i s s i o nb e a m - f o r m i n g i ss t u d i e da n ds i m u l a t e d k e y w o r d ：s m a r ta n t e n n a ，t r a n s m i s s i o nb e a m - f o r m i n g ，t i m e d i v i s i o n d u p l e x ( t d d ) ，f r e q u e n c yd i v i s i o nd u p l e x ( f d d ) 创新性声明 y s 8 3 6 0 0 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以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一起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：塑塑翌 日期 玑， 关于论文使用授权的说明 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、或其他复制手段保存论文。( 保密的论 文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 本人签名： 导师签名 杨稚讳 t 一 妩 口。一 日期渤啦t 日期毕。r 第一章绪论 第一章绪论 1 1 概述 近年来，全球移动通信业务得到了迅猛的发展。伴随着移动通信用户数量的 猛增，用户对通信的质量要求也越来越高。这不仅意味着人们希望话音质量更加 清晰，并且随着因特网的发展，人们还希望未来的移动通信能够提供高速接入因 特网业务和宽带多媒体业务。个人通信的最高目标就是任何人在任何时间和任何 地点都可以与任何人进行任何种类地信息交换。人类社会的发展建立在信息交流 的基础上，而移动通信技术使人们克服了距离上的障碍，能够迅速而准确的传递 信息。 由于无线信道是广播信道，多个用户共享同样的信道资源。因此，利用有限 的频率资源来最大限度地满足人们对移动通信地要求一直是移动通信系统研究的 热点。贝尔实验室提出的蜂窝组网理论，利用电磁波在自由空间的传输损耗，使 相隔一定距离的另一个基站可以重复使用同一组工作频率，从而很大限度上克服 了信道容量受限的问题，极大地推动了移动通信技术的发展，被誉为移动通信史 上的蜂窝革命。蜂窝移动通信系统一经出现就以十分迅猛的速度发展起来，并已 经历了以调频模拟电话信号传输和频分多址( f d m a ) 为主要标志的第一代：以 窄带数字信号传输和时分多址( t d m a ) 以及码分多址( c d m a ) 为主要标志的 第二代；以宽带数字信号传输为主要特征的第三代移动通信系统也即将投入使用。 随着移动用户数目的急剧增加，及第三代移动通信系统中宽带业务的引入， 人们对移动通信容量的需求与日俱增。频率资源匮乏的问题不仅依然存在，而且 更加突出。尽管可以对蜂窝小区进行裂化或将小区分成若干个扇区来进一步增加 系统容量，但是随着小区裂化的进行或小区扇区数的增加，移动台的越区切换会 变得越来越频繁，而完成越区切换会消耗较多的信道资源，因此对小区进行裂化 或在小区中增加扇区数都是有一定限制的。 蜂窝移动通信能够使处于不同小区中的用户复用同一组频率，实质上利用了 不同小区的用户间相对距离较大的特征，也就是利用了移动用户的空间信息。9 0 年代初，人们提出了另外一种利用移动用户空间方位信息增加移动通信系统容量 的技术，智能天线系统( s m a r t a n t e n n as y s t e m ，s a s ) 。随后，智能天线在蜂窝移 动通信中的优势和可行性得到了初步论证。其基本思想是通过天线阵提取移动用 户的空间方向信息，利用用户位置的不同，采用空域滤波来减少同信道干扰 ( c o c h a n n e li n t c r f c r c n c c ，c c i ) ，最终实现在同一信道( 频段时隙码道) 中发送 和接收多个用户的信号而不发生相互干扰。实际上，智能天线使通信资源不再局 2智能天线发射波束形成技术研究 限于时间域、频率域、码域，拓展到了空间域。在现有的移动通信系统中采用智 能天线可以扩大小区覆盖范围，降低手机的功耗，增加系统的容量，降低系统的 干扰。对于c d m a 系统而言，可以利用空间的隔离降低对功率控制精度的要求， 提高系统的容量。鉴于上述优势，智能天线技术已被确定为第三代移动通信系统 的关键技术之。然而由于移动通信环境的复杂性，在移动通信系统中应用智能 天线技术还有许多问题尚待解决。随着研究的深入，智能天线技术将会在未来移 动通信系统中发挥更为重要的作用。 目前，由于体积和算法的复杂度等因素，主要考虑在基站端使用智能天线。 不过近年来关于在移动台使用智能天线的研究也出现了。与智能天线的上行波束 形成技术相比，下行波束形成技术却存在很多困难。 在实际中，基站使用阵列天线发射，而移动台使用单天线接收。在时分双工 ( t d d ) 模式下，只要满足一定的条件，则可以认为上、下行的信道特性变化不 大；然而，在频分双工( f d d ) 模式下，上、下行载频间隔较大，上、下行信道 是不相关的，而且阵列响应也与信号的载波频率有关，使得f d d 系统的下行问题 复杂化了。上行波束形成是多用户分离，一组选定的权值只影响期望用户：下行 波束形成中每一组发射权矢量会影响到所有的用户，所以各组权值之间是相互影 响的。 本文主要围绕智能天线下行发射波束形成算法这一问题进行研究。 1 2 国内外研究现状 目前各国都在致力于将智能天线技术应用于第三代移动通信中。国际电联 ( i t u ) 已经确定的3 个无线传输标准是t d - s c d m a ，w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 。 其中t d s c d m a 技术是由我国大唐电信科学技术研究院自行研究并提出的具有 完全自主知识产权的标准。w c d m a 是由欧洲和日本共同支持实施的标准， c d m a 2 0 0 0 代表了美国和北美地区的标准。各国都已经开展了大量的理论分析研 究，同时也建立了一些技术试验平台。 t d s c d m a 系统利用时分双工( t d d ) 使上下行射频信道完全对称，以便 于在基站使用智能天线技术。通过相干接收来自移动台的信号，再进行相应的空 间谱处理，获得此信号的空间特征矢量及矩阵，并得到信号的功率估值和d o a 估值，在此基础上就可以进行下行波束形成。 在下行发射波束形成算法的研究上，国内外都有很多文献资料。文献”提 出了一种基于上行信号的d o a 信息的下行发射波束形成技术。文中的方法可以 估计出2 m 2 3 ( m 为天线阵元数) 条直接路径和多径信号的波达方向，基于此波 第一章绪论 达方向的信息，可以完成t d m a 系统有效的下行发射算法。文献1 6 , 9 1 提出通过移 动台反馈信号到基站，从而得到下行信道的一些信息，但是该反馈的方法需要修 改现在的无线电标准，所以该方法希望能够在未来的移动通信网络中使用。文献”1 提出利用空间协方差矩阵转换来实现下行波束形成算法。文献“1 利用最小二乘法 求得频率转换矩阵，然后对权矢量进行上、下频率的转换，从而完成下行波束形 成。 综上所述，在下行发射波束形成算法的研究方面，为了获得下行信道信息， 主要有三种方法：一是反馈的思想，利用移动台的反馈获得下行信道信息；还有 利用上行信号的d o a 估计信息；最后是利用转换的方法，使上行的信道协方差 矩阵转换为下行的信道协方差矩阵，或是上行权矢量转换成下行权矢量。 1 3 本文的主要工作 本文的目的在于研究智能天线发射波束形成算法，主要工作包括： 1 分析了阵列天线的基本模型。 通过分析阵列天线的基本模型，包括均匀线阵和均匀圆阵两种情况，熟悉阵 列特性，在此基础上进行智能天线发射波束形成技术的研究。 2 研究了无线通信信道的空间特征。 其中包括天线系统，无线电波传播模型及真实信道的损耗。 3 研究了基于d o a 估计的下行波束形成技术。 主要是对工作在时分双工( t d d ) 模式下的通信系统进行的研究。通过上行 信道信息进行d o a 估计，根据估计的信息完成发射波束形成。并通过仿真分析 了算法的性能。 4 ，研究了频分双工系统中的波束形成算法。 分析了在频分双工系统中上、下行信道的特点，通过构造下行信道协方差矩 阵完成下行波束形成算法，并对算法进行了仿真分析。 全文共分五章，各章的内容安排如下： 第一章为绪论。简单介绍了智能天线的研究背景，以及国内外的研究现状， 并且对全文的组成进行介绍。 第二章介绍智能天线技术的基本概念和优越性。通过对阵列天线的分析，进 一步引入了波束形成算法的介绍，最后概括地介绍了实现智能天线下行发射波束 形成的难点。 第三章介绍无线通信信道的空间特性。首先介绍天线系统的传播模型，然后 引入无线电波传播模型，以及真实信道中的路径衰落，包括大尺度路径损耗和小 尺度衰落。最后介绍了矢量信道冲击响应模型。这些都是分析上、下行信道的特 4 智能天线发射波束形成技术研究 征的基础。 第四章主要研究基于d o a 信息的下行发射波束形成算法，主要考虑时分双 工( t d d ) 系统。首先简单介绍了几个基本的d o a 估计方法。通过上行信道信 息估计d o a 的信息得到最佳权向量进行下行波束形成。最后通过c h e b y s h e v 多 波束优化技术，对发射波束进行优化以获得最佳性能。对上述算法都进行了分析 和仿真。 第五章研究了频分双工( f d d ) 系统的下行波束形成算法。首先分析了频分 双工系统上、下行信道的特点，然后通过双工阵列的方法使上行信道协方差矩阵 转换为下行信道协方差矩阵，根据最大信噪比算法和最大信干噪比算法得到下行 发射波束形成的权矢量，通过仿真分析可以看出算法的性能。其间还对双工阵列 的实例，对数周期阵列，进行了分析和仿真。 第二章智能天线技术基础 第二章智能天线技术基础 2 1 概述 在无线通信中，有限的频谱资源造成通信容量受限，复杂的传输环境可能导 致严重的多径衰落，远近效应和移动台的电池寿命使系统对发射功率有比较严格 的要求等等，使无线通信有一些不同于有线通信的特点。早期的无线通信的研究 主要是针对系统在无线传输方面所出现的一些问题而进行的，例如研究无线信道 的传输特性，采用各种信道编码，靠不断开发新的频段资源等手段来解决频率资 源不足的矛盾。这些研究工作极大地推动了移动通信技术的发展。然而这些方法 往往只从问题的某个方面出发，因而仍然缺乏从根本上解决问题的有效方案。蜂 窝小区体制也是利用用户的空域信息解决频谱资源匮乏的方法。蜂窝式组网结构 实现了不同空间频率的复用( f r e q u e n c yr e u s e ) ，即相隔一定复用距离的小区可以 共享同一组频率，从而提高频率利用率。蜂窝小区体制下，复用频率之间的隔离 是依靠电磁波在空间传播时的衰减来实现的。为了进一步提高频谱的复用率，人 们开始将自适应波束形成技术应用于蜂窝小区，利用用户的空间方位信息来提高 系统的容量，即智能天线技术。采用阵列天线及空时信号处理技术，充分利用移 动用户的空间方位信息来提高无线通信的传输质量及系统容量的信号处理技术就 是智能天线技术。 智能天线技术利用数字信号处理技术，产生空间定向波束，使天线主波束对 准期望信号方向，旁瓣或零陷对准干扰信号方向，达到充分高效利用移动用户信 号并删除或抑制干扰信号的目的。使用智能天线将在以下几个方面提高未来移动 通信系统的性能： 1 ) 扩大系统的覆盖区域； 2 ) 提高系统容量和频谱利用率； 3 ) 提高数据传输速率； 4 ) 降低基站发射功率，节省系统成本，减少信号问干扰与电磁环境污染。 2 2 智能天线技术的主要优点 智能天线的基本思想是通过自适应阵列天线跟踪并提取各移动用户的空间信 息，利用用户位置的不同，在同信道( 频段时隙，码道) 中发送和接收各用户 的信号而不发生相互干扰。智能天线技术使通信资源不再局限于时间域、频率域 6 智能天线发射波束形成技术研究 或码域，拓展到了空间域，是基于空分多址( s d m a ) 的技术。 智能天线通过增加覆盖距离，提高穿透建筑物的能力，达到增加覆盖范 围的目的。 在基站和用户发射功率不变的情况下，智能天线可以通过增加基站天线的增 益而增加覆盖距离。上行时基站接收到的移动台功率为 p r = 只+ g 。+ g 6 一p l ( 2 - 1 ) 其中，只是基站接收到的功率，只是用户的发射功率，g ，是用户端的天线增 益，q 是基站的天线增益。上行链路中，如果基站要求的接收功率为p 劬，通过 提高基站的增益g 。，链路可以容许更大的路径损耗儿。通过增加容许路径损耗， 可以增加基站的接受距离d 。与传统天线相比，智能天线系统能提供更大的增益。 智能天线为非理想情况下的系统扰动和灵敏度降低提供有力的保护。 c d m a 系统需要功率控制保证到达基站的所有信号大致具有相同的功率电 平。智能天线有助于将不同用户的上行信号隔开，从而降低功率控制的要求或缓 和非理想功率控制的影响。无线系统还对用户的地面分布特别敏感。智能天线可 以调整方向图，以覆盖用户密度暂时很高地热点地区( h o ts p o t ) 。 多径处理可以改善链路质量。 无线信道中的多径能导致衰落和时间扩散。智能天线有助于缓和多径的冲击， 甚至可以利用多径所固有的分集效应。 智能天线能提高系统容量。 使用智能天线，用户和基站能以较低的功率达到与常规系统同样的容量。 f d m a 和t d m a 系统重新规划信道后，能更频繁地复用频率信道，因为比起使 用固定天线，智能天线可以提高载干比。在c d m a 系统中，利用智能天线使每个 链路的用户发射功率降低，则会相应降低多址干扰，从而增加每个小区能同时容 纳的用户数。如果用户信号在基站处是空间可分( s p a t i a l l y s e p a r a b l e ) 的，智能天 线还可以从空间上分离信号，使不同用户共享同一频谱资源。允许多个用户在同 - d , 区给定的频时隙上操作，可以使有限的频谱支持更多的用户。 2 3 智能天线技术 智能天线以多个高增益的动态窄波束分别跟踪多个期望信号，来自窄波束以 外的信号被抑制。但智能天线的波束跟踪并不意味着一定要将高增益的窄波束指 第二章智能天线技术基础 7 向期望用户的物理方向，事实上，在随机多径信道上，移动用户的物理方向是难 以确定的，特别是在发射台至接收机的直射路径上存在阻挡物时，用户的物理方 向并不一定是理想的波束方向。智能天线波束跟踪的真正含义是在最佳路径方向 形成高增益窄波束并跟踪最佳路径的变化，充分利用信号的有效发送功率以减小 电磁干扰。从结构上，智能天线可以分为两大类：波束切换天线系统和自适应天 线系统。 1 ，波束切换天线系统 波束切换天线具有有限数目的、固定的、预定义的方向图。通过阵列天线技 术在同一信道中利用多个波束同时给多个用户发送不同的信号，从几个预定义的 固定波束中选择一个。当用户越过扇区时，从一个波束切换到另个波束。在特 定的方向上提高灵敏度，从而提高通信容量和质量。波束切换天线系统如图2 1 所示。 为保证波束切换天线共享同一信道的各个移动用户只接收到发给自己的信号 而不发生串话，要求基站天线阵产生多个波束来分别对应不同的用户，特别地， 在每个波束中发送的信息不同而且要互不干扰。 图2 - 1 波束切换天线系统 每个波束的方向是固定的，并且其宽度随着天线阵元数而变化。对于移动用 户，基站选择不同的对应波束，使接收的信号强度最大。但用户信号未必在固定 波束中心，当使用者是在波束边缘，干扰信号在波束中央，接收效果最差。由于 扇形失真，波束切换天线增益在方位角上不均匀分布。当用户位于两个波束交叉 的边缘时，接收效果最差，所以波束切换天线不能实现信号的最佳接收，但是与 自适应天线相比，它的结构简单，实现的造价比较低，而且切换波束天线不需要 8 智能天线发射波束形成技术研究 判断用户信号方向( d o a ) 。现在工程上多采用波束切换天线的方式。 2 自适应天线系统 如图2 - 2 所示自适应天线系统。 胯列姓理器 卜蹙撷乍馨带忤m l 石鬲 _l 、 f 蹙蛾书墙带忖ml 置 一 嚣 输批信号“oi 一 一l r 。 f 蝴肇赫带h 巾i 五i 溟惹佑哮k - j i 误箍依蛩 i 妇器j 静链站l ji lr 图2 - 2 自适应天线系统 自适应天线利用数字信号处理技术，产生空间定向波束，使天线主波束对准 期望用户信号到达的方向，对于干扰方向形成零陷，实现期望信号的最佳接收。 自适应天线是由天线阵和实时自适应信号接收处理器所组成的一个闭环反馈控制 系统，它利用反馈控制方法自动调整天线阵的方向图，使它在干扰方向形成零陷， 抵消干扰信号，达到抗干扰的目的。 根据天线阵输出信号与参考信号的误差，按一定的优化准则进行自适应调节 对天线阵的加权复系数。当自适应调节算法收敛后，使天线阵加权合并后的输出 信号具有最大的信干噪比( s i n r ) ，此时天线阵所形成的方向图主瓣对应着期望 信号的波达方向，零点对应着干扰信号的波达方向。与波束切换天线相比，自适 应天线的方向图是根据用户及干扰的不同角度自动形成的，当期望信号与干扰靠 得比较近时，仍然可以有效地抑制干扰，同时自适应天线对多径的方向分布不敏 感，对于平衰落信道，能够有效利用多径实现角度分集。理论上具有m 个阵元 的天线阵，当干扰数n 小于m 时，可以完全抑制掉n 个干扰。 自适应天线虽然从理论上讲可以达到最优，但相对而言各种算法均存在所需 数据量大、计算量大，收敛速度慢，在某些情况下甚至可能出现错误收敛等缺点， 实际信道条件下当干扰较多、多径严重、特别是信道快速时变时，很难对某一用 户进行实时跟踪、但是从理论角度看，自适应天线能够实现系统的最佳性能。是 未来无线通信的理想目标。而高效，快速的自适应波束形成算法是自适应天线实 用化的关键。 第二章智能天线技术基础9 理论上，智能天线可以用于基站端和用户端，但是由于体积、复杂度和价格 的关系，智能天线应用于用户端还存在一些困难，但是这方面的研究已经开始了。 目前，对智能天线的研究和试验主要是集中在基站端。基站智能天线用于上行链 路( 用户到基站) 和用于下行链路( 基站到用户) 。智能天线的核心在于信号处理， 即波束形成算法。在智能天线的上行波束形成算法中已有比较成熟的算法。而由 于下行信道参数未知，所以下行波束形成的实现比较困难，有待于进一步研究。 2 4 阵列天线 无线通信通过天线发射和接收电磁波。为了提高电磁波的利用率，天线应具 有一定的方向性，做到定向地发射和接收；而当对方位置改变时，天线波束的指 向也应随之变化。对于移动通信，基站要面对众多的用户，而且用户的方向是多 变的，且无法预知。早期的基站采用全向天线，不仅能量利用率不高，而且造成 相互影响，因为一个用户的信号对其它用户相当于干扰。因此提出智能天线的问 题，使天线能同时形成多个波束且波束的指向可控，使发射和接收波束均能指 向所期望的用户。 智能天线使用列低增益阵元( e l e m e n t ) ，连接在合并网络上。图2 3 给出了 一个任意的天线元阵列。 其中，妒是入射到阵列上的平面波的方位角，口是仰角。水平面用p = 鲁表示。 z 为简化天线阵分析，作如下假设： 阵元间距足够小，不同阵元接收到的信号幅值相同。 阵元间没有耦合。 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。 入射到阵列上的信号带宽小于载频。 x 图2 - 3 任意天线阵列示意图 y 1 0智能天线发射波束形成技术研究 令信号的载波为p 州，并以平面波形式在空间沿波数向量k 的方向传播，如图 2 3 ，设基准点处的信号为s ( t ) e 脚，则距离基准点r 处的阵元接收的信号为 s ，( ，) = 5 ( f - 三，7 c t ) e x p j ( w t y t 女) 】 ( 2 - 2 ) 其中，k 为波束向量； 口= k 肥f 为电波传播方向，单位向量； 卢= = w c = 2 z 丑为波数( 弧度，长度) ，其中c 为光速，五为电磁波的波长： 三r 7 口为信号相对于基准点的延迟时间； c 一，r i 为电波传播到离基准点r 处的阵元相对于电波传播到基准点的滞后相 位( 弧度) 。 一r r k = p ( x 。c o s s i n 0 + y 。s i n s i n 0 + z 。c o s 0 ) ( 2 - 3 ) 设空间有m 个阵元组成阵列，将阵元从i 到m 编号，并以阵元1 作为基准 点。设各阵元无方向性( 即全向) ，相对于基准点的位置分别为( f = l ，时；1 = o ) 。 若基准点处的接收信号为s ( t ) e j ”，则各阵元上的接收信号分别为 s ，( ，) = s ( f 一一1 7 c t ) e x p j ( w t r f i ) 】( 2 - 4 ) 由于信号的带宽比载波频率小，所以刚) 的变化相对缓慢，延时r t a - z ( d o ) + 1 0 r 1 0 甙导) ( 3 1 7 ) 以0 其中，吁为路径损耗指数，表明路径损耗随距离增长的速率；d o 为近地参考距离， 由测试决定；d 为t - r 距离。式( 3 1 6 ) 和( 3 ，1 7 ) 中的横杠表示给定值d 的所 有可能路径损耗的综合平均。当坐标为对数对数时，路径损耗可表示为斜率为 l o r l d b 1 0 倍程的直线。，7 值依赖于特定的传播环境。例如，在自由空间，叩为2 ， 当有阻挡物时，玎变大。 表3 - 1 不同环境下路径损耗指数 环境路径损耗指数，玎 自由空间2 市区蜂窝 2 6 3 5 市区蜂窝阴影 3 。5 建筑物内视距传播 1 6 1 ，8 被建筑物阻挡 4 6 被工厂阻挡 2 - 3 选择自由空间参考距离是非常重要的。在宏蜂窝系统中，经常使用l k m 的参 考距离，而微蜂窝中使用较小的距离( 如1 0 0 m 或l m ) 。参考距离应在天线的远 场处，以避免远近效应对参考路径损耗的影响。可以由自由空间路径损耗公式或 通过测试给出参考路径损耗。表3 - 1 列出不同环境下，路径损耗指数。 ( b ) 对数正态阴影 式( 3 1 7 ) 模型没有考虑在相同t - r 距离情况下，不同位置的周围环境差别 非常大，这就导致测试信号与式( 3 1 7 ) 预测的平均结果有很大差异。测试表明， 对任意的d 值，特定位置的路径损耗p l ( d ) 为随机正态分布，即 一一 o p l ( d ) d b 】= p l ( a ) + x 。= p 三( 巩) + 1 0 , t l o g ( 考- ) + x ， ( 3 _ 1 8 a ) “0 和 p , ( d ) l d b m = p , d b m 一p l ( d ) d b ( 天线增益包含在p l ( d ) 中) ( 3 - 1 8 b ) 其中，j 0 为0 均值的高斯分布随机变量，单位为d b ，标准偏差为盯，单位也是 d b 。 对数正态分布描述了在传播路径上，具有相同t - r 距离时，不同的随机阴影 效应。这种现象叫对数正态阴影。对数正态阴影意味着在特定t - r 距离的测试信 智能天线发射波束形成技术研究 号电平是式( 3 - 1 7 ) 的平均值的高斯( 正态) 分布，其中测试信号单位为d b ，高 斯分布标准偏差的单位也是d b 。这样，利用高斯分布可以方便地分析阴影的随机 效应。 近地参考距离d 。、路径损耗指数叩和标准偏差盯，统计地描述了具有特定t - r 距离的特定位置的路径损耗模型。 由于p l ( d ) 为f 态分布的随机变量，即写为只( d ) ，q 函数或误差函数用来确 定接收场强超过特定值的概率。q 函数为 o ( z ，= 去j e x p ( 一争出= 扣咧移 其中， q ( z ) = 1 一q ( - z ) 接收信g - f g 平超过某一特定值，的概率，可由累积密度函数计算： e r p r ( a ) 川：9 ( 业) ( 3 - 2 0 ) 盯 同样，接收信号电平低于某一特定值，的概率为： p r p r ( d ) 纠：q ( 逝) ( 3 - 2 1 ) 盯 2 小尺度衰落 小尺度衰落是指无线信号经过一段时间或短距传播后其幅度快速衰落，以致 大尺度路径损耗的影响可以忽略不计。这种衰落是由于同一传输信号沿两个或多 个路径传播，以微小的时阃差到达接收机的信号相互干涉所引起的。这些波称为 多径波。接收机天线将它们合成一个幅度和相位都急剧变化的信号，其变化程度 取决于多径波的强度、相对传播时间，以及传播信号的带宽。 无线信道的多径导致小尺度衰落效应的产生。三个主要效应表现为： 【1 经过短距或短时传播后信号强度的急速变化。 【2 】在不同多径信号上，存在着时变的多普勒频移( d o p p l e rs h i f t s ) 引起的随机 频率调制。 3 】多径传播时延引起的扩展( 回音) 。 在高楼林立的市区，由于移动天线的高度比周围建筑矮很多，因而不存在从 移动台到基站的视距传播，这就导致了衰落的产生。即使有这样一条视距传播路 径存在，由于地面与周围建筑物的反射，多径传播仍会发生。入射电波以不同的 传播方向到达，具有不同的传播时延。空间任一点的移动台所收到的信号都由许 第三章无线通信信道的空间特性 多平面波组成，它们具有随机分布的幅度、相位和入射角度。这些多径成分被接 收机天线按向量合并，从而使接收信号产生衰落失真。即使移动接收机处于静止 状态，接收信号也会由于无线信道所处环境中的物体的运动而产生衰落。 如果无线信道中的物体处于静止状态，并且运动只由移动台产生，则衰落只 与空问路径有关。此时，当移动台穿过多径区域时，它将信号中的空间变化看作 瞬时变化。在空间不同点的多径波的影响下，高速运动的接收机可以在很短时问 内经过若干次衰减。 由于移动台与基站的相对运动，每个多径波都经历了明显的频移过程。移动 引起的接收机信号频移被称为多普勒频移。它与移动台的运动速度、运动方向， 以及接收机多径波的入射角有关。 ( a ) 影响小尺度衰落的因素 无线信道中许多物理因素影响小尺度衰落： 多径传播信道中反射及反射物的存在，构成了一个不断消耗信号能量的 环境，导致信号幅度、相位及时间的变化。这些因素是发射波到达接收机 时形成在时间、空间上相互区别的多个无线电波。不同多径成分具有的随 机相位和幅度引起信号强度波动，导致小尺度衰落、信号失真等现象。多 径传播常常延长信号基带部分到达接收机的时间，由于码间干扰引起信号 模糊。 移动台的运动速度基站与移动台问的相对运动会引起随机频率调制，这 是由于多径分量存在的多普勒频移现象。决定多普勒频移是正频移或负频 移取决于移动接收机是朝向还是背向基站运动。 环境物体的运动速度如果无线信道中的物体处于运动状态，就会引起时 变的多普勒频移。若环境物体以大于移动台的速度运动，那么这种运动将 对小尺度衰落起决定作用。否则，可仅考虑移动台运动速度的影响，而忽 略环境物体运动速度的影响。 信号的传输带宽如果信号的传输带宽比多径信道带宽大得多，接收信号 会失真，但本地接收机信号强度不会衰落很多( 即小尺度衰落不占主导地 位) 。信道带宽可用相干带宽量化。相干带宽是一个最大频率差的量度， 与信道的特定多径结构有关。在此范围内，不同信号的幅度保持很强的相 关性。若传输信号带宽比信道带宽窄，信号幅度就会迅速改变，但信号不 会出现时间失真。所以，小尺度信号的强度和短距离传输后信号模糊的可 能性与多径信道的特定幅度、时延及传输信号的带宽有关。 ( b ) 多普勒频移 当移动台以恒定速率v 在长度为d ，端点为x 和y 的路径上运动时收到来自 远端源s 发出的信号，如图3 3 。 智能天线发射波束形成技术研究 s 图3 - 3 多普勒效应不意图 无线电波从源s 出发，在x 点与y 点分别被移动台接收时所经过的路径差为 a i = d c o s 0 = v a t c o s 0 。这里缸是移动台从x 运动到y 所需的时间，0 是x 和y 处与入射波的夹角。由于源端距离很远，可假设x 、y 处的0 是相同的，所以， 由路程差造成的接收信号相位变化值为： a c p = 2 r 5 1 ：2 n v a tc o s 0 ( 3 2 2 ) 由此可以得出频率变化值，即多普勒频移厶为： ：上竺：! c o s 0 ( 3 2 3 ) “d ra t丑 由上式可以看出，多普勒频移与移动台运动速度及移动台运动方向，与无线电波 入射方向之间的夹角有关。若移动台朝向入射波方向运动，则多普勒频移为正( 即 接收频率上升) ：若移动台背向入射波方向运动，则多普勒频移为负( 即接收频率 下降) 。信号经不同方向传播，其多径分量造成接收机信号的多普勒扩散，因而增 加了信号带宽。 ( c ) 小尺度衰落类型 信号参数( 如带宽、符号间隔等) 与信道参数( 如时延、多普勒频移) 决定 了不同的发送信号将经历不同类型的衰落。移动无线信道中的时间色散和频率色 散可能产生4 种显著效应，这些是由信号、信道及发送特性引起的。当多径时延 扩展引起时间色散以及频率选择性衰落时，多普勒频移就会引起频率色散及时问 选择性衰落。这两种传播机制彼此独立。图3 4 示出了4 种不同类型衰落。 多径时延扩展产生的衰落效应 多径特性引起的时间色散，导致发送的信号产生平坦衰落或频率选择性衰落。 i 平坦衰落 如果移动无线信道带宽大于发送信号的带宽，且在带宽范围内有恒定增益及 线性相位，则接收信号就会经历平坦衰落过程。在平坦衰落情况下，信道的多径 一 ， ， ， ， 第三章无线通信信道的空间特性 2 5 结构使发送信号的频谱特性在接收机内保持不变。然而，由于多径导致信道增益 的起伏，使接收机信号强度会随着时间变化。 小尺度衰落 ( 基于多径时延扩展) l 平坦衰落频率选择性衰落 1 )信号带宽 信道带宽 2 )延迟扩展 符号周期 小尺度衰落 2 )延迟扩展) 符号周期 ( 基于多普勒扩展) l 快衰落慢衰落 高多普勒频移1 1低多普勒频移 相千时间 符号周期 信道变化快于基带信号变化3 )信道变化慢于基带信号变化 图3 - 4 小尺度衰落类型 i i 频率选择性衰落 如果信道具有恒定增益和线性相位的带宽范围小于发送信号带宽，则该信道 特性会导致接收信号产生频率选择性衰落。在这种情况下，信道冲击响应具有多 径时延扩展，其值大于发送信号波形带宽的倒数。此时，接收信号中包含经历了 衰减和时延的发送信号波形的多径波，因而。产生接收信号失真。频率选择性衰 落是由信道中发送信号的时间色散引起的。这样就引起了符号间干扰( i s i ) 。频 域中接收信号的某些频率比其它分量获得更大增益。 多普勒频移引起的衰落效应 i 快衰落 根据发送信号与信道变化快慢程度的比较，信道可分为快衰落信道和慢衰落 信道。在快衰落信道中，信道冲击响应在符号周期内变化很快。即信道的相干时 间比发送信号的信号周期短。由于多普勒频移引起频率色散( 也称为时间选择性 衰落) ，从而导致信号失真。从频率域看，信号失真随发送信号带宽的多普勒频移 的增加而加剧。 i i 慢衰落 在慢衰落信道中，信号冲击响应变化率比发送的基带信号变化率低得多，因 此可假设在一个或若干个带宽倒数问隔内，信道均为静态信道。在频域中，这意 智能天线发射波束形成技术研究 味着信道的多普勒频移比基带信号带宽小得多。 不同多径参数与信号经历的衰落类型之间的关系总结如图3 - 5 。 平坦慢衰落 平坦快衰落 频率选择频率选择 慢衰落快衰落 发送符号周期 ( a ) 频率选择频率选择 快衰落慢衰落 平坦快衰落平坦慢衰落 ( b ) 图3 - 5 信号所经历的衰减类型 ( a )符号周期；( b ) 基带信号带宽 ( d ) r a y l e i g h 衰落分布 在无线信道中，r a y l e i g h 分布是用于描述平坦衰落信号或独立多径分量接收 包络统计时变特性的一种分布类型。两个正交的噪声信号之和的包络服从 r a y l e i g h 分布。r a y l e i g h 分布的概率密度函数( p d f ) 为： ( 0 r c o ) p 0 ) ( 3 - 2 4 ) 其中，盯是包络检波之前所接收的电压信号的r m s 值，盯2 是包络检波之前的 接收信号包络的时间平均功率。不超过某特定值r 的接收信号的包络由相应的累 计积分给出： 第三章无线通信信道的空间特性2 7 郴m ( 删) = k d r = ) c l r 1 - e x p ( 一嘉) 0 p ( r ) = 只( ，r ) = 加 一等) - u r a y l e i g h 分布的乎均值为。 。e m = e 【r 】2 j p ( r ) 西= 盯j 詈2 l z s ，盯 r a y l e i g h 分布的方差为o - ：，它表示信号包络的交流功率。表示为 矿= e r 2 】一e 2 【，】= f ，2 p ( o a r 一竿 = c r 2 ( 2 妥) = o 4 2 9 2 f r 2 如3 - 6 图所示r a y l e i g h 概率密度函数。 图3 - 6r a y l e i g h 分布的概率密度函数 3 3 3 角度扩展( 空间选择性衰落) ( 3 - 2 5 ) ( 3 ，2 6 ) ( 3 2 7 ) 接收端的角度扩展( a n g l es p r e a d ) 指的是多径信号到达天线阵列的到达角度 的展宽。同样，发射端的角度扩展指的是由多径的反射和散射引起的发射角展宽。 角度扩展给出接收信号主要能量的角度范围，产生空间选择性衰落 ( s p a c e s e l e c t i v ef a d i n g ) ，即信号的幅值与天线的空间位置有关。空间选择性衰落 用相干距离( c o h e r e n c ed i s t a n c e ) 描述，相干距离定义为两根天线上的信道响应 保持强相关时的最大空间距离，相干距离越短，角度扩展越大：反之，相干距离 越长，则角度扩展越小。 典型的角度扩展值为：室内环境3 6 0 。，城市环境2 0 4 ，平坦的农村环境1 。 表3 2 示出了蜂窝通信在1 8 0 0 m h z 载频处的典型时延扩展、角度扩展和单 智能天线发射波束形成技术研究 边多普勒扩展。 表3 - 2 蜂窝式通信中的典型时延扩展、角度扩展和多普勒扩展 环境时延扩展p s角度扩展“。)多普勒频移h z 平坦的农村o 5 11 9 0 城市52 01 2 0 丘陵 2 03 01 9 0 林阴路 o 31 2 01 0 室内 o 13 6 05 3 4 空时无线信道的特点 对智能天线系统进行性能分析时，重要的是要了解阵列响应和多径信道间的 关系。无线系统中，信道中发射的信号与周围环境的相互作用十分复杂，有大物 体的反射、电磁波绕物体的绕射和信号散射。这些复杂作用导致了接收机处多个 信号分量，即多径( m u l t i p a t h ) 信号的产生。 每个信号分量经历的不同多径环境决定了第k 个用户第l 条多径分量的幅值 ( , o k ，f ) 、载波相移( y “) 、时延( f “) 、波达方向( 以，) 和多普勒频移( ，) 。 通常，这些参数都是时变的。将幅值、相移、和多普勒频移合在一起，用下式简 化表示 o t k , i ( r ) = p k j 矾。蛳 ( 3 2 8 ) 通常使用一个非常适于数字仿真的离散模型来表征信道，其中每个多径分量 看作以离散时延、从离散方向到达的平面波。利用信道冲击响应( c h a n n e li m p u l s e r e s p o n s e ) 建模 k f t l 一i厶“1 一l h k u ，f ) = o k j ( t ) 8 ( t - r k ，( r ) ) = , o k ，o 弦“o 万( f 一“，( ，) ) ( 3 - 2 9 ) l = 01 = 0 式中，t ( ，) 是多径分量的个数。多径分量的幅值凤) 通常认为是一个不变、瑞 利、莱斯或对数正态分布的随机变量，相移阢是均匀分布的。 考虑到多径分量的波达方向，对式( 3 - 2 9 ) 中的信道冲击响应进行修正，得 到向量信道冲击响应 第三章无线通信信道的空间特性 k ( r ) 一i h ( t ，f ) = 口( 珐膨( 够( 卜靠朋) i = 0 = d ( 丸，) n j ( f ) e “8 ( t - r 刈( ，) ) ( 3 3 0 ) i = 0 式中，日( 丸，) 是导引向量( s t e e r i n g v e c t o r ) 。导引向量是阵列几何结构和波达角的 函数， a ( o ，庐) = 1 1a l ( 口，妒) ( i m - i ( 口，庐) 】” ( 3 3 1 ) 式中 乜。( 护，) = # 。叫1 3 叫9 卜h 蛐1 5 叫8 卜叫8 ( 3 3 2 ) 式中，口= 2 r e 3 , 是相位传播因子( p h a s ep r o p a g a t i o n f a c t o r ) 。 给定发射信号乱( f ) ( 在这里，移动台为发射，基站为接收) ，数据向量为 ( ，) = k 邶( r ) u k , m - 1 0 ) 】7