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c d m a 通信系统抗干扰相关技术研究 - _ i j i i _ _ _ i ；_ j i _ - j _ _ i _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ i _ i _ l _ _ j i _ j j _ _ _ - _ r l 摘要 随着移动通信的发展，移动用户数目迅速增加，移动通信业务量的增长 和有限的频谱资源的矛盾日益突出。解决上述矛盾的一种途径是提高频谱的 有效利用率，而码分多址( c d m a ) 则是在每个信道使用不同的码序列，并 且使用相互正交的码序列来实现信道的正交，这样由不同的码序列来区分不 同的用户的方法将很好的解决频带共享的问题，提高了频带利用率。然而， 通信信号的传输是极为复杂的，这主要是因为移动通信大多在城市里进行， 并且很多用户同时在发射和接收，市区高层建筑物、及各种散射体构成了复 杂的传输信道的背景，移动用户又处在不断的运动之中。信道的衰落、扩展 及多径现象，使信号传输过程中受到的码间干扰和同信道干扰对通信信号的 传输的影响是极其严重的。因此在c d m a 系统中对于抗干扰技术的研究则显 得尤为重要。 本文主要着眼于在c d m a 系统中几种抗干扰技术的研究。首先是阵列信 号处理理论的引入，自适应波束形成抗干扰技术的研究。在对前人的研究如 最小均方误差算法( m m s e ) 、最陡下降算法、最小均方算法和线性约束最小 方差算法等基础上提出一些改进算法。研究了改进的基于特征子空间的平滑 算法，加深了零陷深度，提高了系统的信噪比。分析了在干扰信号位置抖动 较小时的零陷展宽算法，验证了其可行性：研究了干扰信号位置抖动较大时 的自适应零陷跟踪算法，使得在干扰抖动较大、零陷不能无限展宽的情况下 以跟踪的方式使零陷对准干扰信号，实现了对干扰信号大角度抖动的抑制作 用。 其次，研究了空时c d m a 多用户检测抗干扰技术。 首先研究了单径同步c d m a 信号模型、异步多径c d m a 信号模型，并 哈尔滨工程大学薄士学位论文 在空时多用户检测接收枫结构中加以应用。其次在研究了空时多用户梭测的 几种算法的基础上，研究和仿真了通过多径搜索器，预估出多径时延的s a g e 算法，其收敛性随时延估计的精度而变化。为了实现工程应用，在理论研究 戆基础上j c 重上述内窑傲了樱寝的诗算机仿真，避一步跑较其性能。镑粪结果 表明，以上冀法的计算量大，罨饯和收敛速度较漫，为工程实践带来困难。 在能够满足其误码率的要求条件下，本文提出馨于正交旋转算法的同步 c d m a 次优化多用户检测算法，实现了快速寻优，大大减小了计算鬣。 最屠，对c d m a 蜂窝网络哮，抗 # 视距传播干扰驰定位算法进行了研究。 余绍了蜂窝网络中电波豹菲视距传播问题，雩l 入了t 1 p 1 信道模型，并磺究 了蜂窝网络中移动台定位的基本算法，如基于t d o a 的c h a r t 算法、基于 t d o a a o a 的c h a n 算法、泰勒级数展开算法、基于c h a r t 算法和黎勒级数 展开算法的混和定位算法：并对上述算法进行计算机仿真及性能比较，提出 了改进豹基予t o a 、t d o a 、t d o a t o a 、t d o a a o a 话计僮的多层决策 抗多路径僚患融合算法，理论分析和计算机仿真缩巢表翡该算法优予其它算 法的定位精度。 关键调；抗干扰；零陷展宽；多用户检测；非视鼹传播；信息融合 c d m a 通信系统抗干扰相关技术研究 i i i i 胃i i i i j _ 捌_ _ i 目一 a 8 s t r a c t w i t ht 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 , t h en u m b e ro fm o b i l e c o n s n m e ri n c r e a s e sr a p i d l y , t h ec o n t r a d i c t i o nb e t w e e nt h eg r o w t ho fm o b i l e c o m m u n i c a t i o np o r t f o l i oa n dt h el i m i t e df r e q u e n c ys p e c t r u mr e s o b r c e sb e c a m e m o r ea n dm o r ep r o m i n e n t o n ew a yt os o l v ea b o v ep r o b l e mi st oe n h a n c et h e f r e q u e n c ys p e c t r u mu s i n ge f f i c i e n c y , t h e nc d m a u s ed i f f e r e n tc o d es e q u e n c ei n e a c hc h a n n e l ，a n du s e st h eo r t h o g o n a lc o d es e q u e n c et om a k et h ec h a n n e l o r t h o g o n a l h o w e v e r , i t sv e r yc o m p l i c a t e df o rt h es i g n a l st r a n s m i s s i o nb e c a u s e o ft h eh i 曲b u i l d i n gt h ec d m p l e xc i r c u m s t a n c ea n dt h em o v e m e n to fm o b i l e c o n s u m e r t h ec h a n n e lf a d i n g ，e x p a n s i o na n dt h em u l t i - p a t hp h e n o m e n o nc a u s e i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c ea n dt h es a m ec h a n n e li n t e r f e r e n c e i ti n f l u e n c e st h e s i g n a lt r a n s m i s s i o ne x t r e m e l ys e r i o u s t h e r e f o r ei nc d m as y s t e mr e g a r d i n g a n t i - j a m m i n gt e c h n o l o g yr e s e a r c ha p p e a r se s p e c i a l l yi m p o r t a n t 。 t h i sa r t i c l em a i n l yf o c u s e so ni nt h ec d m as y s t e ms e v e r a lk i n d so f a n t i - j a m m i n gs y s t e m sr e s e a r c h ，s u c ha st h ea r r a ys i g n a lp r o c e s s i n gt h e o r y , a u t o - a d a p t e db e a mf o r m i n ga n t i - j a m m i n gt e c h n o l o g yr e s e a r c h r e s e a r c h i n g p r e d e c e s s o r sa l g o r i t h ml i k em m s e , s t e e p e s td e s c e n tm e t h o d ，l m sa n dl c m v p r o p o s i n go w nv i e w p o i n tt oi m p r o v es y s t e mc a p a b i l i t y t h ei m p r o v e ds m o o t h a l g o r i t h mb a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i cs u b s p a c eu s e dd e e p e nt h en u l lt of a l lt h e d e p t h ，e n h a n c e dt h es y s t e m ss i g n a lt on o i s er a t i o a n a l y z i n gt h ea l g o r i t h mt h a t b r o a d e n st h en u l lw h e nt h eu n w a n t e ds i g n a lp o s i t i o nv i b r a t i o nv e r yl i g h t ，a n d c o n f i r m i n g i t s f e a s i b i l i t y s t u d y i n gt h es i g n a lp o s i t i o nv i b r a t i o ng r e a tt i m e a u t o 。a d a p t e dn u l lt r a c ka l g o r i t h m , i tc a nm a k en u l la i mj a m m i n gs i g n a l b y t r a c k i n gw h e nn u l lc a nn o te x p e n d e di n f i n i t e 。i tc a l lr e s t r a i nt h en o i s ew h e ni t v i b r a t i o nv e r yh e a v y n e x t , s t u d y i n gt h es p a c e t i m ec d m am u l t i - u s e rd e t e c t i o na n t i - j a m m i n g t e c h n o l o g y 哈尔滨工程大学博士学位论文 h a v i n gs t u d i e dt h es i n g l e - p a t hs y n c h r o n i z a t i o nc d m as i g n a lm o d e l ，t h e a s y n c h r o n o u sm u l t i - p a t hc d m as i g n a lm o d e l ，a n du s e di t i nt h es p a c e - t i m e m u l t i u s e rd e t e c t o r m o r e o v e rs t u d yt h es p a c e t i m em u l t i u s e re x a m i n a t i o n a l g o r i t h m t h ec o r r e s p o n d i n gc o m p u t e rs o f t w a r es i m u l a t i o ni nt h ef u n d a m e n t a l r e s e a r c hf o t m d a t i o nt ot h ea b o v ec o n t e n ta n dc o m p a r ei t sp e r f o r m a l l c e t h e s i m u l a t i o nr e s u l ti n d i c a t e dt h a tt h e s ea l g o r i t h m sn e e d 协c o u n tm u l t id a t a ，a n d s e e ks u p e r i o rt h r e s h o l da n dt h ec o n v e r g e n c er a t ei sv e r ys l o w i tb r i n g st ot h e p r o j e c tp r a c t i c ev e r yg r e a ti n c o n v e n i e n c e , i no r d e rt os a t i s f yi t ss y m b o le r r o rr a t e u n d e rt h eg u a r a n t e ec e r t a i nc h a n n e le n v i r o n m e n t sr e q u e s t , t h i sa r t i c l ep r o p o s e d a l g o r i t h ms y n c h r o n i z e dc d m a b a s e do nt h er e v o l v e so r t h o g o n a lh y p o o p t i m i z e m u l t i u s e rd e t e c t o rt e c h n o l o g y i tc a nr e a l i z ef a s ts e e k i n gs u p e r i o rt h r e s h o l d ，a n d r e d u c e dc o m p u t a t i o n f i n a l l y , d o i n gt h el o c a l i z a t i o na l g o r i t h mr e s e a r c ho f n l o sa n t i - j a m m i n gi n c d m ac e l l u l a rn e t w o r k 1 ti n t r o d u c e dn l o si nt h ec e l l u l a rn e t w o r kt h ee l e c t r i c w a v e s ，a n di n t r o d u c e dt h et 1 p 1c h a n n e lm o d e l ，a n ds t u d i e db a s i ca l g o r i t h mo f l o c a l i z a t i o ns u c ha sc h a na l g o r i t h mb a s e do nt h et d o a ，c h a r ta l g o r i t h mb a s e d o nt d o a a o a ，t h et a y l o rs e r i e se x p a n s i o na l g o r i t h m ，m i x e st h el o c a l i z a t i o n a l g o r i t h mb a s e do n t h ec h a na l g o r i t h ma n dt h et a y l o rs e r i e se x p a n s i o na l g o r i t l l i n c o m p u t e rs i m u l a t i o nt ot h ea b o v ea l g o r i t h mc a r r yo nt h ep e r f o r m a n c ec o m p a r i s o n ； a n d p r o p o s et h ei m p r o v e m e n tb a s e do nt o a ，t d o a ，t d o a t o aa n dt d o a a o ae s t i m a t e dv a l u em u l t i l a y e r e dd e c i s i o n - - m a k i n ga n t i - m u l t i - - p a t hl o c a l i z a t i o n i n f o r m a t i o nf u s i o na l g o r i t t m l , t h e o r ya n dc o m p u t e rs i m u l a t i o no b t a i n e ds u p e r i o r a c c u r a c y k e yw o r d s ：a n t i - j a m m i n g ，b r o a d e nt h en u l l ，m u l t i - u 8 e rd e t e c t i o n ，n l o s ， i n f o r m a t i o nf u s i o n 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献等的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中 已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献 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。 作者( 签字) ；翊王垒 日期：御年7 月，夕日 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 论文研究背景及意义 在移动通信系统中，第一代模拟服务系统采用的足频分多址( f d m a ) 系统，在这种系统中信道被分割为大量的予信道，每个子倍道占有唯一的 频道。褪是这种典黧的逶蓿系统受瓢了通信系统容量豹限铡。为了克服模 拟系统的局限性，2 0 世纪9 0 年代中期诞生了使用数字调制的第二代通信 系统，数字通信系统具有很多明显优点：能抑制噪声和多径扩散的影响， 使断续笈身手成为可髓，这就使得数字通信系统其有比模拟遗信系统更优越 蛇性能。为了充分利用数字调制的优点，改进f d m a 系统，频带共享成为 了日益突出的问题。而码分多址( c d m a ) 则是在每个信邋使用不同的码 垮列，并且使用相曩正交的码序列来实现信道的正交，这样由不硒的码序 列寒送分不羁豹用户静方法将缀好的鳃决频繁共享的闷题。然面，逶嵇信 号的传输是极为复杂的，这主臻是因为移动通信大多在城市里进行，势且 很多用户同时在发射和接收，市区高层建筑物、路灯秆等各种散射体多， 移动薅户又鲢在不颧煞运动之中。掰戳，傣道的衰落、扩展及多经理象， 信号传输过程中受到的码间干扰和网信道于扰对通信信号的传输的影魄是 极其严煎的。近几年应运而生的各种围绕以上干扰情况进行补偿和修正的 理论帮技术被人们广泛的研究，螽阵列信号处理同题，空时二维处理多舟 户检测阀题，定位技术的研究闫题等，进两对于c d m a 系统中鞋上相关的 抗干扰技术研究将具有很高的实用价值。 阵歹| 天线酋先巍雷达和声纳领域基俸为一种有效的抗干抗技术已经得 到了广泛躲应用。避年来被弓l 入民用通信系统中。 所谓天线阵列其实质是一个空域滤波器，这种系统利用信号和干扰的 空间角度方向不同以实现对干扰的抑制，由于空间角方向可视为空间角频 哈尔滨工程大学博士学位论文 率，信号在空间各角方向的功率分布可视为空间功率谱或角功率。所以空 域滤波是利用信号和干扰的空间谱不同来实现对干扰进行抑制的。 但是，将阵列天线用于通信之中，特别是用于c d m a 系统作为一种有 效的抗多址干扰，增加系统容量的方法，一直到最近才引起重视。其主要 原因是：功率控制难以实现，基站接收到的用户信息易受到其它用户的干 扰，随着c d m a 系统容量的增大，为了缓解频率资源紧张状况，人们开始 考虑采用空分复用的方法来提高扩频信号的频带和扩频伪随机码的利用 率，此外，基站对天线的功率，体积等没有严格的限制。因此，一般只考 虑在基站使用阵列天线接收由移动台至基站反向( 后向) 信道上传输的信 号。 阵列天线在c d m a 通信系统中以消除多址干扰及其导致的“远近效 应”现象，并作为增大c d m a 系统容量的手段，其研究应用的领域大致是： 在卫星地面通信系统中，利用阵列天线的波束形成器对多个区域进行覆盖， 同时实现空域和码域的划分，从而增大系统的容量。在传统的c d m a 系统 中，利用自适应天线抑制功率较大的，导致“远近效应”的多址干扰，而 其它功率较小的多址干扰则通过相关检测进行抑制。利用自适应天线抑制 同一信号从不同空间方向到达的多径分量。 自适应天线( a d a p t i v ea r r a y ) 是空域滤波处理和自适应信号处理的有 机结合。它是由多个天线阵元( 包含它们的变形等效阵) 和信息处理器组 成的系统，当天线工作时，信息处理器的输入和输出特性按一定的算法来 调节其内部参数，从而自动地修正和优化天线的方向图、频率响应和极化 特性，并能在搜索和跟踪有用信号的同时，抑制和消去干扰信号，它能在 空间、频率和极化方面自动对干扰信号调零，对有用信号提供最大增益。 阵列天线特别是自适应天线在c d m a 扩频系统中的应用，是c d m a 抗干扰技术中又一个革命性的进步，同时使我们对信道的看法又有新的拓 展，在已有的时分( t i m ed i v i s i o n ) 、频分( f r e q u e n c yd i v i s i o n ) 、码分( c o d e d i v i s i o n ) 等观念的基础上，对信号或信道的划分又有了空分( a p a t i a l d i v i s i o n ) 的观念。 第1 章绪论 暑；i j i i 目自蔫一 l l l l i l c d m a 系统中的主要干扰为码阉干扰和多址干扰。多址干扰主要怒由 予多个用户共享一个信道，不蕊用户之溺必然产生豹予抗，困戴多照千挽 也称多用户干扰。多用户检测技术最基本的思想楚接收方将多个瘸户黔信 息联合起来检测用户发射的有用信息。多用户检测是一种从接收机端的设 计入手的干扰抑制方法，宦要解决的基本问题是：如何从相互干扰的数字 信息串中可靠遍解调出某个特定用户的信号。多用户检测也称同信邋干扰 掷籀或干扰对消。多裙户检测技术的发鼹是通信搜术中最重簧的新进展之 一。 多用户检测技术在传统检测技术的基础上，充分剥用造成多蛙干扰的 所有用户的信息对单个用户的信号进行检测，从而具有优良f l q 抗予扰熊力， 解决了远近效应的问题，降低了系统对功率控制的要求，可以更加有效的 利用上行链路频谱资源，照著提高系统容量。 宫1 9 9 6 年美国联邦通信委员会f c c 颁布的e ，9 l l 定位需求以来，在 政府静强制力积巨大豹舞业潜力推动下，无隈定位越来越受劐各国各公司 及研究人员的关注。近年凑，出于移动避信系统照户静不敝激增，使褥现 代的电信企业正朝着以客户为中心的方向发展。近年来，人们对移动通信 运营商、政府管理机构、e 一9 1 1 服务提供商提供的手机位置信息的需求不 断增长。特别是在第三代移动通信业务中，移动通信定位业务作为一项最 优竞争力的移动娃务被各大运营商肴好。因此，对定位技术课题中定距和 定向两个主簧方向，选择了基予移动台，特剐是基于t d o a 和a o a 的定 位搜术作为研究课题。垦魏无隈定位毳 究靛强豹就是利用现有懿器通信耘 准中的资源，在复杂的无线通信环境中，提高无线定位的糟度。 1 2 国内外研究现状及分析 1 2 1 智能天线算法研究现状分析 阵列位号处理的理论研究自六十年代舞始，至今蠹有靼+ 多年的发 3 哈尔滨工程大学博士学位论文 展历史，主要经历了三个阶段2 l 。【瓠。其中六十年代主要集中在白适应波束 控制上，诸如自适应相控天线、自适应波束操纵天线等；七十年代主要集中 在自适应零点控制上，诸如自适应滤波、自适应置零技术、自适应副瓣对 消等：八十年代主要集中在空间谱估计上，诸如特征空间正交谱估计、最 大似然谱估计、最大嫡谱估计等。随着人们的不断研究，阵列信号处理理 论日趋成熟和完善，相关的研究成果不断得到报道_ 【。 传统的波达方向估计方法，阵列的角分辨率受瑞利限的限制，即瑞利 限以内的空间目标是不可分辨的。超分辨波达方向估计方法则可突破瑞利 限的限制，得到较高的角度分辨率，近二十年受到广泛重视并已提出多种 方法，其中包括：线性预测法，c a p o n 型方法，参数模型化方法等。其中以 m u s i c 方法为代表的信号子空间方法吸引了大批研究者的注意，并取得了 很大的进展 1 0 l _ 【12 1 。 关于自适应天线的组成，现在研究的天线阵的几何形式主要是直线天 线阵，平面阵或环形阵，但不管是那种形式的自适应天线阵，它都必须由 阵元、方向图形成网络、以及自适应处理等三部分组成。 自适应方向图形成网络部分是对阵列中各个阵元的信号进行加权求 和；而自适应算法控制则是根据前面提到的多种自适应算法用来调节方向 图形成网络，从而形成整个阵列的方向图。 自适应波束形成通过不同的准则来确定自适应权，利用不同的自适应 算法来完成实现。主要的准则有：( 1 ) 最小均方误差( m s e ) 准则；( 2 ) 最大信 噪l k , ( s n r ) 准则：( 3 ) 线性约束最小方差( l c m v ) 准则。经研究表明，在理想 条件下这三种准则是等价的。自适应算法主要分为闭环算法和开环算法， 在早期主要注重于闭环算法的研究，主要的闭环算法有最小均方( l m s ) 算 法、差分最陡下降( d s d ) 算法、加速梯度( a g ) 算法以及它们的变型算法。 闭环算法实现简单，性能可靠，不需数据存贮，但是收敛速度太慢，在很 多要求具有快速响应的场合，闭环算法不适宜。因此，在近二十多年来， 人们把兴趣更多地集中在对开环算法的研究上。采样协方差矩阵求逆( s m i ) 算法是一种著名的开环算法，该算法具有较快的信噪比意义下的收敛速度。 4 第1 章绪论 在采样协方差矩阵仅含有干扰和噪声的情况下，假设阵列数据是零均值复 高斯独立同分布随机过程，r e e d 推出了归一化输出信噪比的概率分布，由 罄一纯输出售噪比瓣均蘧可知，当快掐数k 超过2 m - 3 ( m 为阵元数) 时， s m i 算法的输出信噪b g ( s r n r ) 较输出s i n r 的收敛值( 最优傻) 的损失小于 3 d b 。m i l l e r 对采样协方麓矩阵含有期望信号时的情况进行了研究【4 7 j ，并 且指出期望痞号的存在严熏降低了s m i 算法输趣s 1 n r 的收敛速度，麓蓬 僖号越强，降低越严重。爨然s m i 算法等开环算法备受人们关注，但是开 环算法运算量较大，难以工程实现，所以必须想办法来降低开环算法的运 算霪。困貌人们采用了两种路径来降低运算量，一是采用部分自遥应技术， 二是寻找快速算法。部分彝适应技术可以分为阵元空阕部分囊逶废处理鞠 波束空间部分自适应处理，目前的主要方法有特征结构法和功率最小化法 等，部分自适应的缺点是损失了系统自由波，波束形成的性能有所下降。 奁1 9 8 3 年，针对阵元数较多的阵列雷达，h u n g 萃曩t u r n e r 提出了一释快速 波束形成算法，即正交化算法( 又穆h u n g t u r n e r 算法) ，该算法运算简单， 且能有效对消掉干扰，具有很强的实用性。因此，正交化算法从问世以来 一赢是人们研究静热点。为了馕正交化算法能够有效对清捧宽带干扰， g e r s h m a n 把导数约束秘正交佬算法棚结合，提出了约束正交化算法。月时， 对于存在相干干扰时的波束形成方法，人们也进行了大量研究，就目前情 况而言，掇然阵列信号处理技术从理论到工程的转化取褥了不少研究成果， 但是我们登须承认这些磷究戒暴都是基于实验室豹条 串下来完成的，阵列 信号处理的理淦到真正的工程应用还肖一定的距离。造成阵列信号处理技 术从理论到应用转化困难的原因主要有两个； 第一是以藏对阵到信号处理躲理论研究主要是在馆了许多缓设条释的 理想情况下进行的研究，所取得的研究成果都是在无谡麓的条件下褥至4 的， 对于实际系统，误差的存在不可避免，并且信号环境十分复杂。 在蠢适应波束形成时，通常假设波束形成的调练数据中并不龟含有期 望傣号，这种波束形娥奁期望僚号阵列导囱误差以及有限的采样数据长度 等方面具有很好的稳健性，并且还有一些相当好的收敛性。但是在很多情 哈尔滨工程大学博士学位论文 况下，所收集到的训练样本中总是包含商期望信号的，如通信系统、被动 声缡系统等，遮时繇搜信号的阵列导趣矢量糖确己知，也将导致波束形成 的收敛速度降低，在小样本的情况下，可能导致波束形成的性能急剧降低。 在实际系统中由于环境、阵列以及信号本身的一般假设都可能受到破坏， 如信号的实辩阵列响应j 薅假设的阵列蛹应不匹配，囊逶应波束形成技术对 这类误差极箕敏感，甚歪导致其将信号误认为是于扰而抑制摔。还有训练 数据的不平稳，这种现蒙主要是由于干扰源或者阵列的运动以及阵列系统 鹃震动等。遂释馕提首先隈铡了所能聚襻瓣训练数据的榉本数爨，其次快 速运动的干扰系统使得波柬形成的较炙基的更新速度不能穰好魄枣卜偿干扰 的运动使得性能下降。 因此，巍接把稳健性较差的阵列信号处理理论冀法用在实际蓉统中， 取得的效栗翳眈预溅的理论效果差褥多，甚至有时会使系统冤法工作。 目前，为了提高在有限次快拍和系统误差存在情况下的自适应波束形 成性能，主要有以下方法；1 、人工噪声注入法，即对角加载法。该方法通 j 建人为注入噪声来往阵列协方差矩薄熬噪声特征值扩数程度减小，从露减 小噪声特征矢量对自适应权系数的影响，加速算法收敛，同时具有波束保 形的作用。但是该方法会使自适应方向图的零点变浅，输出s i n r 下降， 虽热载量也没有理论标准，难戬控制。2 、线性约束方法。该方法避过适当 的约束条件使得自适应波束满足一定的稳健条件，如通过导数约束可使自 适应波束主瓣变平变宽，从而减小自适应波束形成对阵列误差及波束指向 误差的敏感搜。该方法豹缺点是需要瀵耗系统自由发，并且使运算量魏太。 3 、基于特征空间的自遥斑波束形成方法。经过对膏限次快拍和系统误差存 在情况下的自适应波束形成技术研究发现，自适成波束形成性能的下降主 要楚峦噪声予室闻醵挽动雩 起的，因就入们便摒弃爨遥瘟权矢量在噪声予 空间中於分爨蕊仅僳留在信号干扰子空间中的分羹，从而来提商波隶形成 的性能，这种方法被称为基于特征空间的自适应波束形成方法。该方法具 有较炔的收敛速度和对误麓肖较强的稳健性。但是这蕈巾技术的完全依赖于 低秩平稳模黧，必须知邋干扰的个数，露者这种波束形成技术其鞭予在较 6 第1 章绪论 搿信噪比的情况，在低信噪比的情况性能也变得难以使用。4 、干扰对消方 法粒正交投影方法。由予瓣璺信号的存在严重影响囊遥应波束形成静稳健 性，人们便先用其他方法去掉期望信譬，然后再用剩下的数播求褥干扰子 空问，最后把约束导向矢爨向干扰予空间的正交补空间投影来得到自适应 投系数，这就是干撬对游方法。由予囱逶应权系数与予抗孑空黼弧交，所 戳该方法有较好的干扰鄢制性能，同时商较快的收敛速度和较强的稳健性。 正交投影方法和干扰对消方法类似，只不过阵列协方差矩阵中不含期望信 号，没有去搏期望信号这步骤。5 、富波束形成方法这是近年来兴起的阵 列信号处理中的一个研究热点，该方法不需已知眸翻流形信惠，邋过剩用 信号的一些时域信息，如循环平稳特性、谱相关特性以及高阶累量等来达 到增强信号，静剡干扰的嗣的，所以被称为盲的信号处理。因为该方法不 依赖于阵捌流形，所激对误差有很强的稳健往。毽建该方法遥瘸黥信号要 有一定的时域特征，其收敛速度往往较慢，且需娶的学习样本较多。6 、在 非平稳的训练数据方面，也已经有一些用来减轻这种性能降低的改进方法。 第二楚降瓢信号处理的理论算法运算量较大，对硬锌设备邈簧求较高， 对于目前的硬件速度，鼹对实际系统究成实时运算迹有一定的豳难，上述 的实验系统也都是在经过菜些简化后来进行的。因此，阵列信号处理的稳 健冀法以及快速算法或了入l f j 敕研究黧点。 在对快速自适应波束形成算法的研究中，h u n g 和t u r n e r 提澎的正交 化算法可以认为是一个很大的突破。其实，在假设没有噪声的情况下，正 交化算法翻正交投影算法稳疑，在于挽远远强予噤声豹条 牛下，菠交耽算 法不失力一种有效的方法。利餍具有移动不变特性的子阵结构，最近j h l e e 等人提出了一种有效的快速波束形成算法。该方法首先得到各个子 辫的特： 芷空勰，然后再褥到整个阵列的特征空闯，从豫求得是逶成权系数。 入锯对稳健的波达方向估计方法瞧进行7 许多研究，倒如利用等距线 阵阵列协方蒺矩阵的t o e p l i t z 结构来提高波达方向估计的稳健性，利用信 号的时域信息来提高波达方向估计的性能。色噪声环境下的波达方向估计 落褥蓟了广泛讨论，其中协方差矩阵慧分方法最为羲名。 7 啥尔滚工程大学博士学位论文 宽带干扰和运动干扰环境下的白适应波柬形成算法、分布式目标波达 方向估计方法以及阵列继号处囊瞧正在成为新翡研究热点。 在工程应用方面，随着超大规模集成电路技术和计算机技术的发展， 为阵列傣母处理瑷论肉实用技术的转化提供了条辞。美国r c a 公司黟 翩 了用于雷达的三角s y s t o l i c 阵自适应波束形成器，在5 1 x s 内可实现自适应 权系数瀚更薪；荚国m i t 棒鸯蜜验室研到了用予r s t 相控阵嚣达的1 4 除 线性s y s t o l i c 阵囱适应波束形成系统；英国的皇家雷达研究所和s t c 技术 公司台作，共闲研制了基于波前阵的爨适应波束形藏系统；霞本末芝公司 研制了用于雷达的基于g s 正交化算法的s y s t o l i c 阵自适应波束形成器； 衙兰也研制了8 个阵元的自适应阵列；我国研制了4 元双速率s y s t o l i 阵自 适应波粜形成系统；并对时空= 维自避应处理系统和米波超分辨实验系统 进行了跟踪研制，取褥了一定的研究成果。 在民用移动通信系统中，作为降低干扰损密程度的一种有效手段，自 适应阵歹! | 天线越一个被入们广泛研究爨视的课题。自适应阵捌天线之所以 受到广泛的重视，主要在于它的智能自适应性能，所以通常也称之为 智能天线。它能自动的感知干扰源并能对其产生抑制作用，同时它还能增 强舞嚣鼷豹信号。 由予智能天线本身其有的优点，逮一技术受到了包括我国在内的世界 各国的壤襁，藏费了大量的人力期资金开展这方匿的瑷论研究工彳乍，并建 立了一魑技术实验平台。 歇溯通信蚕员会r a c efr e s e a r c hi n t oa d v a n c e dc o m m t m i e a t i o n i n e u r o p e ) 计划中实旋了第一阶段的智能天线研究，称之为t s u n a m t 。天 线由8 个阵元缀戚，簿元分蠢分裂出纛线阵、乎露阵翻圆形簿三类，阵元 间距可调。数字信号处理方式采用了接收信号直接优化权值系数处理和在 a d 焉外趣预处瑾方式的两季申不阗方式。优诧算法采用了识别信号波速方 向的m u s i c 算法和两类不同的自适应算法：l m s 算法和r l s 算法。测试 表孵平露嫠、圈环形天线阵更适台室内遵信环境，薅一般市区嚣境剥采蔫 简单直线阵更为合适。美国的a r r a yc o m m 公司与我国的信威公司合作共 8 第l 章绪论 i ：_ t l h l i m 问研制出用于冤线本地环路的w l l 智能天线系统；a r r a yc o m m 产品采用 霹交薄元配鬻，霄舀元帮= 元环形蠹适应薄铡可供不霞环麓选用。信藏 产品为八元环形阵列。a r r a y c o m m 产晶在日本基站进行试验，试验结果表 明该技术可以使系统容量提高4 倍。我国对智能天线的研究也极为重视， 爨藩，总体上处于理论硬究鞫技术鼹踩除段。信息产、监部电绩科学技术研 究院所属的信威公司己成幼的开发出用予w l l 的t d d 方式的s c d m a 产品，并计划将其改进并推广到我国自己提出的t d s c d m a 方案中，华 东电子研究所墩开发爨了八降元斡数字波束形成系统。这些黟 究工作都为 智能天线技术的工程实瑗打下了坚实的萋础。 综上所述，阵列信号处理技术经过四十年的研究和发展，取得了很大 的研究成就。但是在很多方面距工程廒用还是有一定距离，有特耢究人员 避步看嚣究。 1 2 2 空时c d m a 多用户检测抗千扰技术研究的现状分析 在最佳接收枫中，蠢于不同用户翡特征波形是燕交的，多蟪千撬不存 在。实际上，由于用户之间的不同步以及不同用户的信号存在不同时延， 导致多址干扰存在。我们需要使用能够有效抑制多址干扰的接收机，它们 绞称为多爱户猃测器。 多用户检澳i 技术最籀本的思想是接收方将多个用户的信息联合起来检 测用户发射的有用信患。 s v e r d u 予1 9 8 6 年在其薄士论文中提出了最佳多胡户硷测方法， 该方法的主震目的是寻找输入序列，使得条件概率城给定输出序列似然性 最大，即最大似然估计( m l s e ) ，具体是由k 个匹配滤波器和其后的算法 皋实理。 最佳多用户检测器理论上可以获褥最小的误码率，提供最往的检测性 能，但是这种检测器并不适合实际应用，其主要原因有以下两个： l 、这种检测器需要知道期望用户和干扰建户的扩频波形、定时和张对幅值 9 哈尔滨工程大学博士学位论文 等全部信惠，这瓣过多要求在缀多场合是不实际豹； 2 、由于这种算法的计算复杂性为0 ( 2 。) ，和用户个数成指数关系，计算量 太大，根本无法实时实现。 针对最佳检测法算法复杂的缺陷，国内外学者近几年来提出了多种次 优化检测方法，这些方法主要是在保持最优检测性能降低不大的前提下， 通过各种鬻纯韵优化算法，降低运算的复杂性，使运算爱按用户数望线性 增长而不是指数增长i l 引。 由r l u p a s 提出的去相关检测方法趋将匹配滤波器组的输出邋过一 个短阵l r 1 进行一次线性变换。宅是一秘线性豹检溅方法，其性糍虽不 及最优检测方法，但它有很多吸引人之处：再大多数情况下，它的性能优 于传统检测器：不需要预先知道接收信号静幅度；它的算法复杂度裙显低 于m l s e ；且它的误码率性熊与各个用户的功率无关( 即抗“远近效应”) 等。正因为有这样一些优越特性，去相关多用户检测才吸引了大部分研究 多瘸户检测方法静专家学者的兴趣。 但这种去相关检测方法导致了检测噪声的增大，而它的最主要的缺点 是瑟对相关矩阵r 逆的实时计算，对于异步c d m a 系统，这个闯题尤为 突爨，现今仍有一些文献讨论篱化实现去耱关捡测的途径。 最小均方误差( m m s e ) 多用户检测方法主要是为了实现线性变换， 即求交换矩阵l ，将凑实数恭( 发送信号) 与嚣鬣滤波器组输出的均方误 差最小化，由此求得最优格。 m m s e 检测器实现的是局部近似或修正的相关矩阵的逆r 1 ，它明显的 特点是：当箔遂噪声缎小，仅考虑多垃于擒时，它是一个去楣关竣测，丽 当倍道噪声很大时，它的性能接近予传统检测，它的另一个缺点是要求有 接受信号的幅度估值，即失去一部分抗“远近效应”的能力。 还毒一类曩骚的多址检测方法，就是多蛙干扰褶减对消法，这类方法 的基本思想是对其它多址干扰的值估计出来，然后再将它们从接收信号中 裙减对酒，扶焉将它僻减弱甚至消除掉，燕下的建是离用的扩频信号，这 类方法的具体实现通常是串逐或是并联的多级对消检测器组成，即有s i c 第1 章绪论 ( s u c c e s s i v ei n t e r f e r e n c ec a n c e l l a t i o n ) 或p i c ( p a r a l l e l i n t e r f e r e n c e c a n c e l l a t i o n ) 两种形式。 串连对消检测器通过采用连续几级来逐个逼近多址干扰，其中，每一 级检测器包括判决，多址干扰的重构和相见对消几个功能，使得在后一级 检测中，多址干扰得以降低【l ”。 串联对消( s i c ) 检测器的主要缺点是：如果最初前几级对要对消的 多址干扰的估计不可靠，即使是接收信号的时间，幅度和相位估计非常好， 在后面几级的检测中将使信噪比大大降低。因此，为了提高信噪比，通常 是将多址干扰按功率大小排序，从大到小依次逐个减去。 而并联对消( p i c ) 检测器同时将所有的多址干扰信号并行估计对消 掉，一般也采用多级实现，为了提高检测性能，主要有以下几种实现方法： 利用去相关检测器作为第一级；在同一级中利用已检测出来的比特信息( 通 常是功率较大的多址干扰) 来检测其它信息；对不同级的检测器判决输出 进行线性组合等。 其它多用户检测方法还有基于多项式展开的检测器，迫零判决反馈检 测器等等。但是，如果多址干扰功率很强时，前面几级的多址干扰的检测 噪声将淹没有用信号，从而大大降低检测效果。 多用户检测方法能极大地提高c d m a 系统的性能和容量，它现在还处 于研究阶段，尽管已提出上述各种多用户检测技术，但离实际应用还有一 段距离。 近年来，在采用现有的功率控制技术的同时，尝试利用多用户检测于 其它抗干扰技术相结合的抗多址干扰的方法已逐渐展开，其主要方向有两 个： 一个方向是利用信道纠错编码技术( 如卷积码，格型码，r s 码等) 与之相结合，以提高检测性能。 另一个更为有发展前途的方向是自适应天线阵或波束形成器与其相结 合【l ”，同时实现码分多址与空分多址s d m a ( s p a t i a ld i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s ) ，以抑制从空间不同方向到达的多址干扰，从而增大c d m a 系统 哈尔滨工程大学博士学位论文 的容量。 这些方面的工作还在提出方案阶段，可以说是刚开始起步，值得人们 作更深入的研究。 1 2 3 蜂窝网络中抗非视距传播干扰的定位算法研究现状及分析 1 、蜂窝网无线定位技术 目前在无线网络中对移动台定位需求主要是提供移动台的位置坐标信 息及定位精度估计