（电磁场与微波技术专业论文）智能天线的天线个数及阵列排布研究.pdf

北京邮电人学硕i ：研究生学位论文智能天线的天线个数及阵列排布研究 智能天线的天线个数及阵列排布研究 摘要 近年来移动通信市场的高速膨胀，有力地推动了移动通信事业的 发展，同时也使通信技术面临着艰巨的挑战。在巨大的市场潜力的推 动下，有关3 g 的关键技术和标准化工作备受关注，并取得了可喜的 进展。为满足曰益增长的通信业务的要求，现在全球正在研制和推广 第三代移动通信系统，其主要特点包括采用宽带c d m a 多址方式， 基站采用天线阵列实现灵活的波束扫描，通信容量较采用传统的全向 天线扇区化天线有很大提高，并且拥有多媒体业务能力。 作为3 g 中的关键技术智能天线成为研究热点。智能天线采用空 分多址( s d m a ，s p a c e d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 技术，利用信号在 传播方向上的差别，将同频率、同时隙的信号从空域区分开来。它可 以成倍地扩展通信容量，并和其它复用技术相结合，最大限度地利用 有限的频谱资源。智能天线技术还可以有效地克服移动通信中由于复 杂的地形、建筑物结构等对电波传播的影响，以及时延扩散、瑞利衰 落、多径、共信道干扰等产生的不利影响。 目前关于智能天线的波束赋形算法和d o a 估计算法已经研究的 非常成熟，但是关于智能天线的实际工程问题却讨论的比较少。 t d s c d m a 商用在即，布置智能天线也成为其中的一个环节。既要 考虑智能天线的性能指标到达规定标准，又要考虑到天线个数及阵列 排布对系统性能的影响，因此研究其趋势，同时如何布局天线的排列 成为了一个问题。 本文就此问题做了细致的分析和严谨的推导，分析了目前通常情 况下的智能天线性能，对几种常见的天线阵列做了仿真，并辅以一个 改进的天线阵列进行仿真，由仿真结果可以明显看出性能提高的趋 势，证明本文所提出的智能天线的个数和阵列排布是合理可行的。 关键词：智能天线天线数天线阵列方向图性能仿真 北京邮电大学硕l 研究生学位论文智能天线的天线个数及阵列排布研究 s t u d yo ft h en u m b e ra n da r r a n g m e n to f s m a r ta n t e n n aa rra y a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t h em a r k e t e x p a n s i o no ft h eh i g h s p e e dm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s h a se f f e c t i v e l yp r o m o t e dt h ed e v e l o p m e n to fm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s ，a sw e l la s c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yf a c e sd a u n t i n gc h a l l e n g e s u n d e rt h ed r i v e no ft h eh u g e m a r k e tp o t e n t i a l ，t h ek e yt e c h n o l o g i e sa n ds t a n d a r d i z a t i o nw o r ko f3 ga r ep a i dm o r e a t t e n t i o na n dh a v er e c e i v e de n c o u r a g i n gp r o g r e s s t h ew o r l di sd e v e l o p i n gt h et h i r d g 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 ns y s t e mt om e e tt h eg r o w i n gr e q u i r e m e n t so ft h e e o m m u n i c a t i o n sb u s i n e s s i t sm a i nf e a t u r e si n c l u d eb r o a d b a n dc d m a af l e x i b l e b e a m s c a n n i n gb yu s i n ga n t e n n aa r r a y sa tb a s e s t a t i o n ，s t r o n g e rc o m m u n i c a t i o n s c a p a c i t yt h a nu s i n gt h et r a d i t i o n a lf u l la n t e n n ao rs e c t o r - a n t e n n a ，a n dm u l t i m e d i a c a p a b i l i t yg a i n i n g s m a r ta n t e n n ai so n eo ft h ek e yt e c h n o l o g i e si n3 gs y s t e m s m a r ta n t e n n au s i n g s p a c ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ( s 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 ) t e c h n o l o g y a n dt h es i g n a lp r o p a g a t i o nd i r e c t i o nw i l ld i f f e r e n t i a t et h es i g n a l so ft h es a m e f r e q u e n c ya n dt i m e s l o ti na i r s p a c e i tc a nb ed o u b l e dt oe x p a n dc o m m u n i c a t i o n s c a p a c i t y , a n dm a x i m i z et h eu s eo fl i m i t e ds p e c t r u mr e s o u r c e sb yc o m b i n i n go t h e r m u t i t e c h n o l o g i e s i nm o b i l ec o m m u n i c a t i o n ，s m a r ta n t e n n ac a no v e r c o m et h e n e g a t i v ei m p a c te f f e c t i v e l yw h i c hi sc a u s e db y t h ec o m p l e xt e r r a i n ，b u i l d i n g sa n d d e l a ys p r e a do fr a y l e i g hf a d i n g ，m u l t i p a t ha n dt o t a lc h a n n e li n t e r f e r e n c e c u r r e n t l y , s m a r ta n t e n n ab e a m f o r m i n ga l g o r i t h m sa n dd o a e s t i m a t i o na l g o r i t h m h a sb e e ns t u d i e dv e r ym a t u r e l y h o w e v e r , a c t u a le n g i n e e r i n gp r o b l e m so fs m a r t a n t e n n ah a v eb e e np a i dl e s sa t t e n t i o n t d s c d m ai sg o i n gt ob ec o m m e r c i a lu s i n g , s os m a r ta n t e n n aa r r a n g e m e n th a sa l s ob e c o m eo n es t e do ft h ew h o l ep r o j e c t w e s h o u l dc o n s i d e rb o t hs m a r ta n t e n n ap e r f o r m a n c ei n d i c a t o r sr e a c ht h er e q u i r e d s t a n d a r d s a n da l s ot a k i n gi n t oa c c o u n tc o s ta n dt h e1 a y i n go f n o i s e , a n dr a d i a t i o n p o l l u t i o n h o wt ou s et h el o w e s tp o s s i b l en u m b e ro fa n t e n n a , h o wt h el a y o u to ft h e a n t e n n aa tt h es a m et i m ea r r a n g e df o rap r o b l e m t h i sp a p e ro nt h ei s s u et oad e t a i l e da n dr i g o r o u sa n a l y s i so ft h es i m u l a t i o ni s d e r i v e d ，u s u a l l ya n a l y s i so ft h ec u r r e n tc i r c u m s t a n c e si ns m a r ta n t e n n ap e r f o r m a n c e r a i s e dar e a s o n a b l ea n t e n n a sa r r a n g e d ，a n dc o m p l e m e n t e db ya ni m p r o v e d b e a m f o r m i n ga l g o r i t h m ss i m u l a t i o n ，s i m u l a t i o nr e s u l t sp r o v e dt h i sb yt h en u m b e ro f s m a r ta n t e n n aa n dt h el a y o u ti sm o r er e a s o n a b l ea n df e a s i b l e k e yw o r d s ：s m a r ta n t e n n a , n u m b e ro fs a ，a r r a yo fs a ，p a t t e r ns y n t h e s i s ， p e r f o r m a n c es i m u l a t i o n 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本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，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作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：捣丝日期：碰：呈：竺 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电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北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位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、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名：趋丝 导师签名： 日期：塑：兰：蟹 日期： 北京邮电大学硕+ 研究生学位论文智能天线的天线个数及阵列排布研究 1 1 智能天线技术 1 1 1 智能天线简介 第一章绪论 智能天线( s a ，s m a r ta n t e n n a 或i a ，i n t e l l i g e n ta n t e n n a ) ，原名自适应天线 阵列( a a a ，a d a p t i v ea n t e n n aa r r a y ) ，最初应用于雷达、声纳、军事方面，主要用 来完成空间滤波和定位，大家熟悉的相控阵雷达就是一种较简单的自适应天线阵。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。 顾名思义，智能天线是一种智能化的天线形式，这里的智能化体现在自适应上， 这种自适应的天线阵由多个天线单元组成，每一个天线后接一个加权器( 即乘以某一 个权值系数，这个系数通常是复数，既调节幅度又调节相位，而在相控阵雷达中只有 相位可调) ，最后用相加器进行合并。这种结构的智能天线只能完成空域处理，同时 具有空域、时域处理能力的智能天线在结构上相对复杂些，每个天线后接的是一个延 时抽头加权网( 结构上与时域f i r 均衡器相同) 。自适应或智能的主要含义是指这些 加权系数可以恰当改变、自适应调整。 随着社会信息交流需求的急剧增加、个人移动通信的迅速普及，频谱己成为越来 越宝贵的资源。智能天线采用空分复用( s d m a ) 技术，利用在信号传播方向上的差别， 将同频率、同时隙的信号区分开来。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谱资源。另外在移动通信中，由于复杂的地形、建 筑物结构对电波传播的影响，大量用户间的相互影响，产生时延扩散、瑞利衰落、多 径、共信道干扰等，使通信质量受到严重影响。采用智能天线可以有效地解决这个问 题。 智能天线可以用于基站端，也可用于移动终端。用于基站端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的移动而移动。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 北京邮电大学硕士研究生学位论文 智能天线的天线个数及阵列排布研究 通信。 用于移动终端的智能天线可以有效地提高通信性能，降低发射功率，减少电磁波 对人体的伤害。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，这样 可以为用户提供定位服务，如导航、紧急救助等。天线的空间分集可以克服快衰落， 显著提高通信质量，有时也把它归入智能天线的范畴。 1 智能天线分类 根据不同的要求智能天线的分类也不同，一般可以分为三类：空间分集接收、波 束切换天线和自适应天线阵列。它们的复杂度依次递增，性能也依次递增。我们讨论 的智能天线主要指的是第三类自适应天线阵列。 自适应天线阵列的接收设各与开关波束天线有些相似，都是基于波束的，但它们 的具体操作不同。自适应天线阵列框图如图卜1 所示。 睡丽一? ：一d _ m 2 一：一 i 1 f 、 信 ?f 一 号 - 信道估计 滤 一 i 波 i 器 l i 达波方向( d o a ) 估计 l 一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一j 图卜1 自适应天线阵列框图 自适应天线主要采用一个天线阵列，对每一个用户进行到波达方向( d o a ， d i r e c t i o no fa r r i v a l ) 估计，在对移动用户正确定位的基础上，估计用户信道，最 后得到想要的信号。接收机根据波达方向的估计模块来估计定位用户的位置，形成对 应的波束，随后在这个波束覆盖的区域建立通信链路。信道估计模块，对每一个波束 中用户的信道进行估计，为后面的信号恢复提供信道信息。信号滤波器，利用上两个 模块提供的估计信息对接收到的信号进行滤波处理，处理符号间干扰和用户间干扰。 与开关波束天线不同，自适应天线能够准确地估计出用户的位置，利用基站分配的波 束进行上下行链路通信。通信时波束直接对准用户，避免或者减小了多径形成的可能， 也减小了其他用户的干扰，降低了发射的功率，扩大了基站的覆盖范围，提高了蜂窝 2 北京邮电人学硕士研究生学位论文智能天线的天线个数及阵列排布研究 系统的容量。 2 智能天线的基本结构 智能天线是一种阵列天线，它通过调节各阵元信号的加权幅度和相位来改变阵列 的方向图形状，即自适应或以预制方式控制波束幅度、指向和零点位置，使波束总是 指向期望方向，而零点指向干扰方向，实现波束随着用户走，从而提高天线的增益和 信噪比( s i n r ，s i g n a lt oi n t e r f e r e n c en o i s er a t i o ) ，节省发射功率，延长电池 寿命和降低用户手机体积，其基本原理结构如图1 - 2 示。 天线阵列模数变换波束形成网络 图1 - 2 智能天线的原理结构图 由图可见，智能天线系统由以下几部分组成： ( 1 ) 天线阵列部分 天线阵元数量和天线阵元的配置方式都对智能天线的性能有着直接的影响，设阵 元数为m ，一般在移动通信中取m = 8 、1 6 等。 阵列天线的组阵方式多种多样，典型的阵列形状大致可分为：线阵、面阵、圆阵 北京邮电人学硕士研究生学位论文智能天线的火线个数及阵列排布研究 等，而在实际应用中还可以根据不同的需要组成三角阵、不规则阵和随机阵等。 ( 2 ) 模数转换部分 这里我们只考虑基站端的智能天线，在上行链路时，天线将接收到的模拟信号转 换为数字信号；而在下行链路时，要将处理后的数字信号转换成模拟信号。 ( 3 ) 波束形成网络部分 这一部分的丰要功能体现为天线波束在一定范围内能根据用户的需要和天线传 播环境的变化，通过数字信号处理器自适应地调整权值系数、m 、以调整到 合适的波束形成网络，或者从预先设置好的权值系数列表中根据一定的准则挑选一组 最佳值以获得最佳的主波束的方向。 以上介绍的都是智能天线用作接收天线时的结构，当用它进行发射时结构稍有变 化，加权器或加权网络置于天线之前，也没有相加合并器。 3 智能天线的工作原理 智能天线的基本思想是：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，智能天线的“智能化”正体现于此。智能天线的理想前景是空分多址 ( s d m a ) ，它不是信道复用的概念，而是一种信道倍增方式，可与f d m a 、t d m a 、c d m a 等系统完全兼容，从而实现组合的多址方式。 假设满足天线传输窄带条件，即某一入射信号在各天线单元的响应输出只有相位 差异而没有幅度变化，这些相位差异由入射信号到达各天线所经历的路线的长度差决 定。若入射信号为平面波( 只有一个入射方向) ，则这些相位差由载波波长、入射角 度、天线位置分布唯一确定。给定一组加权值，一定的入射信号强度，不同入射角度 的信号由于在天线间的相位差不同，合并器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 ) 为纵坐标所作的图被称为方 向图( 天线术语) ，智能天线的方向图不同于全向( o m n i 一) 天线( 理想时为一直线) ， 而更接近方向( d i r e c t i o n a l ) 天线的方向图，即有主瓣( k h i nl o b e ) 、副瓣( s i d el o b e ) 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 较大的天线增益( 天线术语，天线的一项重要指标，是最强方向的增益与各方向平均 增益之比) ，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 4 北京邮电大学硕士研究生学位论文智能天线的天线个数及阵列排布研究 们可以通过改变权值来选择合适的方向图，即天线模式( a n t e n n ap a t t e r n ) 。 所谓合适的方向图，是指为了最大限度地放大有用信号、抑制干扰信号，最直观 的是我们可以将主瓣对准有用信号的入射方向，而将方向图中的最低增益点( 被称之 为零陷) 对准干扰信号方向。当然这只是理想情况，实际的无线通信环境是很复杂的， 干扰信号很多、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 干扰信号在入射方向上差异可能不大等都使前面的方案并不可行，但追求最大信干噪 比( s i n r ) 依然是最终目标。智能天线的实际工作原理要比上面介绍的复杂，特别是 当进行空、时联合处理时，本书后面的章节会从信号处理、自适应滤波等角度详细介 绍。 1 1 2 智能天线的关键技术 智能天线在移动通信中的应用分为移动台和基站，本部分仅讨论智能天线应用于 基站的实现技术，其中智能化接收技术、智能化发射技术和动态信道分配是3 项关键 的技术。 1 智能化接收技术 应用智能天线c d m a 系统中，由于不同用户占用同一信道，不同用户带来的多址 干扰和多径信道带来的码间干扰会使到达基站的用户信号产生畸变，所以必须采用信 道估计和均衡技术，将各用户信号进行分离和恢复，即多用户检测( m u d ，m u l t i - u s e r d e t e c t i o n ) 技术。整个上行信道等效为一个多重单输入多输出系统。 另一方面，为了给智能发射提供依据，在上行中还需要估计反映用户空间位置信 息的参量，如波达方向( d o a ) 、空域特征( s s ，s p a t i a ls i g n a t u r e ) 等，它们的估 计精度将直接影响到下行选择性发送的性能。目前，完成智能化接收的方法主要有基 于高分辨率阵列信号处理方法和基于信号时域结构方法两类。前一类方法又分为子空 间方法和基于参数估计准则的方法两大类。后一类方法主要利用信号的时域信息和先 验特征进行空域处理。 2 智能化发射技术 在蜂窝系统中，为满足多媒体业务通信质量的要求，发射信号功率一定要动态控 制，在保证整个蜂窝系统各小区的信号总功率平衡的情况下( 各小区干扰基本稳定) ， 满足各种业务的不同传输速率和不同的误码率要求。 智能化发射技术利用用户的空间差异，保证每个用户只接收基站发给它的下行信 号，不受同一信道中基站发给其他用户信号的干扰。实现智能化发射有基于反馈和基 于上行链路参数估计两种方法。前一种方法是基站通过移动台返回基站的训练信号， 估计下行信道的响应情况，其缺点是浪费带宽。基于上行链路参量估计的方法是利用 北京邮电大学硕士研究生学位论文智能天线的天线个数及阵列排布研究 一些特征参量相对于上下行链路的不变性，通过各用户对上行信号的估计，确定下行 链路的波束形成方案。t d - s c d m a 采用后一种方法。 在时分双工( t d d ) 系统中，上、下行链路使用同一载波频率，在信道特征变化 相对较慢的情况下，可以近似认为上、下行链路的信道特征相同，可使用对上行信道 的估计设置下行链路参数。而在频分双工( f d d ) 系统中，由于上、下行链路载频不 同，上、下行链路的信道特性差异很大，要分别估计上、下行链路特征，所以在f d d 系统中使用智能天线比在t d d 系统中使用要复杂得多，这也是在使用智能天线方面 t d d 系统较f d d 系统的优势所在。 3 动态信道分配技术 在通信中，信道分配是保障通信质量、有效利用信道的关键技术之一。在空分信 道引入系统后，空、频、时和码分信道的动态分配技术已成为新的技术难点。后三种 信道分配技术是确定性的，可由系统根据用户情况动态分配，但空分信道分配不同。 在基站处，接收功率相差不大和用户方向角度差大于天线主波瓣的用户，可分享同一 时、频域信道。这样，空分信道分配就成为动态的条件组合问题，且随着用户空间位 置的移动，为跟踪用户，空分信道必须相应变化，随时进行动态分配。空分信道分配 必须与时、频信道分配和切换相结合，这就需要形成一种高效算法，以适应用户的移 动性。对于c d m a 系统，由于其容量是软容量，信道分配相对简单。智能天线本身具 有功率控制功能，其性能要优于现有的功率控制技术。同时基站间的越区切换也将更 为灵活。 1 2 智能天线技术的国内外发展现状 智能天线技术是第三代移动通信系统的关键技术之一。欧、日、美等国都非常重 视智能天线技术在未来移动通信方案中的地位与作用，并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。 欧洲通信委员会( c e c ) 在r a c e ( r e s e a r c hi na d v a n c e dc o m m u n i c a t i o ne u r o p e ) 计划中实施了第一阶段智能天线技术研究，由德国、英国、丹麦和西班牙合作完成。 项甘组在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 h z ，阵元间距可调，阵元分布分别有直线型、 圜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。欧洲通信委员 会准备在a c t 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 ds 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。 6 北京邮电大学硕士研究生学位论文智能天线的天线个数及阵列排布研究 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智能天线。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 收信号在模数变换后，进行快速傅立叶变换( f f t ) 处理，形成正交波束后，分别采 用恒模( c m ，c o n s t a n tm o d u l u s ) 算法或最大比值合并( m r c ) 分集算法。天线数字 信号处理部分由1 0 片f p g a 完成。野外移动试验确认了采用恒模算法的多波束天线功 能。理论分析及实验证明，使用最大比值合并分集算法可以提高多波束天线在波束交 叉部分的增益。上述两种方案在所形成的波束内，选用最大电平接收信号，而不需要 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 研究人员同时也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。利用f p g a 实现 实时天线配置，完成智能处理。 美国德州大学奥斯汀s d m a 小组建立了一套智能天线试验环境，着手理论于实际 系统相结合。a t & t 公司采用带功率控制的开关多波束天线组成智能天线，在1 9 g h z 频段上进行了实验。加拿大m c - m a s t e r 大学研究开发了4 元阵列天线，采用恒模算法。 美国h r r a y c o m m 公司和中国邮电电信科学研究院信威公司研制出应用于无线本地环路 ( w l l ) 智能天线系统。a r r a y c o m m 产品采用可变阵元配置，有1 2 元和4 元环形自适 应阵列可供不同环境选用。在日本进行的现场实验表明，在p h s 基站采用该技术可以 使系统容量提高四倍。信威公司智能天线采用八阵元环形自适应阵列，射频工作于 1 7 8 5 m h z 1 8 0 5 删z ，采用t d d 双工方式，收发间隔l o m s ，接收机灵敏度最大可提高 9 d b 。 1 9 9 8 年中国邮电电子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 dc d m a 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 通信系统，在国内外获得了 广泛的认可和支持，并以此制定了相关标准。 在移动通信技术的发展中，以自适应阵列天线为代表的智能天线已成为最活跃的 领域之一，智能天线技术对移动通信系统所带来的优势是目前任何技术所难以替代 的。 智能天线技术对c d m a 移动通信系统的性能提高和成本下降都有很大的作用，但 智能天线应用于c d m a 系统时，也同时带来了相应的新问题，如：智能天线的校准、 智能天线和其它抗干扰技术的结合、波束赋形的速度问题、设备复杂性的考虑、共享 下行信道及不连续发射、帧结构及有关物理层技术等。在推动标准演进和产品设计上 7 北京邮电人学硕士研究生学位论文智能天线的人线个数及阵列排布研究 都需要考虑和不断解决这些问题。 在第三代移动通信系统中，作为t d - s c d m a 系统中的关键技术之一的智能天线技 术能够使系统在高速运动的信道环境中达到较好的性能。w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 中采用自 适应阵列天线也即将面市。智能天线技术已经日益成为移动通信中最具有吸引力的技 术之一并在以后几年内发挥巨大的作用。 目前，国际上已经将智能天线技术视作为一种三代以后移动通信技术发展的主要 方向之一，一个具有良好应用前景且尚未得到充分开发的新技术，是第三代及未来移 动通信系统中不可缺少的关键技术。 1 3 本课题研究的目的与意义 当前，由于百姓环保意识的日益加强，以及考虑到降低工程施工难度和成本，因 此在保证正常通信的前提下，天线整体尺寸应越小越好，也就是说天线阵元数目越少 越好。然而在理论上，天线阵元数量越多，越有助于系统容量、网络覆盖、赋形增益 和频谱利用率等性能的提升，但这种提升是非线性的并且存在饱和效应。因此，如何 根据不同的环境，在以上两方面达到最好的平衡是一个值得研究的问题。 阵元个数的选择应综合考虑射频子系统的成本和数字基带处理的难易程度，阵元 选择过少会影响系统性能，过多又会相应增加成本和基带实现的难度。因此圆环阵的 阵元个数可选择4 1 2 个阵元，平面阵的阵元个数可选择4 - 8 个阵元。阵元间距为 1 2 波长，若阵元间距过大，则接收信号彼此相关程度降低，太小则会在方向图上形 成不必要的栅瓣。 目前关于智能天线的研究主要在智能天线波束赋形算法，d o a 估计算法等方面研 究。本研究的目标是比较不同阵元数日和不同阵列结构的智能天线的性能，以期在满 足各种环境和业务要求的同时，最大限度地降低各方面的成本并使智能天线更能为大 众所接受。 1 4 论文的主要工作与章节安排 本文从主要从天线数及阵列排布角度出发，对现在常用的几种智能天线排布系统 进行分析与仿真，包括六阵子平面阵列，七阵子平面阵列，八阵子平面阵列，八阵子 均匀圆阵以及目前最新提出的8 + 1 型圆阵。并且在天线增益，波束宽度，实用性等几 个方面进行比较，最后进行总结和技术展望。 论文的章节安排如下： 第一章绪论主要介绍论文的研究背景和相关研究领域，简单介绍了智能天线技 北京邮电人学硕士研究生学位论文智能天线的天线个数及阵列排布研究 术、用途、实现的实际考虑及国内外发展现状。 第二章介绍了智能天线的原理，在详细分析了阵列天线的数学模型的基础上， 给出智能天线空时信道模型。并对波达方向( d o a ) 估计算法和空问自适应滤波算法 进行了着重介绍，最后对其中常见的的几种算法进行了分析研究。 第三章对智能天线的天线数及其阵列排布进行了研究，先提出了天线数对智能 天线性能的影响，接着深入探讨了阵列的排布方式种类，最后重点介绍了本课题所采 用的几种阵列排布模型。 第四章在前几章所研究内容的基础上利用m a t l a b 软件对现在常用的几种模型进 行了仿真，并给出不同天线数，不同阵列排布的情况下的方向图仿真结果，尤其是针 对目前最新提出的8 + 1 型圆阵进行了可行性研究，并在天线增益，波束宽度，实用性 等几方面比较分析。 第五章综合分析了智能天线阵列排布技术在3 g 系统中应用的优势以及所面临的 挑战，并且对本文所做工作进行总结，提出本文有待解决的一些问题和进一步的研究 方向。 9 北京邮电大学硕士研究生学位论文智能天线的天线个数及阵列排布研究 第二章智能天线理论研究 2 1 阵列天线的数学模型 首先，考虑个远场的窄带信号入射到空间的某个阵列上，其中阵列天线由m 个 阵元组成，假设阵元数等于通道数( 这里需要说明的是：通道与阵元不一定是一一对 应的。通道是由空间中一个、几个甚至所有阵元通过加权合成或不加权合成的，而空 间某个特定的阵元也可以包含在不同的通道内。) 即各个阵元接收到信号后经过各自 的传输信道送到处理器，也就是说处理器处理来自m 个通道的数据，如图2 - 1 所示。 h 通道1l h 通道2ll 处 i i理 - l i i器 l i 陟一通蝴h ：一一一一一一 l ；一一 图2 - 1 通常情况下的数学模型 1 殴设信号源是窄带信号，信号司用如f 的复包络形式来表不： j 薯( f ) = 峨o ) e 几件烈嘞 【s i ( t f ) = 吩。一r ) e j o 吖卜卜7 ( 2 1 1 ) 式中，吩( ) 是接收信号的幅度，矽( f ) 是接收信号的相位，是接收信号的频率。 如果窄带信号源是远场的，则有： n ( 卜f ) “以) 【矽o f ) 矽o ) ( 2 1 2 ) 根据式( 2 一卜1 ) 和式( 2 1 2 ) ，显然有下式成立： o f ) s , ( t ) e - j 响7 ，i = l ，2 ，n ( 2 1 3 ) 则可以得到第，个阵元的接收信号为： l o 北京邮电大学硕十研究生学位论文 智能天线的天线个数及阵列排布研究 v 葺( f ) = g t s i ( t - r i ，) + ”觯) ，= l ，2 ，m i = 1 ( 2 1 - 4 ) 其中，繇为第，个阵元对第f 个信号的增益，刀心) 为第，个阵元在时刻f 的噪声， 为第i 个信号到达第，个阵元时相对参考阵元的时延。 将肘个阵元在时刻t 接收到的信号写成一个列矢量， 一o ) lg i l p 一7 吐| b 1 g n p 一7 蛳f 1 2 蜀v p 一问l ” x 2 ( t ) x u ( t ) 9 2 1 e 一，响9 2 2 e 一，“9 2 e 一风f 2 ： g ur e l j 郴mg m 2 e j 蚶m gm n f j 咐m 即： s ( f ) s 2 ( t ) 知( f ) + 啊( f ) 刀2 ( f ) n m ( t ) ( 2 - 1 - 5 ) 理想条件下，不考虑阵列中各阵元的各向异性、通道不一致、互耦等因素的影响， 可以认为式( 2 1 5 ) 中的增益岛相等，所以式( 2 一卜5 ) 可以简化为如下的形式( 将g ，f 归 一化为1 ) ： 五( f ) x 2 ( t ) x u ( t ) 墨( f ) s 2 ( f ) 如( f ) + n i ( f ) ，1 2 ( f ) ( f ) ( 2 - 1 - 6 ) 式( 2 一卜6 ) n - - j 以简化为如f 的矢量形式： x ( t ) = a s ( t ) + n ( t ) ( 2 一卜7 ) 其中，x ( f ) 是m x l 维的阵列快拍数据矢量，n ( f ) 是m 1 维的阵列噪声数据矢量， s ( t ) z 黾n x l 维的空间信号矢量，a 是m x n 维的阵列流型矩阵( 导向矢量矩阵) ，即： a 。【a l ( t o o ) a 2 ( t o o ) a n ( ) 】 ( 2 一卜8 ) 其中，导向矢量： a i ( ) = e j 吣l 匹j 吣 f j 鲥m i ，i = 1 ，2 ，n ( 2 - 1 - 9 ) 纸：2 石，：2 厅三 ”。 兄 ( 2 一卜1 0 ) 式( 2 - 1 - 1 0 ) 中，c 为光速，旯为波长。 从上面的分析中可以知道，一旦得到了阵元间的延迟f ，就可以得到空间阵列的 导向矢量或阵列流型。下面来推导空间阵元间的延迟f 的表达式。假设空间任意两个 阵元，把其中一个作为参考阵元( 位于坐标原点) ，另一各阵元位于坐标( 工，少，z j ，阵 列的几何关系如图2 - 2 所示。 w q 龟 ? 二 吖亿 吃 小脚砧；m q 乇 啊懒；撕胁胁；鲰 叫 北京邮电人学硕十研究生学位论文 智能人线的，人线个数及阵列排布研究 入射信号 ， z ， ， ， ， v ，、 、，。气舻 x l 弋、i 、 图2 - 2 空间任意两阵元的几何关系 由几何关系可以看出，两阵元问的波程差为： r = _ c 1 ( x c o s o c o s + y s i n o c o s # + z s i n ) ( 2 一l 一1 1 ) c ( 2 一i i1 ) 式( 2 - 1 - 1 1 ) 给出的是空间任意位置的两个阵元间的延迟表达式，下面将给出的是 实际环境中常用的几种阵列的阵元间的延迟表达式。 1 平面阵 假设阵元的位置位于( 吒，以) ，k = l ，2 ，一m ，以原点为参考点，信号入射参数为 ( 谚，谚) ，i = 1 ，2 ，“n ，口表示方位角( 入射信号在阵列平面的投影与x 轴的夹角) ，矽表 示俯仰角。则有： f 村：i ( x kc 。s 幺c 。s 谚+ 以s i n 幺c 。s 办) c 2 线阵 假设阵元的位置位于x k ，k = 1 ，2 ，m ，以原点为参考点，信号入射参数为 g ，i = 1 ，2 ，“n ，秒表示方位角( 入射信号与j ，轴的夹角，也就是与阵列法线的夹角) 。 则有： ：! ( s i n 幺) c 3 均匀圆阵 假设阵元的位置位于( x k ，n ) ，七= 1 ，2 ，”m ，以圆阵的圆心为参考点，信号入射 参数为( 幺，谚) ，i = 1 ，2 ，“n ，p 表示方位角( 入射信号在阵列平面的投影与z 轴的夹 1 2 北京邮电大学硕士研究生学位论文智能天线的天线个数及阵列排布研究 角) ，表示俯仰角，圆阵的半径为，。则有： = 知掣吲c o s 谚 2 2 智能天线的空时信道模型 无线通信系统的性能主要受到移动无线信道的制约。因为信号在传播过程中，由 于移动无线信道的影响，有可能信号的强度会出现急速变化，或者信号是在一个时间 段而不是一个时间点到达接收机。对窄带信号，也有可能信号的带宽受到了扩展等等。 这就是说信号往往不可能无失真的到达接收机。在如此复杂的通信环境中，智能天线 可能用到的各种d o a 算法和自适应滤波算法的性能也因环境的不同而各自相异。所以， 在开展智能天线方面的工作之前有必要对无线信道的特征和模型进行必要的研究。 2 2 1 空时无线信道概述 无线通信信道的空间特性是决定智能天线性能至关重要的因素。后面将给出几种 常用的空间信道模型，着重考察影响空间处理接收机的无线信道特征。 经典信道模型提供了接收信号的功率电平分布和多普勒频移的信息。在这些经典 模型的基本原理的基础上，人们还提出了许多新的空间模型。但是，现代空间信道模 型在多径衰落和多普勒频移的经典理解基础上，还融入了时延扩展、波达角和自适应 阵列天线的几何结构等概念。由基本信道模型产生了目前移动台和基站均可以采用的 空间分集的理论。现代信道模型在宽带调制解调的设计上同时包含了时空的特征。早 期的信道模型只能用于信道发生时变的幅值和相位的情况。补充了时延扩展后，这些 模型得到了改进。随着建立在移动台空间分布基础上的技术和特征的引入，相关的信 道模型就需要增加考虑宽带时空特性。 无线信道是一种时变的信道，电磁波的传播形式很复杂，但一般可以归结为折射、 衍射、绕射等几种基本方式。 信道对传输信号的作用的一般表示式为： p ( d ) = j d rs ( d ) r ( d ) ，) 一9 1 、 由上式可以看出，接收信号功率p 是距离d 的函数，而且信道对传输信号作用有 如下三类： 1 自由空问传播损耗，用同i d l 表示，其中玎一般取3 或4 ，l d l 表示移动台与基 站的距离，矢量d 表示了距离具有的方向性。对接收信号而言，知道其功率h 与知 北京邮电人学硕士研究生学位论文 智能天线的天线个数及阵列排布研究 道场强之( t ) 7 0 幅度r 例是等效的。自由空问传播损耗一般是由于地面反射以及折射电 磁波造成的。该损耗是移动台与基站之间距离的函数，描述的是大尺度区间( 数百米 或数千米) 内接收信号强度随着发射机到接收机的距离而变化的特征。 2 阴影衰落，用6c a ) 表示。这是由于传播环境中的地形起伏、建筑物以及其他 障碍物对电波遮蔽所引起的衰落。阴影衰落表现在数百波长的区间内，信号的短区间 中值也出现缓慢变化的特征，其衰落特征符合对数正态分布。 3 多径衰落，用k l n j 来表示。这是由于移动传播环境的多径传输而引起的衰落。 通过无线信道的信号往往会沿着些不同的路径到达接收端，这一现象称为信号的多 径传输。多径衰落是移动通信中最具代表性的