（电磁场与微波技术专业论文）智能天线仿真研究.pdf

两北工业大学硕士学位论文摘要 摘要 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一，智能天线将 会在未束移动通信系统中发挥重要作用。智能天线系统仿真的意义不仅在于可以 验证智能天线各种技术与发现问题，还可以通过对实验数据的处理来评估各种先 进信号处理算法的性能，能够为智能天线研究工作的顺利展开提供有力的支持。 本文对锗能天线性能仿真所涉及的相关技术进行了研究，主要内容如下： 1 、总结讨论了智能天线中常用的自适应算法。按照对信号的处理形式将算法 分为三类分析它们的代价函数、迭代过程及实现难易程度，并通过观察收敛趋 势和天线方向图仿真比较了各算法的性能优劣。 2 、提出两种基于自适应理论的天线方向图综合算法。这两种方法分别在波束 赋形和综合速度上体现出卓越的效果，对阵元的方向性和空间分布没有任何限制， 能够根据不同要求，有效的对阵列方向图进行控制。 3 、研究了空时无线信道的特性。从物理意义的角度研究信道对信号的诸多影 响因素，介绍了在计算机模拟中经常采用的一些信道模型，着重分析g b s b e m 模 型的两种情况，并深入讨论了模型的建立及参数的选取。 4 、分析了智能天线与r a k e 结合的空时二维接收机。结合无线信道特点，分 析一维处理的局限性后，通过系统容量、误码率等方面的仿真对比两种二维处理 组合结构对通信系统的改善程度。 5 、在m a t l a b 环境下搭建了一个配置灵活、可扩展性强的智能天线性能仿真平 台。该平台对智能天线系统的信号接收情况进行全面的模拟，运行结果说明了该 仿真软件的有效性。 关键词：智能天线，方向图综合，空时无线信道，2 d r a k e 接收机，性能仿真 西北丁业大学硕_ = 学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t s m a r ta n t e n n at e c h n o l o g yh a sb e e nc o n f i r m e da so n eo fk e yt e c h n o l o g i e so ft h e t h i r dg e n e r a t i o nm o b i l ec o n m a u n i c a t i o ns y s t e m ，a n dw i l lp l a ya ni m p o r t a n tr o l ei nt h e f u t u r e t h es y s t e ms i m u l a t i o nn o to n l yc a nv a l i d a t ea l lm e t h o d si nt h i sf i e l d ，b u ta l s o c a ne v a l u a t ea l g o r i t h m s ，a n di ta f f o r d sab i ga s s i s t a n c et ot h es m a r ta n t e n n ar e s e a r c h ，i n t h i sp a p e r , t h ec o r r e l a t i o nt e c h n i q u eo fs m a r ta n t e n n as y s t e ms i m u l a t i o ni sd e t a i l e d l y d i s c u s s e d t h em a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： t y p i c a la l g o r i t h m sf o rs m a r ta n t e n n aa r es u m m a r i z e d a c c o r d i n gt ot h ef o r mo f s i g n a lp r o c e s s i n g ，t h e s ea l g o r i t h m sa r ed i v i d e di n t ot h r e es o r t s ，a n dt h e nt h e i rc o s t f u n c t i o n ，i t e r a t i v ep r o c e d u r ea n di m p l e m e n td i f f i c u l t ya r ea n a l y z e d t h ep e r f o r m a n c e d i f f e r e n c eb e t w e e nt h e mi s g o tb yc o m p a r i n gc o n v e r g e n tt e n d e n c ya n da n t e n n a p a t t e r n s b a s e do i l a d a p t i v et h e o r y ，t w op a t t e r ns y n t h e s i sm e t h o d sa r ep r o p o s e d o n e p r o v i d e sp r e d o m i n a n te f f e c ti nb e a ms h a p i n g ，t h eo t h e rp r o v i d e si ns y n t h e s i ss p e e d b o t ho ft h e mh a v en or e s t r i c t i o no nt h es p a t i a ld i s t r i b u t i o na n dt h ed i r e c t i o n a lp r o p e r t y o fm t a ye l e m e n t s ，a n dc a na c h i e v et h ed e s i r e dp a t t e r ne f f e c t i v e l y t h er a d i oc h a n n e lc h a r a c t e ri sd i s c u s s e da n dt h ei n n u e n t i a lf a c t o ro fr e c e i v i n g s i g n a l i sd e s c r i b e d s e v e r a lc h a n n e lm o d e l sw h i c ha r e u s u a l l yu s e di nc o m p u t e r s i m u l a t i o na r ei n t r o d u c e d ，e s p e c i a l l yt h eg b s b e mc h a n n e lm o d e l ，a n dt h ed e t a i lo f d e a l i n gw i t hc h a n n e lm o d e li sf u r t h e ra n a l y z e d t h ec o m b i n i n go fs m a r ta n t e n n aa n dr a k er e c e i v e ri s d e e p l ys t u d i e d t w o s t r u c t u r e so fs a - r a k er e c e i v e ra r ea n a l y z e da n dc o m p a r e db a s e do na b o v em o d e l ，a n d t h es y s t e mp e r f o r m a n c ei m p r o v e m e n t st h e yc a u s e da r ed i s c u s s e d as o f t w a r e p a c k a g eo fs m a r ta n t e n n as i m u l a t i o ni si m p l e m e n t e d ，w h i c hh a s f l e x i b l e c o n f i g u r a t i o na n ds t r o n ge x p a n s i b i l i t y t h i ss o f t w a r ep a c k a g ep r e s e n t sa c o m p r e h e n s i v es i m u l a t i o no fs i g n a lr e c e p t i o n ，a n dt h ef i n a lr e s u l t sm a ys h o wi t s a v a i l a b i l i t y k e yw o r d s ：s m a r ta n t e r m a ，p a t t e r ns y n t h e s i s r a d i oc h a n n e l ，2 d r a k er e c e i v e r p e r f o r m a n c es i m u l a t i o n i i 西北一业大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 随着全球移动通信的用户数量及信息类型的迅猛发展，人们对移动通信容量 的需求与f 1 俱增【2 j a 移动通信系统在经历了第1 代模拟系统和第2 代数字系统之 后，以宽带c d m a 技术为核心的第3 代( 3 g ) 数字移动通信系统正处于快速发展 时期。第2 代数字蜂窝系统已经成熟，在多址方式二主要采用时分多址( t d m a ) 和码分多址( c d m a ) 。但是第2 代系统采用的窄带c d m a 由于受到传输频带窄 的限制，未能真正发挥c d m a 的特性，这就为顺利引进包括智能天线在内的现代 数字信号处理技术创造了条件 3 1 。可以说，智能天线是3 g 区别于2 g 系统的关键 标志之一。现在，第4 代移动通信系统也己提上日程，这就使智能天线成为高效 利用无线资源的必不可少的手段之一【4 i 。 1 1 智能天线技术简介 智能天线包括波束转换天线和自适应天线，通常指的智能天线就是自适应天 线，它与传统天线概念有本质的区别，其理论支撑是信号统计检测与估计理论、 信号处理及最优控制理论，其技术基础是自适应天线和高分辨阵列信号处理。 人们研究智能天线的最初动机是，在频潜资源日益捌挤的情况下考虑如何将 自适应波束形成应用于蜂窝小区的基站，以便能更有效的增加系统容量和提高频 谱利用率。不同于传统的频分多址、时分多址或码分多址，智能天线引入第4 种 多址方式：空分多址( s d m a ) ，即在相同时隙、相同频率或相同地址码盼情况下， 仍然可以根据信号不同的中间传播路径而区分。这样，智能天线就能够以多个高 增益窄波束动态的跟踪多个期望用户，接收模式下，来自窄波束之外的信号被抑 制：发射模式下，能使期望用户接收的信号功率最大，同时使窄波束照射范围以 外的非期望用户受到的干扰最小。s d m a 是一种信道增容方式，与其他多址方式 完全兼容，从而可实现组合的多址方式。 1 2 智能天线的用途f 5 1 6 1 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n j r l - 大的区域，这就意味着用户的信号 在到达基站收发信设备莳可能经历了较长的传播路径，有较大的路径损耗。为使 接收到的有用信号不至于低于门限，要么增加移动台的发射功率、要么增加基站 1 西北【：业大学硕士学位论文第一章绪论 天线的接收增益。由于移动台的发射功市通常是有限的，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用单天线容易。 在移动通信发展的中、晚期，为扩人系统容量和支持更多用户，需要收缩小 区范围、降低频率复用系数和提高频率利用牢。通常采用的方法是小区分裂和扇 区化，随之而来的是干扰增加，原来借助路径损耗有效降低的同信道干扰和码问 干扰较大比例的增加了。但利用智能天线，借助有用信号和干扰信号在入射角度 上的差异，选择恰当的合并权值，形成正确的天线接收模式，即将主瓣对准有用 信号，低增益副瓣对准主要的干扰信号，从而可更有效的抑制干扰，更大比例的 降低频率复用因子，和同时支持更多用户。从某种角度可将智能天线看作足更灵 活、主瓣更窄的扇形天线。另外，智能天线可以通过形成多波束来获得额外信道， 而不需要分配额外频谱，从根本上增加了频谱效率。 智能天线的又一个好处是可减小多径效应。在移动通信系统中，接收天线接 收的多径信号随着环境而变化，信号瞬时值和延迟失真的变化非常迅速。如果采 用智能天线控制接收方向，自适应的形成指向性方向图，就能减小信号衰落的影 响。c d m a 中利用r a k e 接收机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径进一步分离，更有效的 减小多径效应，从而使通信质量得到改善。 智能天线另一个可行的用途是进行紧急n , ? n q 定位，并提供更高的定位精度， 因为在获得可用于定位的时延、强度等信息的同时，它还可获得波达角信息。 1 3 智能天线实现的实际考虑【7 1 f 8 智能天线为了实现其改善系统性能的目标，必须在动态环境下对许多时变参 数进行估计和最优化，诸如动态切换、动态信道分配、覆盖一簇移动信号的波束 动态成形。同道干扰动念零陷，以及为形成波束而获取的先验知识都需要复杂的 控制结构，并且这些系统参数的更新耗费的时间也是必须考虑的问题。例如，系 统要求实时更新处于快速移动中的移动信号的位置信息，而响应时间却受到方向 角估计，跟踪方案以及收敛至满意水平的波束形成算法所需时间的限制。尽管可 以通过算法的并行来实现增强信号处理能力，但同时也增加了成本。 系统费用不仅包括实现控制结构所需的硬件费用，还包括有源天线、移相器、 高功率放大器以及驱动这些组件的电路所需的费用。这些组件目前大都很昂贵， 且仅采用s d m a 的系统爿需这些组件，这正是在移动通信中应用智能天线的不利 因素。 眄此【- 业大学硕士学位论文第一章绪论 1 4 智能天线技术研究动向阶im 目静，国内外的一些企业和研究机构非常重视智能天线技术在未来移动通信方 案中的地位和作用，在开展了大量的理论分析研究的同时，也建立了各自的智能 天线实验系统。 1 9 9 4 年，u p p s a l a 大学年! l e r i c s s o n 公司合作研究一种用于通信系统的自适应阵列 天线技术，研制了上行链路的实验系统；欧洲通信委员会在r a c e ( r e s e a r c hi n t o a 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 ) 计划中实施了第一阶段智能天线技术研究，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 年初丌始现场试验，并准 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；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，并提出了基于智能天线的软件天线概念：a r r a y c o m m 公司研制 出了用于无线本地环路的简化智能天线系统；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，着手理论与实际系统相结合，对s d m a 的实现方法和无线信 道特征进行了深入的研究：斯坦福大学信息系统实验室建立了用于验证t d m a 系 统空时二维算法的实验系统。美国d a r p a 的g l o m o 工程支持研究了移动台自适应 天线技术，现已完成了供演示的原型机，具有基本的波束成型和信号跟踪能力， 并在此平台上进行了多种算法和模型的研究和测试。 我国也早已将研究智能天线技术列入国家8 6 3 3 1 7 通信技术主题研究中的个 人通信技术分项，国家自然科学基金、博士点基金等也相应支持有关单位进行理 论与技术平台的研究。在连续获得i t u 和3 g p p 通过的我国自主研发的t d s c d m a 技术体制中，就广泛采用了智能天线和软件无线电技术。t d s c d m a 方案将当今 国际领先技术智能天线、同步c d m a 和软件无线电融于其中，具有较高的频谱效 率，较低的成本和较大的灵活性。 1 5 论文的主要工作及章节安排 本文对智能天线相关技术进行了深入的分析和研究，主要工作如下： 对智能天线中几种常用自适应算法的准则及原理进行分析比较，以自适应理 论为基础，提出两种新的方向图综合算法，并给出实例仿真结果证明新算法的有 效性；分析两种智能天线与r a k e 结合的空r e - 维接收机，通过对比二者的组合 结构来分析硬件复杂度，并将其分别与单独使用r a k e 接收机的系统和单独使用 智能天线的系统在不同信道条件下进行性能对比，各方面综合评估这两种二维接 1 阳北i ：业人学硕十学位论文第一章绪论 收机的优缺点；搭建了智能天线性能仿真平台，能够根据不同的要求对信道、天线 阵型和自适应算法等系统参数进行选择没定，性能评估可从误码率、权值收敛和 方向图三方面来进行，形成了可以独立使用、易扩充的仿真软件包。 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 技术、用途、实现的实际考虑及发展动向。 第二章介绍了智能天线的原理，在详绥分析了自适应波束形成算法准则的基 础上，给出智能天线算法的分类。并对常见的几种算法进行了分析研究和性能仿 真，同时给出天线阵的方向图性能。 第三章对基于自适应理论的方向图综合算法进行了研究，提出一种基于最小 均方误差准则的主瓣赋形方法和一种基于最小二乘准则的快速综合方法，并举出 多个算例详细分析了这两种方法的性能。 第四章主要介绍无线衰落矢量信道模型。根据空时无线通信信道的统计特性， 研究了几种适用于智能天线的矢量信道模型，并详细介绍了信号衰落、多径效应 对应韵幅度、时白j 、频率和角度等若干重要参数 第五章对空时二维接收机进行了研究。给出了r a k e 接收机的原理，提出了两 种智能天线与r a k e 接收机相结合的方案，并在不同信噪比、不同用户数和不同阵 元数的情况下分析了二者对系统性能的改善情况。 第六章在前几章所研究内容的基础上利用m a t l a b 软件搭建了可以独立使用、易 扩充的智能天线性能仿真平台，并给出整体流程图、显示界面图示及运行结果。 最后一章结束语，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。 西北l 业人学硕士学位论文第二章智能天线中的自适应波束形成算法 第二章智能天线中的自适应波束形成算法 随着移动通信事业的发展，智能天线显示出其在通信领域的强大优势。作为智 能天线的核心技术之一，自适应波束形成算法不仅决定了算法的收敛速度，还决 定了算法硬件实现的复杂度。因此，找到一种真i f 快速收敛且性能优良的自适应 算法是智能天线技术研究的关键。 2 1 智能天线原理【1 7 信号输入 幽2 - 1简单m 元直线阵 对一个等间距的 彳元直线阵，如果阵元间距为d ，信号波长为a ，信号x 从 相对阵轴法线夹角为0 的方向入射，如图2 1 所示，则，时刻m 个阵元信号的向量 和足 m y ( f ) = x ( t ) e m 。1 ( 2 1 ) i = i 式中 = 2 ；r ( d 2 ) s i n o( 2 - 2 ) 天线阵的方向图仅由下式确定 m 4 ( p ) = p 州。9 ( 2 3 ) i = l 归一化方向图以分贝表示为 p ( o ) = 1 0 l g | a ( o ) n ( 2 - 4 ) 若保持i j j 距不变，增加无方向性的阵元数，由上式可推得当阵元数增加时， 方向图主瓣的宽度将减小，并且零点和旁瓣增加。 两北r 业火学硕士学何论文 第二章智能天线中的自适应波束形成算法 若在图2 1 所示的线阵阵元后插入一个相移器，则相邻的阵元输出增加一个相 移步长占，那么第i 个阵元的相移量为a 一1 ) 占，此时相移器的作用是使主瓣偏离阵 轴的法线方向一个角度0 。由于相移步长为 j ：生s i n 目( 2 - 5 ) c 式中c 为光速，所以 0 = a r c s i n ( 。弘) ( 2 - 6 ) 可见，只要改变6 的值就可以改变主瓣方向。 如果天线阵阵元数少，那么对干扰信号进行抑制的零点形成明显减少，这样 就减小了在所希望的方向上作用区的灵敏度。克服这种情况的方法之一是使用大 型天线阵，提高自适应零点控制的能力。当然随阵元数的增加，费用和复杂性也 随之增加。因此在阵的分辨能力，旁瓣电平以及对具体方向上的作用区内所要求 的阵元数之间，应该进行综合考虑。 x 1 ( ，) x 2 ( f ) 如( ，) r 赢蕊丽一j 图2 - 2 智能大线模型 为了提高对有用信号的接收能力，同时抑制干扰信号，般都采用调整复数 加权值的方法来控制调整天线阵的方向图。智能天线的典型结构如图2 2 所示， 天线阵的总输出为 ，( f ) = 一( f ) = w “x ( r ) ( 2 - 7 ) 百 式中， w = w t ，w ：，一，】为权值，x ( ，) = 【一( f ) ，z ：( f ) ，h ( r ) 为输入信号，卜 标( ) 表示共轭，( ) “表示共轭转置。智能天线中自适应处理器是核心部分，它按照 某种准则求l 出满足该准则的一组复权向量，使天线能够根据信号环境情况自动形 成“最佳”阵列波束，即波束形成的算法是实现波束形成的关键。 曲北：】：业人学硕十学何沦文第：章智能天线中的自适应波束形成算法 2 2 智能天线的接收准则 在波束形成中，权向量通过代价函数的最优化来确定，代价函数的不同，分别对 应着不同的方法，这些方法都是通过求合适的权向量来最优化代价函数。自适应波 束形成技术经过了几十年的发展，已有许多文献专著专门来介绍波束形成的基本 原理和准则【1 8 1 1 9 1 。常用的基本准则包括：最小均方误差准则、最大信噪比准则和最 小方差准则等。 2 2 1 最小均方误差准则 最小均方误差准则旨在使估计误差的均方值最小化，是应用最广泛的一种最 佳准则。定义参考信号为d ( t ) 则阵列输出与参考信号的均方误差为 e ( t ) = d ( t ) 一y ( t ) = d ( t ) 一矽“x ( t )( 2 - 8 ) 为使e ( f ) 的均方值最小，代价函数取为 j = e l 口( f ) f 2 ( 2 9 ) 展丌得 j = e l d ( t ) 一w “x ( ，) 1 2 ) = e l d ( f ) 2 一2 r e w “rd 】+ 矿“月，。w ( 2 1 0 ) 其中，如= e x ( t ) x ”( ，) ) 为输入信号x ( f ) 的自相关矩阵，= e x ( t ) d + ( m 为输 入信号x ( t ) 和参考信号d ( t ) 的互相关矩阵。 j 取最小值的最佳权阡乙，可由令其对w 的梯度为零求得 v ，j = 2 r 。w 一2 = 0( 2 - 1 1 ) 得到最小均方误差准则下的最优权向量 = ( 2 - 1 2 ) 此解是一种最优维纳解。 2 2 2 最大信干噪比准则 最大信干噪比准则旨在使有用信号功率和干扰噪声功率之比最大，常用于通 信系统中以实现系统误码率的要求。阵列的输入信号为 x ( t ) = s ( t ) + u ( t ) = s ( t ) + o ) + 0 )( 2 - 1 3 ) 其中，s ( t ) 为有用信弓，( r ) 为干扰信号，n ( t ) 为噪声信号。系统的输出信干噪比 即为代价函数 7 两北l ：业人学硕十学位论文 第一章智能大线中的自适应波束形成算法 s l n r = j酬w ”s ( o f “一w ”露。w 蚓w “u ( r ) 1 2 ) w “r 。w ( 2 - 1 4 ) 可计算得出最佳权向量是对应于矩阵r 2 r 。最大特征值氕。所对应的特征向量 划县、，= k ， ( 2 1 5 ) 对于窄带信号 s ( t ) = s o ) a s ( 臼庐)( 2 - 1 6 ) 可得 0 ，= 一尺。- i s( 2 - 17 ) 式中为一常数，吣为有用信号s ( o 的方向矢量。 2 2 3 最小二乘准则 最小二乘准则旨在使如下的加权平方误差累计代价函数最小 l ，( f ) = | 8 ( 引 ( 2 1 8 ) = i 式中p ( ) 如式( 2 8 ) 所示。为了降低距当前时刻t 远的误差p ( ) 对代价函数，( f ) 的影 响，上式中引入了遗忘因子丑，且有0 蔓五l 。相应的，j ( t ) 可写成 即) = e ( k ) e + ( ) 女一l = e ”( f ) 以( f ) 口( f ) = d ”( o a ( o d q ) 一2 r e l 8 【x “( f ) 以( f ) d ( ) 】1 + 矿“【z “( t ) a ( t ) d ( t ) l w ( 2 1 9 ) 式中 以( ，) = d i a g 【 。1 ，丑，1 】( 2 - 2 0 ) 由 v ，j = 0( 2 - 2 1 ) 可求得最小二乘准则下的最优权向量 f ，= 鼻“( ，) 以( f ) 工( f ) 】。【爿”( f ) 1 ( f ) d ( ，) 】 ( 2 2 2 ) 虽然这三种准则从表面上看相