（电磁场与微波技术专业论文）软件天线环境分类与识别方法的研究.pdf

华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 摘要 在无线通信中使用智能天线可以显著提高通信性能，因此智能天线技术得到人们越 来越广泛的关注。目 前已 经提出了大量用于智能天线的自 适应波束成形算法， 但是很难 找到一种通用且实用的自 适应算法， 既能够在各种电 波环境下都能有效工作， 且计算复 杂度适当使得信号能够实时处理。 在智能天线的基础上， 近期提出了一种新的天线概念 软件天线。 它能够实时识别无线环境的变化， 并且针对不同的环境特点从预先建立 的算法库中选择合适的算法， 在获得足够性能的同时使信号处理所需的计算量最小。同 智能天线一样， 软件天线也需要考虑各种复杂的环境， 研究合适的自 适应波束成形算法。 不同的是软件天线还需要实时判断环境的变化并根据环境的不同从已 分类的算法库中 迅速获得最合适的算法。 可以说，软件天线是一种基于环境识别并具备 “ 算法分集” 特 性的数字波束成形天线。 它主要包括以下几个方面的工作:( 1 ) 准确判断传播环境的变 化并快速找到最合适的算法;( 2 )考虑各种可能的环境，研究合适的算法并预先分类、 编程存储; ( 3 ) 用硬件实现选择的 算法对接收信号进行处理。 其中 ( 2 ) 和 ( 3 ) 在智能 天线的研究中都有涉及。 但是不同于智能天线，软件天线中的 ( 1 ) 是全新的研究领域， 因此实现软件天线的关键技术之一就是对无线传播环境的实时识别。 本论文通过对传播环境的特点、环境分类准则的确立及环境识别的方法、环境对算 法性能的影响等问题的研究， 对软件天线的环境分类与识别方法进行了广泛而深入的研 究， 提出了一些新的方法并得到了一些有意义的结论。 这些工作对智能天线及其他多天 线系统的优化设计也是非常重要的。 首先，研究了无线传播对信号的影响，特别是多径传播引起的信号时延扩展、空间 扩展和多普勒频率扩展。 根据信号传播环境的特点及天线阵列结构的特点研究了适合软 件天线系统的矢量多径传播模型、d o a分布模型及天线阵列的接收模型。 其次，研究了阵列协方差矩阵与信道参数的关系。通过理论分析得出阵列协方差矩 阵是复杂环境中多个信道参数的函数， 这些信道参数包括多径信号的个数、 信号相关性、 信号到达角度、 信号功率等。 并对几种典型环境下阵列协方差矩阵的特征值分布进行了 仿真模拟， 进一步验证了可以用特征值反映环境的不同特点。由此提出可以根据阵列协 方 差矩阵的 特征值来获得相应环境的 特征信息并确定环境的 类别。 因 此， 阵列 协方差矩 阵在软件天线的环境分类与识别中起着非常重要的作用。 国家自 然科学基金项目 资助 项目 编号: 6 0 1 7 1 0 1 3 ) 一一一一一一一一一一一一一一一一 i 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 第三，综合环境对信号的影响、 环境对算法性能的影响以及阵列协方差矩阵特征值 分布的特点， 提出了将多径信号时延扩展、 角度扩展、 频率扩展的程度及千扰信号的 个 数等特征参量作为确定环境分类准则的环境特征参量。 并根据这些特征参数确定了适合 软件天线的环境分类准则。根据特征参量的不同以及实际系统的情形分别确定了适合 t d m a类系统 和c d m a 类系统的 两种分类准则。 第四，提出了一种新的基于空间平滑技术的环境识别方法。针对不同的情形进行了 理论分析与数值仿真。 结果表明， 新的方法充分利用了阵列协方差矩阵特征值的分布特 点， 不仅能够识别出用户的个数， 还能识别出环境的时延扩展特性及空间扩展特性。 该 方法能快速准确地判断环境类型的变化， 相应的检测电路结构简单， 不需要进行额外的 频谱分析。 第五，简单介绍了多种基本的波束成形算法及其局限性.然后根据干扰用户及多径 传播的特点详细分析了不同环境因素对算法性能的影响。 提出干扰信号的个数、 入射角 度及功率和多径效应引起的时延扩展、 频率扩展、 空间扩展等因素都将影响算法的性能。 首次利用阵列协方差矩阵特征值的特点分析讨论了空间扩展、 频率扩展等因素对算法性 能的影响。 并初步探讨了利用特征值大小衡量究竟多大的空间扩展可能会影响到算法的 性能。 第六，将波束成形算法分类，并根据不同算法在不同环境下的性能优劣性提出了 一 种可能的 算法分集策略， 为不同的信号传播环境下选择合适的算法提供了 依据。 研究得 出，基于d o a估计的算法不适合角度扩展较大的移动通信环境， 而且基于d o a估计 的算法不适合干扰信号个数较多的环境， 基于参考信号的算法更适合时延扩展较小的环 境， 在空间 扩展和时延扩展都较大的环境中可以 使用基于信号结构的算法， 对于频率扩 展较大的环境需要使用宽带波束成形算法。 最后，对全文进行了总结，概括了主要研究成果。 关键词:软件天线，智能天线，天线阵列， 环境分类， 环境识别，算法分集， 阵列协方差矩阵，特征值 一 ， ， ， ， 一 一 ， ， ， ， 1 1 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 ab s t r a c t d u e t o t h e e n o r m o u s p e r f o r ma n c e g a i n s a s s o c i a t e d w i t h t h e u s e o f s m a r t a n t e n n a s i n w i r e l e s s c o n u n u n i c a t i o n s , t h e t e c h n o l o g y o f s m a r t a n t e n n a s h a s r e c e i v e d w i d e l y in t e r e s t i n r e c e n t y e a r s . t h e r e e x i s t m a n y a l g o r i t h m s t h a t c a n b e u s e d i n t h e s m a rt a n t e n n a s y s t e m s , b u t i t i s d i ff i c u l t t o fi n d a u n i v e r s a l a n d p r a c t i c a l a d a p t i v e a l g o ri t h m w i t h a c c e p t a b l e c o m p l e x i t y f o r r e a l - t i m e p r o c e s s i n g i n v a r i o u s r a d i o e n v i r o n m e n t s . b a s e d o n t h e s m a rt a n t e n n a t e c h n o l o g y , a n e w c o n c e p t o f s o ft w a r e a n t e n n a h a s b e e n p r o p s e d r e c e n t l y . i t c a n i d e n t i 勿t h e s t a t u s o f v a ri o u s r a d i o e n v i r o n m e n t s a n d a c h i e v e s u f fi c i e n t p e r f o r m a n c e a n d m i n i m u m s c a l e s i gna l p r o c e s s i n g b y s e l e c t i n g a n a p p r o p ri a t e a l g o ri t h m fr o m a p o o l o f a l g o ri t h m s t o c o p e w i t h d i ff e r e n t r a d i o e n v i r o n m e n t s . b o t h f o r s m a r t a n t e n n a s y s t e m s a n d f o r s o ft w a r e a n t e n n a s y s t e m s , i t n e e d s t o s t u d y s u i t a b l e a d a p t i v e b e a m f o r m i n g a l g o ri t h ms u n d e r v a r i o u s s c e n a r i o e s wh i l e d i ff e r e n t fr o m s m a r t a n t e n n a , i t n e e d s t o p r o p e r l y i d e n t i f y t h e c h a n g e o f e n v ir o n m e n t s a n d q u i c k l y s e l e c t a n a p p r o c i a t e a l g o ri t h m fr o m a s e t o f c l a s s i fi e d a l g o ri t h m s i n s o ft w a r e a n t e n n a s y s t e m s . t h e s o ft w a r e a n t e n n a i s a k i n d o f d i g i t a l b e a m f o r m i n g a n t e n n a w i t h t h e c a p a b i l i t y o f e n v i r o n m e n t i d e n t i f i c a t i o n a n d a l g o r i t h m d i v e r s i t y . i t m a i n l y i n c l u d e s : ( i ) p r e c i s e l y j u d g e s c h a n g e s i n t h e p r o p a g a t i o n e n v i r o n m e n t a n d i n s t a n t ly f in d s t h e m o s t s u i t a b l e a l g o ri t h m ; ( i i ) e v e ry k i n d s o f p o s s i b l e e n v i r o n m e n t s a r e c o n s i d e r e d a n d a p p r o p ri a t e a l g o ri t h m s a r e p r o p r a m m e d a h e a d o f t i m e i n h a r d w a r e ; ( i i i ) t h e c h o i c e d a l g o r i t h m i s im p l e m e n t e d a t o n c e a n d p u t i n t o e ff e c t . r e s e a r c h c o n c e rn in g t h e s m a r t a n t e n n a i s p a r t i a l l y in c l u d e d i n p a r t ( i i ) a n d p a r t ( i i i ) . b u t d i ff e r e n t fr o m s m a rt a n t e n n n a , t h e w o r k o n p a rt ( i ) i n s o ft a r e a n t e n n a s y s t e m s i s t h e t o p i c o f n e w r e s e a r c h . s o o n e o f t h e k e y t e c h n o l o g i e s n e c e s s a r y f o r r e a l i z a t i o n o f s o ft w a r e a n t e n n a i s t h e a c c u r a t e r e a l - t i m e r e c o g n i t i o n s c h e m e o f r a d i o e n v i r o n me n t s . t h e w i d e a n d d e e p r e s e a r c h e s o n t h e o ri e s a n d m e t h o d s o f e n v i r o n m e n t c l a s s i fi c a t i o n a n d i d e n t i f i c a t i o n i n s o ft w a r e a n t e n n a s y s t e m h a v e b e e n d o n e f r o m v a r i o u s a s p e c t s , s u c h as t h e c h a r a c t e ri s t i c s o f p r o p a g a t i o n e n v i r o n m e n t s , t h e c r i t e r i a o f c l a s s i f i c a t i o n , t h e s t r a t e g i e s o f s u o o o r t t e d b y 鱼e n a t io n a l s c i e n c e f o u n d a t i o n n f f h i n a ( n o . 6 0 1 7 1 0 1 3 i i i 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 i d e n t fi c a t i o n a n d t h e e f f e c t s o f e n v ir o n m e n t s o n a l g o r i t h m s . n o v e l m e t h o d s h a v e b e e n p r o p o s e d , a n d s i g n i f r c a t i v e c o n c l u s i o n s h a v e b e e n d r a w n . t h e s e w o r k s a r e a l s o i m p o rt a n t t o d e s i g n c o s t e ff e c t i v e s m a r t a n t e n n a s y s t e m s a n d o t h e r m u l t i p l e a n t e n n a s y s t e m s f i r s t o f a l l , t h e i m p a i r m e n t s o f r a d i o e n v i r o n me n t s o n s i g n a l s a r e d i s c u s s e d , s p e c i a l l y a b o u t t h e d i s p e r s i o n s i n d e l a y , fr e q u e n c y a n d s p a t i a l d o m a i n s c a u s e d b y m u l t i - p a t h p r o p a g a t i o n . a l s o , s u r v e y s o f v e c t o r m u l t i p a t h p r o p a g a t i o n m o d e l , d i s t r i b u t i o n m o d e l s o f t h e d i r e c t i o n o f a r r i v a l ( d o a ) a n d a n t e n n a a r r a y b e a m f o r m i n g m o d e l s a r e g i v e n a n d a n a l y z e d . s e c o n d l y , t h e r e l a t i o n s h i p t h a t e x i s t s b e t w e e n c h a n n e l p a r a m e t e r s a n d t h e c o v a r i a n c e m a t r i x i s e x p l o r e d . t h e t h e o r e t i c a n a l y s i s s h o w s t h a t t h e e i g e n v a l u e d i s t r i b u t i o n o f t h e a r r a y c o v a r i a n c e m a t r i x i s a f u n c t i o n o f s e v e r a l c h a n n e l p a r a m e t e r s in c l u d i n g t h e n u m b e r o f m u l t i p a t h c o m p o n e n t s , p o w e r o f m u lt ip a t h c o m p o n e n t s , a n g l e d i r e c t i o n o f a r r i v a l d i s t i b u t i o n a n d m u l t i p a t h c o h e r e n c e . me a n w h i l e , t h e p r o p e rt i e s o f e i g e n v a l u e s i n v a r i o u s t y p i c a l s c e n a r i o s h a v e b e e n d e m o n s t r a t e d t h r o u g h c o m p u t e r s i m u l a t i o n s , w h i c h f u r t h e r c o n f i r m t h a t t h e e i g e n v a l u e s d i s t r i b u t i o n i s r e l a t e d w i t h t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f e n v i r o n m e n t s . s o i t i s p r o p o s e d t h a t t h e e i g e n v a l u e s o f a r r a y c o v a r i a n c e m a t r i x c a n b e u s e d t o e x t r a c t c h a r a c t e r i s t i c s o f e n v i r o n me n t s a n d i d e n t i f y t h e t y p e s o f v a r i o u s e n v i r o n m e n t s . o b v io u s l y t h e a r r a y c o v a r i a n c e m a tr i x p l a y s a n i m p o rt a n t r o l e i n t h e r a d i o e n v i r o n m e n t c l a s s i f i c a t i o n a n d i d e n t i fi c a t i o n o f s o ft w a r e a n t e n n a s y s t e m s . t h i r d l y , c o n s i d e r i n g t h e e ff e c t s o f e n v i r o n m e n t s o n s i g n a l s , t h e l i m i t a t i o n s o f b e a m f o r m i n g a l g o r i t h m s a n d t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f a r r a y c o v a r i a n c e m a t r i x , i t i s p r o p o s e d t h a t t h e p a r a m e t e r s , s u c h a s t h e e x t e n d o f d e l a y s p r e a d , a n g l e s p r e a d , fr e q u e n c y s p r e a d , t h e n u m b e r o f i n t e r f e r e n c e s i g n a l s a n d s o o n , s h o u l d b e u s e d t o r e p r e s e n t d i f f e r e n t e n v i r o n m e n t s , a n d t h e s e p a r a m e t e r s c a n b e u s e d t o m a k e c r i t e r i a o f e n v i r o n m e n t c l a s s i fi c a t i o n . t h e n t w o c r i t e r i a o f c l a s s i f i c a t i o n h a v e b e e n m a d e r e s p e c t i v e l y f o r t d ma l i k e l y s y s t e m s a n d c d m a l ik e ly s y s t e m s . f o u rt h l y , a n o v e l s t r a t e g y o f e n v ir o n m e n t i d e n t i f i c a t i o n i s p r o p o s e d , w h i c h i s b a s e d o n t h e s p a t i a l s m o o t h i n g t e c h n i q u e s . b o t h s i m u l a t i o n r e s u l t s a n d t h e o r e t i c a l a n a l y s i s a r e p r e s e n t e d i n v a r i o u s c o n d i t i o n s . i t h a s b e e n d e m o n s t r a t e d t h a t t h e n o v e l s t r a t e g y c a n e x t r a c l t v 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 n o t o n l y t h e n u m b e r o f u s e r s , b u t a l s o t h e c h a r a c t e r o f d e l a y s p r e a d a n d s p a t i a l s p r e a d . t h i s s t r a t e g y c a n i d e n t i f y t h e c h a n g e o f e n v i r o n m e n t s q u i c k l y a n d p r o p e r l y , a n d it s c o r r e s p o n d i n g c i r c u i t i s v e r y s i m p l e w i t h o u t fr e q u e n c y d o m a i n a n a l y s i s . f i ft h l y , a b r i e f o v e r v i e w o f s o m e b a s i c b e a m f o r m i n g a l g o r it h m s i s g i v e n a n d t h e i r l i mi t a t i o n s h a v e b e e n d i s c u s s e d . t h e n t h e e ff e c t s o f d i ff e r e n t e n v i r o n me n t f a c t o r s o n t h e p e r f o r m a n c e o f t h e s e a l g o r i t h m s h a v e b e e n a n a ly z e d i n d e t a i l s . t h e r e s u l t s s h o w t h a t th e n u m b e r o f i n t e r f e r e r s , t h e i r d o a d i s t r i b u t i o n , th e i r p o w e r s a n d t h e s p r e a d i n d e l a y , fr e q u e n c y a n d s p a t i a l d o m a in w h i c h c a u s e d b y m u l i p a t h p r o p a g a t i o n a l l h a v e i n fl u e n c e o n t h e p e r f o r m a n c e o f b e a m f o n n i n g a l g o r it h m s . f o r t h e f i r s t t i m e , t h e e i g e n v a l u e s o f a r r a y c o v a r i a n c e m a t r i x a r e u s e d t o a n a l y z e t h e e ff e c t s o f s p a t i a l s p r e a d a n d fr e q u e n c y s p r e a d o n p e r f o r m a n c e o f b e a m f o r m i n g a l g o r i t h m s , a n d h o w l a r g e s p a t i a l s p r e a d m a y e ff e c t o n t h e p e r f o r m a n c e s i g n i f i c a n t l y . s i x t h l y , b e a m f o r m i n g al g o r i t h m s h a v e b e e n c a t e g o r i z e d , a n d a p o s s ib l e al g o r i t h m d i v e r s i t y s t r a t e g y h as b e e n g i v e n a c c o r d i n g t o t h e a d v a n t a g e a n d d i s a d v a n t a g e o f d i ff e r e n t al g o ri t h m s u n d e r v a r i o u s c o n d i t i o n s , w h i c h g i v e s a p o s s ib l e r u l e t o c h o i c e a p p r o p r i a t e a l g o ri t h m s f o r d i ff e re n t e n v i r o n m e n t s . i t c a n b e d r a w n t h a t t h e a l g o ri t h m s b as e d o n d o a e s t i m a t i o n a r e n o t s u i t a b l e f o r l a r g e a n g l e s p r e a d a n d n u m e r o u s in t e r f e r e r s c o n d i t i o n s , t h e a l g o ri t h m s b as e d r e f e r e n c e s i g n al s a r e a d v i s a b l e f o r s m a l l d e l a y s p r e a d s c e n a r i o s , t h e a l g o ri t h m s b a s e d o n s i g n a l s tr u c t u r e s m a y b e u s e d in e n v i r o n m e n t s w i t h l a r g e s p r e a d b o t h i n s p a c e a n d t i m e d e l a y , a n d w i d e b a n d b e a mf o r m i n g a l g o r i t h m s s h o u l d b e a d o p t e d f o r l a r g e fr e q u e n c y s p r e a d c as e s f i n a l l y , t h e s u m m a r y i s m a d e a n d t h e m a i n r e s u l t s a r e g i v e n k e y w o r d s : s o ft w a r e a n t e n n a , s m a r t a n t e n n a , a n t e n n a a r r a y , e n v i r o n m e n t c l a s s i f i c a t i o n , e n v i r o n m e n t i d e n t i f i c a t i o n , a l g o r i t h m d i v e r s i ty , a r r a y c o v a r i a n c e m a t r i x , e i g e n v a l u e v 独 创 性 声 明 本人声明所呈交的学术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，除文中己经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的 研究成果。 对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已 在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由 本人承担。 学 位 论 文 作 者 签 名 ; 布 ; 日 期:启 声 ， 今年 夺月 户日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即: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电子版，允许论文被查阅 和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文或扫描等复制手段保存和汇编 本学位论文。 保密 口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密 口。 ( 请在以上方框内打 “ 了) 学位论文作者签名:指导老师签名: 停 z/ .j 日 期:沪 j jiv 年诊月, 1日 日期:年月日 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 1 ，绪论 1 . 1 . 软件天线概念的提出 随着信息化社会的到来，移动通信技术与应用得到快速发展，空间电磁环境日 趋复 杂， 信号频谱密度越来越高。 为了在复杂的电磁传播环境中保证信号传输的可靠性并有 效提高 系统的 容量， 智能天 线技术以 其独特的 性能 逐渐 得到人们的 广泛关注1 1 -3 ) 智能天线是阵列天线在移动通信中的应用， 它能够根据电 磁环境的变化自 适应地改 变波束形状， 将形成的波束主瓣指向期望信号，同时将旁瓣或零陷指向干扰信号， 能显 著改善系统性能并提高系统容量。 智能天线的概念使得天线从传统的单一场路转换器件 发展成具有一定 信号处理功能，并和接收机后端处理紧密结合的天线系统14 1 目 前，针对智能天线系统.已经提出了大量的自 适应波束成形算法。各种自 适应波 束成形算法都具有其自 身的特点和适用条件， 算法性能受应用环境的影响非常大， 一些 算法在某些环境下甚至会完全失效， 很难找到一种自 适应波束形成算法既能够在各种环 境下都具有很好的抗干扰性能同时又能 够快速收敛且计算复杂度低。 而且从实时的角度 考虑， 希望在满足系统性能要求的 前提下， 尽可能选择简单、实用的算法。 尽管智能天线的算法能自 适应地改变波束形状，但是智能天线不能根据信号传播环 境的变化而改变算法，因此在应用中存在着很大的局限性。 如果能够对复杂的通信环境进行分类识别，并且能根据所处环境的特点选择一种合 适的算法进行处理，就可能使通信系统在各种环境下都保持最佳性能。 在智能天线的基础上， 日 本a t r 光电 通信研究所的研究人员首先提出了 一种新的天 线概念软件天线， 它是一种能够实时识别不同传播环境的类型， 并能针对不同环境 类型的特点从预先构建的算法库中快速选择相应合适的算法， 在系统获得足够性能的同 时 使信号处 理所需的 计算量最小， 从而 使 通信系统保持最佳性能的 新型天线1 5 - 1 2 1 。 实现 软件天线首先需要考虑各种可能的环境， 将环境的特征及相应合适的算法预先编程并存 储在硬件中， 实际应用中需要准确判断传播环境的变化并快速找到最合适的 算法， 最后 用硬件实现选择的算法对接收信号进行实时处理。 可以说， 软件天线是一种基于通信环 境识别、具备 “ 算法分集” 特性的数字波束天线; 是继软件无线电概念之后， 在天线研 究领域软件化的又一种新的设想 1 3 1 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 1 .2 . 软件天线的关键技术与特点 在软件天线系统中需要将不同传播环境类型的特征，各种数字波束形成算法以软件 形式预先储存在系统中， 实际应用时， 系统对时变的传播环境进行实时识别，并选择最 适合的波束形成算法，以实现天线波束的自 适应优化， 使之始终处于最佳工作状态， 其 原理框图如图1 - 1 所示5 , 6 1 天 线 阵 列 图 卜1软件天线 原理框 图 因 此，实现软件天线的关键技术应包括以下几点: 1 ) 研究移动通信的电 磁环境分类和识别方法，快速准确判断信号传播环境的变化以便 找到最佳算法: 2 ) 研究多种自 适应算法的优、缺点和应用范围并针对各种典型信号传播环境形成算法 分集，以 便在不同的信号传播环境下能找出相应的算法:即如何选择最优自 适应信 号处理算法 3 ) 研究软件天线中可重配置逻辑电路 ( r e c o n f i g u r a b l e l o g i c c i r c u i t s )的实 现方法。 同 智能天线一样，软件天线通过调整各天线阵元的权系数，可以自 适应地增加期望 信号， 抑制干扰信号， 使其具有良 好的 抗干扰能力。 不同的是，软件天线能 够实时地识 一一 一 . 2 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 别电 波传播环境类型并根据环境的特点选择合适的算法。 可以说， 软件天线是智能天线 的衍生与发展，它继承了一般智能天线的优点，同时又有着自己的鲜明特点: 智能天线中的波束形成算法都是针对特定信号传播环境而提出的，能自 适应地改变 波束形状，但不能根据信号传播环境的变化而改变算法， 应用时有一定的局限性。 软件天线可以 借鉴和采用计算机软件技术，构建一个波束形成算法数据库， 将多种 算法归 纳、分类后集于一身。 这种算法分集使得软件天线可以 广泛适用于各种无线 传播环境。 软件天线具有灵活性、兼容性、可延展性、可重用性和硬件平台的开放性，这与面 向对象的程序设计思想一致， 可以将其引入软件天线的分析和设计中。 用改变软件 的方法实现功能转换，可以降低系统的造价，利于系统的升级换代。 软件天线并不是将算法进行简单罗列，它必须先进行传播环境的实时判别，再选择 合适的波束形成算法。软件天线将通信时的电波传播环境具体分成若干类， 通过提 取电波传播环境的实际参数来选择最优的波束形成算法，构成算法分集。同时高速 数字信号处理芯片的发展，又为其实际应用奠定了坚固的基础。 1 .3 . 国内外研究概况 近年来，世界各国都非常重视智能天线在移动通信系统中的应用，已经开展了大量 理论分析研究，同时建立了一些技术实验平台进行原理性验证。 欧洲通信委员会在 r a c e计划中实施了智能天线技术第一阶段研究，称之为 t s u n a mi 项目。该项目 通过计算机仿真、多阵元传输测试和现场试验，验证了智能天 线 的 概 念 与 功 能 ， 并 在d e c t 基 站 基 础 上 构 造了 智 能 天 线 试 验 模 型 ， 于1 9 9 5 年 初 开 始 现场试验。 在a c t s 计划中继续进行了第二阶段的智能天线研究， 进一步验证了 智能天 线的 性能 并 对不同 的 合并 策略 进 行了 测 试比 较p a l s ) 日 本的a t r研究所研制了基于加预处理的自 适应波束形成处理方式的智能天线， 进 行了恒模算法 ( c m a)和最大比值合并算法 ( mr c )的研究和实验，并提出了 基于智 能天线的软件天线概念 1 3 , 1 6 1 美国的a r r a y c o m m公司已能生产简单的基于t d d的智能天线， 并应用于无线本地 环 路( w l l ) ， 该 产品 在日 本己 进行 现 场试 验)13 ) 。 其 他如 美国t a x t a s 大学a u s t i n 分 校is ) t e lc o r d ia 1 19 1f 口 v ir g i n i a tech(z0)等 也 建 立了 智 能 天 线 试 验 环 境。 ， 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 3 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 加拿大m c m a s t e r 大学进行了 直线阵c m a算法的智能天线研究 1 3 ,2 0 1 我国也早已将研究智能天线技术列入了国家8 6 3 通信技术主题研究中，许多高校及 科研院所的研究人员在d o a估计、波束形成优化算法、上下链路波束成形、 信道模型 以及波束切换等方面展开理论研究和实验仿真。 我国电信科学研究院的信威公司和美国 a r r a y c o m m公司已 研制出 应用于无线本地环路的智能天线 1 3 1 相比之下，软件天线还是一个新的研究课题。目 前国际上刚开展有关研究， 如日 本 a t r 研究 所、 横滨大学已 有研究的 报道5 - 1 2 1 ， 但还处于起步阶 段。国内 尚未 见 报道。 有 关软件天线的理论和技术问题还有待加强研究和探索。 与智能天线相同的是，软件天线中也需要使用阵列的自 适应处理算法，已 提出的有 关自 适应阵列的算法同 样也适用于软件天线。目 前，己 经提出了大量的自 适应波束成形 算 法， 在 文献 2 1 ,2 2 中 对主 要的自 适 应算 法 进 行了 概 述与归 纳。 但是与 智能 天 线 不同 的 是，软件天线中还需要针对不同的传播环境，选择合适的算法以保持天线的最佳性能， 因 此必须解决电波传播环境的分类和识别问 题，这正是本文研究的重点。 电 波传播特性对移动无线通信系统的设计至关重要的。对于电波传播环境的研究由 来己 久， 存在大量关于无线传播特性的文献，可参看 2 3 - 2 5 等文献。 在传统的电 波传播分析中，常根据传播地形的特点， 将环境分成高楼林立的市区、 以一般性建筑物为主的近郊小城镇区和空旷的的农村， 或者是根据系统覆盖范围的大小 分成宏蜂窝、 微蜂窝或微微蜂窝， 或者是根据障碍物的情形分成视距传播环境或非视距 传播环境等等。 但这些分类并不能满足软件天线系统中 环境分类的需要， 软件天线中的 环境分类是为了选择合适的算法， 因此需要从信号处理的角度考虑环境的分类， 科学的 环境分类与识别技术应该是基于对天线阵列接收信号进行适当空时分析的方法。 迄今为止，正式的出版物中很少有关于环境特性实时识别的报道。在有关软件天线 的 文献【5 -7 1 中 初步提出了 根据阵列信号 特征值个数并结合阵 列合并后信号的 频谱分 析来 识别环境的方法， 但只是相当有限的基础研究， 并没有充分利用软件天线本身具有的天 线阵列结构。 最近也有文献报道了使用天线阵列测量传播环境的工作。总的来说，使用天线阵列 接收机进行的传播测量主要包括以下几个方面: ( 1 ) 不同天线上所观察到的信号之间的 互相关性;( 2 )空间特征矢量的变化;( 3 )角度扩展的测量;( 4 )联合角度