（电路与系统专业论文）阵列天线在CDMA系统中的应用研究[电路与系统专业优秀论文].pdf

南京邮电学院碗一i ：学位论义 摘要 d s c d m a 系统以其较高的频带利用率，较强的抗干扰能力，引起人们的普 遍关注。在实际系统中，由于各个用户扩频码之间的非f 交性引起的多址干扰和 多径干扰，成为制约系统容量、影响系统性能的重要因素。多用户检测和空时信 号处理是解决无线c d m a 移动通信中的多址干扰和多径失真的先进技术。 本文首先介绍了自适应算法原理，对需要训练序列作为参考信号的自适应算 法和不需要训练序列的盲自适应算法进行了研究。然后对空时多用户检测进行了 深入探讨。最优空时多用户检测器通过采用极大似然估计算法，可以逼近单用户 的检测器性能，但由于其运算复杂度与用户数成指数关系而无法在实际中得到应 用。本文把极大似然空时多用户检测问题转化为带约束的二次规划问题，从而把 r 近似算法应用于空时多用户检测中。仿真实验表明：本文提出的新算法表现出 明显优于现有文献算法的良好性能。 关键词 c d m a 阵列天线自适应算法e 一算法 南京邮电学院硕：l 学位论文 a b s t r a c t r e c e n t l y ， m e d i r e c t - s e q u e n c e c o d e - d i v i s i o n m u l t i p l e a c c e s s ( d s c d m a ) t e c h n i q u eb e c a m e am u c h h i g h l i g h t e dr e s e a r c ha r e ab e c a u s eo f i t su n i q u ef e a t u r e sa n d 1 a r g ec a p a c l t y f o ra c c o m m o d a t i o no fu s e r s a l t h o u g ht l l ed s c d m at e c h n o l o g y o 毹r sh i 曲e rs p e c t r a le m c i e n c yt h a no t h e r sa n dh a sm a l l yo t h e rd e s i r a b l ef b a t u r e s ， d s c d m as y s t e m sh a v em a j o rd r a w b a c k so ft h em u l t i u s e ri n t e r f e r e n c ea n dt h e m u l t i p a t h i n t e r f e r e n c e m u l t i u s e rd e t e c t i o na n d s p a c e - t i m ep r o c e s s i n g a r et w o a d v a n c e dp r o c e s s i n gt e c h n i q u e sf o rt h em i t i g a t i o no fm u l t i p l ea c c e s si n t e r f b r e n c e ( m a i ) a n di n t e r s y m b 0 1 i n t e r f e r e n c e ( i s i ) i n w i r e l e s sc d m ac o m m u n i c a t i o n s i nt h i sm e s i s ，a d a p t i v ea l g o r i t h m s ，b o t hd a t a - a i d e d ( w i t ht r a i n i n gs e q u e n c e s ) a n d b l i n d ，w h i c hr e q u i r eo n l yt h et i m i n ga n dt r a i n i n gs e q u e n c e s ( f o r 出n a a i d e d ) o rt h e s p r e a d i n gc o d e s ( f o r b l i n d ) o f 证悖d e s i r e du s e r ( s ) ，缸ei n t r o ( h l c e da n da n a l y z e d ，t h e n ， s p a c e t i m e m u l t i u s e rd e t e c t i o ns c h e m e sa r ed i s c u s s e di nd e t a i l s t h e m a ) ( i m u m 一1 i k e l i h o o d ( m l ) s p a c e t i m em u l t i u s e rd e t e c t o ri so p t i m u m 也a ti tp r o v i d e s t h em i n i m u me r r o rp r o b a b i l i t yi nj o i n t l y d e t e c t i n gt h ed a t as y m b o l so fa l l u s e r s u n f o r t u n a t e l y ，t oi m p l e m e n tt h em l m u l t i u s e rd e t e c t o ri sp r o h i b i t i v ef o r1 a r g en u 1 b e r o fu s e r sb e c a u s eo fi t s e x p o n e n t i a l l yi n c r e a s i n gc o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t y w i t h r e s p e c tt o 血en u m b e ro fu s e r s i nt h i st h e s i s ，m ep r o b l e mo fs p a c e - t i m em u l t i u s e r d e t e c t i o ni sf o 丌n u l a t e di n t oa q u a d r a t i cp r o g r a m m i n gp r o b l e m w i t hb i n a r yc o n s t r a i n t s ， t h e nan e wa p p m a c ho fs p a c e t i m em u l t i u s e rd e t e c t i o ni sp r o p o s e db ys o l v i n gt h e q u a d r a t i cp r o g r a m m i n gp r o b l e mu s i n gt h e一a p p r o x i m a t i o na l g o r i t h m s s i m u l a t i o n r e s u l t ss h o wt h a tt h en e wa p p r o a c hd e l i v e r sb e t t e rp e r f o r m a n c ec o m p a r i n gw i mt h e e x i s t i n ga p p r o a c h e s k e vw o r d s c d m a a r r a y a n t e n n a a d a p t i v ea l g o r i t h ma l g o r i t h m 南京邮电学院学位论文独创性声明 6 2 8 9 1 本人声明所呈交的学位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的 地方外，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 含为获得南京邮电学院或其它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。 研究生签名：日期 南京邮电学院学位论文使用授权声明 南京邮电学院、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权 南京邮电学院研究生部办理。 研究生签名：导师签名：日期 南京邮1 乜学院硕j 学位论史 第一章c d m a 系统和多用户检测技术 1 1c d m a 系统概述 码分多址( c d m a ) 就是每个信号被一个伪随机二进制序列进行扩频，不同信 号的能量被分配到不同的伪随机序列里。图1 1 1 给出c d m a 的三维示意图，即 不同用户传输的信息所用的信号不是靠频率不同或时隙不同来划分，而是用各 自的编码序列来区分，换句话说c d m a 各传输信号在频域和时域上是重叠的， 而在码型上相互具有准正交性。 接收机用相关器可以在多个c d m a 信号中选出其中使用预定码型的信号， 其它使用不同码型的信号因为和接收本地产生的码型不同而不能被解调。它们 的存在类似于在信道中引入了噪声或干扰，通常称之为多址干扰。 在c d m a 通信系统中，用户之间的信息传输是由基站进行转发和控制的。 为了实现双工通信，正向传输和反向传输各使用一个频率，即通常所谓的频分 双工( f d d ) 。无论j 下向传输或反向传输除了传输业务信息外，还必须传送相应 的控制信息，这些信息所需的信道都靠采用不同码型来区分。 c d m a 具有很强的抗干扰能力、抗多径衰落和保密通信能力，既不存在象 f d m a 的互调干扰，也不需要象t d m a 那种精确的定时和同步。与f d m a 、t d m a 相比，c d m a 实现多址连接是比较灵活方便的。更重要的是，采用c d m a 的主要 目的是能够提高系统的无线电容量。根据理论分析，c d m a 系统与f d m a 模拟系 统和t d m a 数字系统相比具有更大的通信容量。同时，c d m a 系统的全部用户共 享一个无线信道用户信号的区分只是所用码型的不同来划分，因此，当系统 的负荷满载时，再增加少数用户，只会引起话音质量的轻微下降，而不会出现 象f d m a 系统和t d m a 系统的阻塞现象。由此可见，c d m a 系统的容量与用户数之 间存在一种“软”关系。正因为这种“软容量”特性，使得c d m a 系统的越区 切换不象f d m a 系统和t d m a 系统那样会因找不到可用频道或时隙时而中断通 信。“软容量”特性使系统可以支持越区切换的用户，直至它切换成功，只是 其它用户的通信质量可能受到影响。c d 系统的越区切换只需改变码型，而不 用切换频率，管理和控制比较简单。c d 凇系统可以充分利用人类对话的不连续 南京邮电学院硕士学位论文 特性，实现话音激活技术以提高系统的通信容量。 c d m a 信号的存在类似于在信道中引入了噪声或干扰，通常称之为多址干 扰。c d m a 蜂窝系统的多址干扰分两种情况：一是基站在接收某一移动台的信号 时，会受到本小区和邻近小区其他移动台所发信号的干扰：二是移动台在接收 所属基站发来的信号时，会受到所属基站和邻近基站向其他移动台所发信号的 干扰。c d m a 蜂窝系统“远近效应”( 近地强信号抑制远地弱信号) 是一个非常突 出的问题。实际通信所需信号的强度只要能保证信号电平与干扰电平的比值达 到规定的门限值就可以了，不加限制地增大信号功率不但没有必要，而且会增 大电台之间的相互干扰，像c d m a 系统存在多址干扰，多余的功率辐射势必降 低系统的通信容量。因此，c d 姒蜂窝通信系统必须进行功率控制，既可有效地 防止“远近效应”，又可以最大限度地减小多址干扰。 f 码型 。 ，一 7 i 函 。一一丽西_ 【i i ! ； ， 时问l 堡堕! 二频率 图1 1 1c d m a 的编码序列划分 与f d m a 和t d m a 相比，c d m a 具有许多独特的优点，其中一部分是扩频通信 系统所固有的，另一部分则是由软切换和功率控制等技术所带来的。c d m a 移动 通信网是由扩频、多址接入、蜂窝组网和频率复用等几种技术结合而成，含有 频域、时域和码域三维信号处理的一种协作，因此它具有抗干扰性好，抗多径 衰落，保密安全性高，同频率可在多个小区内重复使用，容量和质量之间可做 权衡取舍等属性。这些属性使c d m a 比其它系统有非常重要的优势。 c d m a 蜂窝移动通信网的特点： 大容量：我国目前引入c d m a 系统的一个最主要的原因就是因为其大容 量特性。决定c d m a 数字蜂窝系统容量的基本参数有：处理增益、输入 信噪比、通话占空比、频率复用效率和小区扇区数。 软容量：在当前的t d m a 和f d m a 系统中，基站可接纳的信道数是固定 的，当所有的信道都被占满时，想要再加入的用户就会听到忙音而得不到 南京邮电学院硕士学位论文 服务。而在c d m a 系统中，用户数和服务级别之间存在更灵活的关系。 例如系统经营者可在话务量高峰期将误帧率稍微提高，从而可增加可用的 信道数。另外，由于c d m a 是一个自干扰系统，当其相邻小区负荷较轻 时，本小区所受的干扰相应减少，容量就可适当增加。 软切换：由于在c d m a 系统中相邻小区共用同一频率，所以移动用户在 越区切换时可以与两个小区的基站同时接通，进行改变扩频码的软切换。 通过软切换可以实现无缝切换，从而保证通话的连续性。另外，处于切换 区域的移动台发送功率降低，减少发送功率是通过分集接收来实现的，降 低发送功率有利于增加反向容量。 抗干扰能力强：在解扩时，接收端使用与发射端相同的伪随机噪声( p n ， p s e u d o - n o i s e ) 序列对接收信号进行相关处理，恢复有用信号。信道中的 噪声经相关处理后，窄带干扰被展成宽带干扰，宽带干扰由于与p n 序列 不相关仍为宽带信号，它们的能量被分散在发送信号的带宽内。经窄带滤 波后，输出信号与干扰功率密度之比，即信噪比有显著提高。 抗衰落能力强：c d m a 扩频信号占据的带宽大于信道的相关带宽，在同 地点和同一时刻，多径效应只会使一小部分频谱发生频率选择性衰落，而 不会使整个信号发生严重的畸变，故有较强的抗多径衰落能力。 保密性好：c d m a 信号的扩频方式提供了高度的保密性，使这种数字蜂窝 系统在防止串话、盗用等方面具有其它系统不可比拟的优点。c d m a 的数 字语音信道还可直接引入数据加密标准( e d s ) 或其它标准的加密技术。 话音激活技术：在f d m a 和t d m a 系统晕，由于通话停顿时重新分配信 道存在一定时延，所以难以利用话音激活技术。在c d m a 中，某用户在 不讲话时传输速率降低，从而减轻了对其它用户的干扰，而干扰功率的降 低又直接提高了系统的容量。 正是由于c d m a 系统具有上面所述的诸多优点，因而在当今世界各大电 信公司联盟所提出的第三代移动通信系统方案中虽然他们的方案不甚相同， 但是全世界在第三代移动通信系统中采用宽带码分多址( c d m a ) 技术已经达成 共识。 南京邮电学院硕士学位论文 宽带c d m a 通信系统的关键技术包括个人通信系统的总体设计，系统定 时同步与扩频相关处理技术、扩频编码信号的设计，系统软件设计技术和编程， 抗多径衰落的凡墩e 接收技术，信号功率测量与控制技术。而它们之间又是相 辅相成、互相补充的，均为当前的研究热点。 1 1 1c d m a 系统的网络结构 c d m a 系统的网络结构主要由基站子系统和网络子系统两大部分组成的，如 图1 1 1 1 所示，其中基站子系统由一种集中的基站控制器( b s c ) 和若干个基站 收发信台( b t s ) 组成的，网络子系统是以移动交换中心为核心，包括与之相连 的相邻m s c 、v l r 、h l r 、a u c 、0 m c 、e i r 、s m c ( 短消息中心) 、p s t n 。 基站子系统 网络子系统：公共网 图11 1 1c d 姒系统体系结构 c d m a 系统主要是由下列功能单元组成的：移动台( m s ) 、基站( b s ) 、移动 交换中心 m s c ) 、拜访位置寄存器( v l r ) 、归属位置寄存器( h l r ) 、鉴权中心 ( a u c ) 、设备识别寄存器( e i r ) 、操作维护中心( o m c ) 、短消息中心( s m c ) 、短消 息实体( s m e ) 。每个功能单元的意义正如g s m 中所介绍的，在此不再赘述。 基站子系统( b s s ) 的主要功能如下：( 1 ) 无线信道的管理：包括信道分配、 链路监视、信道释放、空闲信道观察、业务信道功率控制，同时也支持全速率、 半速率、1 4 速率、1 8 速率等业务信道：( 2 ) 有线信道的管理：主要是用于 指示m s c 和b s c 之间的信道阻塞：( 3 ) b s s m s c 管理：当控制信道过载时，b s s 向m s c 发送过载消息；( 4 ) 测量：一种是功率控制的测量，即c b m a 闭环功率 控制，另一种是用于切换的测量：( 5 ) 切换：包括软切换和硬切换；( 6 ) 传送 移动性管理消息：即通过b s s 在m s 和m s c v 乙r h l r 之间传输移动性管理消息， 比如鉴权、登记、切换和漫游等消息，b s s 负责将这些消息传送给网络部分； 4 南京邮电学院硕士学位论文 ( 7 ) 寻呼：b s s 负责将来自网络的寻呼消息转换成相应的空中接口消息向一定 范围内的小区分发；( 8 ) 操作维护功能；b s s 操作功能包括对b t s b s c 参数的 修改、对b s e 硬件配置，而维护功能包括对b s c 的故障定位、支持b s c 和b t s 的再配置、对b s c 软件升级等；( 9 ) 测量监视：主要是对话务量和信令状态 的测量，而对指定鼢的监视；( 1 。) 功率控制：b s s 支持闭环和外环功率控制 功能，而b s c 可以设置误帧率( f e r ) 的目标值；( u ) 系统同步：每个b t s 和b s c 均装有g p s 。以保证系统同步。 网络子系统( n s s ) 主要功能如下：( 1 ) m s e v l r 功能。比如切换、寻呼、无 线业务信道释放等无线资源管理，m s c 管理，鉴权、加密、登记等移动性管理， 用户主叫和被叫过程中系统鉴权和用户合法性的检验的呼叫控制及提供电信 业务、承载业务和补充业务的业务功能；( 2 ) l r a u c 功能。比如提供相关接 口、移动台被州处理、登记、数据恢复、数据备份和鉴权、用户管理及故障告 警等。 1 。1 2c d m a 无线接口 c d 姒所用信道的上行频带是8 2 4m h z 8 4 9m h z ，下行频带是8 6 9m h z “8 9 4 m h z 。信道带宽为1 2 2 8 8m h z 。上行信道和下行频率间隔为4 5l f l h z 。精确的功 率控制是不可少的，但考虑到系统最优化的各种算法使得该系统更加复杂n 该 系统利用纠错码结合交织、话音激活检测、用可变比特率的语音编码和r a k e 接收机技术使得系统容量最大。 数据是用8 5 5k b p s 码激励线性预测c e l p 语音编码器以9 6k b p s 发送的， 且受纠错码保护，该数据比特率被分割成2 0m s e c 的交织块，并且具有以上行 链路的l 3 的码率( 即1 9 。2k b p s 的总比特率) 和下行链路l 3 码率( 即2 8 8 k b p s 比特率) 的卷积码k = 9 编码。c d 凇开发部门和t i a 也已经指定一种称为 增强型可变速率声码器为新的声码器。 以1 9 2k b p s 发送的数据借助用于加密的长码来修改。然后，被修改的比 特在发送前利用6 4 维w a l s h 正交码( 即产生1 2 2 8 8m b p s ) 来编码。一个码在呼 叫期间分配给移动用户。在w a l s h 编码之后数据分成，和p 通路，每个数据 利用短码来编码。然后产生的比特流输送到q p s ki q 调制器上。 蜂窝小区利用相同的频带和相同的w a l s h 码，但在两个短码上的比特序列 南京邮电学院硕士学位论文 有一个时间偏移( 用在所有场地并被所有移动台使用时是相同的) 。这就允许 c d i c i a 信道( 即每个基站) 以唯一方式被识别。 1 1 3c d m a 信道 导频信道：导频信道是一种广播信道，专门由基站发送。p n 导频序列对所 有基站是相同的，每个基站利用p n 导频序歹1 3 的时闯偏差识剐其前向信道。导 频信道帮助移动台恢复这种时间偏差而不需要对基站的身份解码： 同步信道：在系统获取相位期间，移动台利用该信道试图与基立占保持同步。 在获取之后，移动台没有再用同步信道直至关闭。由同步信道发送的唯一信息 是同步信道信息。 寻呼信道：在同步相位之后，移动台决定其寻呼信道，且开始接听该信道。 该寻呼信道利用“h a s h 码”技术从所有可用的寻呼信选择。每个载波可以确定 最多有7 个寻呼信道。 由寻呼信道发送的数据具有四种类型： 总开销：系统参数( 即寻呼信遭结构、登记参数) 、接入参数 d 时，多径时延扩展对接收脉冲的影响就可以忽略不计，即符号间干扰 可以忽略不计，称这种信道为理想信道。相反，当r d 时，符号间干扰增加， 已经不能忽略不计，称这种信道为色散信道。 1 3 引入多用户检测的必要性 c d m a 是近年来用于个人通信中的一种先进的无线扩频多址通信技术，它 具有缓解有限频带与无限用户需求之间矛盾的潜力，因此，近年来引超人们极 大的兴趣，而c d m a 系统中的多用户检测技术又是研究的热点之一。 码型设计、功率控制技术、空间滤波技术是克服多址干扰最理想的措施。 但是它们均未综合考虑各个用户的信息( 包括扩频码、幅度、相位等) ，因此 只能削弱而不能从根本上消除多址干扰。从本质上来看多址干扰不1 司于普通高 斯噪声，它有着更加复杂的结构：用户阳j 的信号是确定信号且是可预测的，具 有高斯白噪声所不具备的有限符号集特性和循环平稳性、恒模性，在天线阵列 接收情况下还存在空间结构特性以及编码结构等特点，所有这些都使我们有可 能将各个用户的有用信号分离出来。 多用户检测技术( m u d ，m u l t i u s e rd e t e c t i o n ) ，又称多址干扰抑制技术或 联合检测技术，是引用信息论并通过严格的理论分析后提出的一种新型抗多址 技术。通过利用扩频码的已知结构信息和统计信息，既可以抗多址干扰，又可 南京邮l u 学院砸i 学位论文 以抗远近效应和多径干扰。 在通常的c d m a 中，都将多径干扰与多址干扰看作等效白噪声的无用信 息来处理，这是一种消极的处理方法。其实无论是多径干扰还是多址干扰，本 质上并不是纯粹无用的白噪声，而是有着强烈结构性的伪噪声随机序列信号， 而且用户间与各条路径间的相关函数都是己知的，因此从理论上看，完全有可 能利用这些伪随机序列的己知结构信息和统计信息来进一步消除它所带来的 负面影响，以达到提高系统性能的目的。 多径干扰与多址干扰其实质是一样的，都来源于伪随机序列，若能充分利 用扩频码的已知结构信息与统计信息，两者是可以同时消除的：同时消除和削 弱了多径和多址干扰，也必然消除了和削弱了远近效应。 在信息论最优信号检测理论指导下，基于上述充分利用扩频码的已知结构 和统计信息对多个用户的匹配滤波器接收的基础上，进行多用户联合检测，并 充分利用已知伪码结构和统计信息，设法消除其他用户的有用用户干扰的方 案，理论上是完全可行的。多用户检测和空时信号处理技术越来越受到人们的 关注。 南京邮电学院硕士学位论文 第二章自适应智能阵列天线 2 1 引入空时信号处理的必要性 当前移动通信正经历着迅速的发展，面对各种业务质量需求的压力，需要 将无线通信系统与信号处理技术结合起来以满足各种需求。有限的频谱资源要 求更加有效地利用这些频谱资源，多址技术即是其中的有效方法之一。近年来， 十分流行的多址技术就是直接序列码分多址( d s c d m a ) ，该技术一个显著特 点就是系统容量大。而影响d s c d m a 系统性能的两个主要因素是多址干扰和 多径失真。因此，人们提出许多信号处理技术抑制多径干扰和多径失真。随着 对系统质量和容量的要求不断提高，人们也在不断地寻找进一步提高服务质量 和扩大系统容量的方法。近几年，智能天线概念的提出与研究在数字移动通信 中有了引人注目的新进展。 多用户检测利用d s c d m a 用户信号的扩展波形的基本结构来抑制干扰， 目前已经有许多线性和非线性的方法提出来。实验表明，这些技术能显著增强 接收机的性能，增加系统容量。 空时处理则是借助阵列处理技术利用信号的空间特征来抑制干扰。空分复 用、智能天线等概念的提出和应用是数字通信领域中引人注目的新进展，它们 通过在空间域区别不同用户以达到信道的空间复用和减少用户之间的干扰的 目的，从而提高通信质量和容量。因此，基于天线阵列的空间和时间的信号处 理将会成为移动通信的突破点。 2 1 1 一维处理技术的局限性】 时域一维处理的局限性 单个用户环境中，均衡器试图使信道的码i 白j 干扰最小化。但是，在无线通 信中，还必需考虑使同信道干扰最小化。假定存在k 个用户，并且无加性噪声。 于是，在没有过采样的单传感器的情况下，均衡器输入信号可写作 工( ) = h ，s ( ) ( 2 1 1 1 ) 南京邮电学院硕士学位论文 式中， 有限冲激响应( f i r ) 信道h = ， ，。 ，且 s ，( 女) = h ( 尼) ，5 ，( i 一v + 1 ) 7 。为信道长度。 图2 1 1 1 时域一维处理 采用m 一1 阶均衡器作用时，可以把接收信号表示为下式 x = x ，= h ( 七) 式中h 为t o e p l i t z 矩阵 h= l南n o 向f l ： o oo 一l o 0 o 南， ( 2 1 1 2 ) ( 2 1 1 3 ) 且s ，( 女) = s ，( ) ，s 。( 一一m + 2 ) 】，。+ 。其中，用户f 的接收信号 x ，= h s ，( 女) = 【x 。( ) ，x ，( 女一 彳+ 1 ) 7m 。l 。 若定义 h m = 【h ，h k ，x k m + n 则( 2 1 1 2 ) 可以写作 x = h i ：s l ：f ( 2 1 1 4 ) ( 2 1 1 5 ) ( 2 1 1 6 ) 南京邮电学院硕卜学位论文 以w 表示长度为m 的均衡器，则均衡器输出可写作 y ( 七) = w “x = w “h m s m ( 2 1 1 7 ) 不失一般性，假定希望解调用户1 的信号5 。( 女) ，并完全对消码间干扰和所有 同信道干扰，这就要求式( 2 1 1 7 ) 必需满足下列“置零条件”： w “h l ：k = 【o ，o ，1 ，o ，o 】lx k 【mt n 式中，元素1 位于第1 个和第十 乒j j 个之间。这一置零条件要求，如果要 解调所有用户，h 。：。满列秩a 由于h 为m x k + 肛u 维矩阵，所以它总是 一个宽矩阵。因此它不可能是满列秩的。这就意味着当接收信号以波特率采样 时，只使用时域处理不可能获得码间干扰和同信道干扰的联合线性对消。只有 当采用p 速率分数采样( 过采样) 时，h m 是 护x 彪f + 必 维的t o e p l i t z 矩 阵，才有可能是满列秩的。 空域一维处理的局限性 单独使用空域处理是否可以得到干扰抑制的效果昵? 我们考虑一个具有 m 个阵元的接收系统，它们的输出被加权，然后组合在一起，构成波束形成器 的输出。 w ( 1 ) h 一i 旷三爹v 萄 + w ( m ) + 一 ：，。主 i j 型协 r 幽2 1 1 2 空域一维处理 假设有k 个用户，不存在多径则信号模型可以描述为 南京邮电学院硕b 学位论文 x ( 七) = h 墨( ) ( 2 1 1 8 ) 式中h ，为m 1 ，表示不存在时延扩展的空域信道，因此s ，( ) 为标量。令5 ( k ) 为期望检测的信号，则波束形成器输出为 y ( t ) = w ”x ( 女) ( 2 1 1 9 ) 式中w 为m l 加权。综合式( 2 1 1 - 8 ) 和( 2 1 1 9 ) ，波束形成器输出写为： k _ y ( ) = ( w ”) 。( h 。) 。s ，( 女) i i l 或写为： y ( ) = w ”h s ( 七) 式中h = 【h ，h 。 ，s ( 女) = b ( 女) ，s 。( ) 7 1 。于是，恢复用户l ，并对消所有 同信道干扰的置零条件为： w ”h = 【1 ，o ，o 】 这一条件要求： m k 并且h 必须是列满秩的。 以上信号模型可以推广到包含时延扩展的情况：假定每个用户的信道长度 均为n 。于是，第f 个用户的信道h ，为m x 矩阵。为了对消所有同信道干扰 和码问干扰，m 必须满足条件 m2n k 令第f 个用户在多径模型中具有，个路径，若h ，为高矩阵，则条件( 2 1 1 - 1 1 ) 变为： k m ， - 1 虽然看上去只是空间组合即可提供同信道干扰和码白j 干扰的完全对消，然 而这是不现实的，因为实际信道有很多路径，因此需要很多阵元。 南京邮电学院硕士学位论文 2 1 2空时信号处理技术的原理及其分类 空时信号处理技术的原理和特点 智能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 用户信号到达方向，旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向，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。如图2 1 2 1 。 图2 12 1 天线阵产生的定向波束 智能天线通常包括多波束智能天线和自适应阵智能天线。使用智能天线可 以在不显著增加系统复杂度情况下满足扩充容量的需要。不同于常规的扇区天 线和天线分集方法，通过在基站使用收发智能天线，可以为每个用户提供一个 窄的定向波束，使信号在有限的方向区域发送和接收，充分利用了信号发射功 率，降低了信号全向发射带来的电磁污染与相互干扰。不同于传统的时分多址 ( t d m a ) 、频分多址( f d m a ) 或码分多址( c d m a ) 方式，智能天线引入了第四维多址 方式：空分多址( s d m a ) 方式。在相同时隙、相同频率或相同地址码情况下，用 户仍可以根据信号不同的空间传播路径而区分。智能天线相当于空时滤波器， 在多个指向不同用户的并行天线波束控制下，可以显著降低用户信号彼此间干 扰。 具体而言，智能天线将在以下方面提高未来移动通信系统性能：( 1 ) 扩大 系统的覆盖区域；( 2 ) 提高系统容量：( 3 ) 提高频谱利用效率；( 4 ) 降低基站 发射功率，节省系统成本，减少信号间干扰与电磁环境污染。 智能天线的分类 智能天线分为两大类：多波束智能天线与自适应阵智能天线，简称多波束 南京邮电学院硕l 学位论文 天线和自适应阵天线。 多波束天线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，波束宽度也随阵元数目的确定而确定。随着用户在小区中的移动，基站选 择不同的相应波束，使接受信号最强。因为用户信号并不一定在固定波束的中 心处，当用户位于波束边缘，干扰信号位于波束中央时，接收效果最差，所以 多波束天线不能实现信号最佳接收，一般只用作接收天线。 自适应阵天线一般采用2 1 6 天线阵元结构，阵元间距1 2 波长，若阵元 间距过大，则接收信号彼此相关程度降低，太小则会在方向图形成不必要的栅 瓣，故一般取半波长。阵元分布方式有直线型、圆环型和平面型。自适应天线 是智能天线的主要类型，可以实现全向天线，完成用户信号接收和发送。自适 应阵天线系统采用数字信号处理技术识别用户信号到达方向，并在此方向形成 天线主波束。自适应阵天线根据用户信号的不同空间传播方向提供不同的空间 信道，等同于信号有线传输的线缆，有效克服了干扰对系统的影响。 智能天线采用数字方法对阵元接收信号加权处理形成天线波束，使主波束 对准用户信号方向，而在干扰信号方向形成天线方向图零陷或较低的功率方向 图增益，达到抑制干扰的目的。 智能天线技术在实现过程中可以采用不同算法，主要有最小均方算法 ( l m s ) 、递归最小平方算法( r l s ) 和恒模算法( c m a ) 。其中最小均方算法( l m s ) 、 递归最小平方算法( r l s ) 需要系统提供与用户信号相关的参考信号，用以计算 误差，控制阵列加权。恒模( c m a ) 算法利用阵列输出信号恒包络原理，不需要 参考信号，属于盲均衡方法。 2 2 空时信号的信号模型 考虑具有个用户的基带d s c d m a 系统，用户的扩频序列波形信号为 屯： 1p l “( r ) = 去“( 伽( 卜r 。) ，o r s r ，1 彪 ( 2 2 _ 1 ) v = 0 其中，为码元间隔，t = 7 么为一个码片的持续周期，尸为扩频增益， q ( j ) + 1 ，一1 ) ，户o ，p l ，为用户膏的扩频码，妒是码片波形。 9 南京邮电学院硕士学位论立 第七个用户传输的基带信号。( ，) 表示为 x ( f ) 一l m 6 k ( 帆( 卜f 丁) = 1 ，世 _ o ( 2 2 2 ) 其中，表示发送的数据码元个数，钆( f ) + l ，一1 是第七个用户传输的第f 个 码元，4 表示第七个用户信号幅值。假设各个用户传输独立等概率的码元且 来自不同用户的码元序列是相互独立的。 在接收端，用膨个阵元的线性天线阵列，假设每个发射机安装一个单一的 天线，那么在第七个用户的发射机和基站接收机之间的基带多径信道可模拟成 一个s i m o 信道，其脉冲响应矢量为： h t ( r ) = n 膳。j ( f ( 2 2 3 ) 其中，是每个用户信道的多径数，g 。与f 。，分别表示第七个用户信号的第， 条路径的增益系数和延迟。证。，是第七个用户信号的第，条路径的阵列响应矢量： 旺“= 口“l 口“z ： a k l p j 2 d ( m 一叫“( 乩) ， ( 2 - 2 4 ) 其中，是第膏个用户的第f 条路径的波达方向( d o a ) ， 是载波波长。d 为 阵元间距。 因此，在基站接收的整个接收信号就是来自k 个用户的信号的叠加再加上 加性信道噪声： r r ( ，) = 五( ，) 铀( ，) + 佣( ，) ，l 一lk 爿。6 。( i ) a 。，g 。，乩( ，一，丁 i - o 女= lk 1 ( 2 2 5 ) 其中， 表示卷积，n ( f ) = h ( f ) ，”，( f ) 7 是独立的零均值、高斯噪声过程矢量 每个分量都具有单位方差，盯2 是每个天线阵元的信道噪声方差。 南京邮电学院硕士学位论文 2 3自适应算法应用于天线权值调整的空时信号处理 图2 3 1自适应多阵元智能天线接收示意图 图2 3 1 示出了多阵元天线接收图，假设接收机已知所有用户的特征序列， 这样的假设在c d m a 网络中是可行的，这也正是系统使用伪随机码而不是完全 随机码的原因。并设我们要检测的是第七个用户。 第七个用户传输的基带信号x 。( f ) 表示为： 一1 女( r ) = 一 6 ( f ) 乳( f f 丁) = 1 ，- 一，k ( 2 3 - 1 ) i = 0 脉冲响应矢量为： h ( ，) = 吐膳“占( 卜f ，) ( 2 3 - 2 ) ，- 1 在基站接收的整个接收信号就是来自k 个用户的信号的叠加再加上加性 信道噪声： r 一1kl r ( f ) = 以( r ) 。( f ) + ( f ) = 4 钆( f ) a “g 。( f 一盯一) + 叨( ，) i t l，o ，l，l 2 l 南京邮电学院硕士学位论文 下面考虑解调第七个用户的信号】。 以w 。表示第七个用户滤波器的复权值，以k 表示第用阵元接收的码元信 息，以码片速率进行抽样后，k 可以表示为 一lrl r 卅= 钆( f ) 4 口。g 。j ( ，一f 丁一r 。，) + 锄， ( 2 3 4 ) j = o i = i，；l 其中，n ，表示高斯噪声矢量。设多径时延是码片持续周期瓦的整数倍，而且 f ，7 。 以矢量形式表示自适应滤波器的输出信号，则为r = 吖， 7 ；把w 。表 示成矢量形式，w 。= 【w 矗，w 乙 7 ，每一个w 。，l m m 都是尸维矢量。因 此， 最终判决器输出信号为 反= s g n 【r e ( 儿) 】 ( 2 3 5 ) ( 2 3 6 ) 自适应算法应用于阵列天线权值调节： 智能天线权值的调整在实现过程中主要有两种实现途径，一种是自适应梯 度算法，另一种是自适应高斯一牛顿算法。自适应梯度算法包括l m s 算法及其 各种改进算法( 如l m s 基本算法、解相关l m s 算法、滤波型l m s 算法，变换域 l m s 算法等) ，自适应高斯一牛顿算法包括r l s 算法及其各种变形和改进算法( 如 r l s 直接算法、指数遗忘的加窗r l s 算法等) 。在本章的研究中主要有最小 均方基本算法( l m s ) 、递归最小平方直接算法( r l s ) 和根据文献 3 6 提到的去 掉线性约束的改进恒模算法( c m a ) 。下面列出各种算法具体的自适应权值更新 过程： 最小均方( l m s ) 算法 代价函数：j ( w ) = k ( 月) 一w h r ( ”) 1 2 l m s 算法准则：删s e 准则 _ y ( n ) = w “( n ) r ( n ) ( 2 t 3 7 ) 南京邮电学院坝卜学位论文 e ( n ) = d ( n ) 一w “( 九一1 ) r ( n ) w ( n ) = w 0 一1 ) + ( h ) r ( n ) e ( 月) 步长掣= 常数( 称为基本l m s 算法) ，d ( n ) 为训练序列 递推最小二乘( r l s ) 算法 代价函数：，( w ) ：窆爿一”l d ( n ) 一w r ( n ) 1 2 = 0 r l s 算法准则：最小二乘准则 y ( n ) = w “( ”) r ( ) e ( n ) = d ( h ) 一w ”( n 一1 ) r ( n ) 蚴，= 熹篙鬻斋 p ( n ) ： 【p ( 一1 ) 一k ( 月) r ”( n ) p ( 月一1 ) 】 w ( ) = w ( ”一1 ) + k ( ”) 8 ( n ) 遗忘因子五：o j 弋! 、j t ：l 一 。| “ ：、 杈 ? l爻 g 蠕 f ill ，i 口 2 d6卜广甫讯r e 2 0 s n r ( c b ) 图2 4 2 1 自适应阵列天线与单阵元天线接收性能比较 髓2 4 2 _ 2 阵元l ，阵元2 、阵元3 的自适应收敛情况 警獭靛罂 南京邮电学院硕l ：学位论文 图2 4 2 2 描述的是3 阵元智能天线在自适应过程中各个阵元的误差收敛 情况( 以r l s 算法为例) 。从图中可以看出，随着迭代次数的增加，各个阵 元的误差逐渐收敛。 2 4 3 自适应算法与远近效应及多径延时 、 、 j 意虫p j、j j b m s l 圈2 4 3 1近端对远端干扰比 在移动通信中，用户是随机移动的，当基站同时接收两个不同距离移动台 的信号时，如果两个移动台发信机以相同的频率工作，具有相等的发射功率， 在基站距离近的用户要比远离基站的用户信号的功率大，因此基站接收远端来 的移动台有用信号会被近端移动台的发射信号淹没。图所示基站b s 同时接收 移动台m s l 和m s 2 的信号， f s l 离b s 较近，距离为d 。，m s 2 离b s 相对较远， 距离为d 2 ，其中d 2 d i 。此时，若两个移动台发信机以相同频率、相同功率 发射，则基站接收机接收到m s 2 的信号将被从m s l 接收到的信号淹盖。这种由 于接收点位置和两个分开的发信机之间路径损耗不同而引起的接收功率差，称 为近端对远端比干扰，也称为远近效应。 近端对远端比干扰可用近端对远端干扰比来表示。近端对远端干扰比表明 近端干扰大于远端有用信号的极限程度，因为这是在相同功率、相同频率而只 有距离差的条件下的计算值。在实际移动通信条件下，移动台离散移动，使近 端对远端比干扰不可避免。用m 讯表示近端对远端干扰比，则 脚= 糕= 等出路径损耗甜 ( 24 3 1 ) 在移动通信网中，更实际的情况是，对于接收机来说，距离较近的发信机 是有用信号源，距离较远的发信机为干扰源，我们可以根掘允许干扰量来确定 接收机与干扰发信机的最小距离。 南京邮电学院颁l ：学位论文 近端对远端干扰比可以