（通信与信息系统专业论文）智能天线收发信实现方案研究.pdf

电 i i j 0 南京邮电大学 硕士学位论文摘要 学科 专业 工学 通信与信息系统 研究方向 移动通信与无线技术 作者 韩英莎 指导教师 傅海阳 题目 智能天线收发信实现方案研究 英文题目 r e s e a r c ho ni m p l e m e n t a t i o ns c h e m eo fs m a r ta n t e n n a s t r a n s c e i v e r 主题词 t d s c d m a 智能天线 来波方向估计 收发信波束形 成方案 k e y w o r d s t d s c d m a s m a r ta n t e n n a s d i r e c t i o no fa r r i v a le s t i m a t i o n s c h e m eo ft r a n s c e i v e rb e a m f o r m i n g 6 2 肿 粥 删1脚y 南京邮电大学硕士研究生学位论文中文摘要 摘要 智能天线技术是第三代移动通信系统的关键技术之一 近年来受到了广泛关注 成为 国内外的研究热点 随着近年来移动用户数量的剧增和新型移动业务类型 语音 数据 图 像等 的出现 使得无线通信业务量迅速增加 移动通信系统中的同频干扰 多址干扰日趋 严重 信号传输带宽和传输速率严重不足 智能天线技术则为解决频率资源不足 提高移 动通信系统容量和系统服务质量提供了一个有效的解决途径 智能天线引入空分多址的概念 通过用户空间位置的差异对其进行分离 因此各用户 信号的d o a d i r e c t i o no fa r r i v a l 作为反映用户空间位置的重要参量在智能天线中扮演着 非常重要的角色 在研究来波方向估计传统算法的基础上 本文给出一种利用t d 标准中 置序列实现d o a 基带检测 m i d o a 的估计方法 从仿真结果和性能分析可以看出该方法 是一种针对t d 标准的 简单有效的估计方法 它的稳健度高 且可检测的d o a 数不受智 能天线阵元数的限制 许多文献都讨论过智能天线在c d m a 系统中的应用问题 但是一般都停留在一些波 束形成算法的推导上 从未涉及智能天线接收机的实现方案 下行波束方向的确定方法 也未涉及波束形成基础上的定向r a k e 接收实现问题 本文将给出智能天线定向r a k e 接收机在射频 中频和基带实现的具体方案 并通过与传统r a k e 接收机的性能比较确定 它们的性价比 最后本文将研究智能天线定向发信实现方案 并对8 阵元圆阵智能天线在 多种不同应用场景下的波束形成性能进行了详细的分析 关键词 t d s c d m a 智能天线 来波方向估计 收发信波束形成方案 南京邮电大学硕士研究生学位论文英文摘要 a b s t r a c t t h es 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 nt h en l i r d g e n e r a t i o nm o b i l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m w h i c hh a sb e e nf o c u s i n go ft h er e l a t i n gr e s e a r c ht e c h n i c i a n si nt h ew o r l d i nt h e s ey e a r s v i t ht h ef a s ti n c r e a s i n go ft h em o b i l eu s e r sa n dt h ea p p e a r a n c eo fn e wt y p e so f w i r e l e s ss e r v i c e s t h ew i r e l e s ss e r v i c e sa r ei n c r e a s i n gr a p i d l y i tr e s u l t si nt o om u c hs e r i o u s c o c h a n n e l i n t e r r u p t i o na n d t h em u l t i p l ea d d r e s si n t e r r u p t i o n t h eb a n d w i d t ho ft h e t r a n s m i s s i o no fd a t as t r e a m sa n dt h ed a t ar a t e sf o ru s e r sa r er e s t i c t e ds e r i o u s l y t h es m a r t a n t e n n at e c h n o l o g yi sa ne f f e c t i v es o l u t i o nt ot a k eg o o du s eo ft h ef r e q u e n c ys p e c t r u mr e s o u r c e s a n dt oe n h a n c et h ec a p a c i t ya n dt h es e r v i c eq u a l i t yo ft h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m t h es 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 i si n t r o d u c e d a n ds i g n a l so fu s e r sc a nb e s e p a r a t e db yt h e i rd i r e c t i o no fa r r i v a l d o a s ot h ed o ao fr e c e i v e ds i g n a lp l a y sav e r y i m p o r t a n tr o l ei ns m a r ta n t e n n as y s t e m s t h et r a d i t i o n a ld o a e s t i m a t i o na l g o r i t h m sa r es t u d i e d i n t h i sp a p e r a n dt h e no n es i m p l ea n dp r a c t i c a ld o ae s t i m a t i o na l g o r i t h m m i d o a i s i n t r o d u c e d w h i c hr e a l i z e sd o ad e t e c t i o ni nb a s e b a n dm a k i n gu s eo ft h ef e a t u r eo fm i d a m b l e s e q u e n c eo ft d b yt h es i m u l a t i o nr e s u l t sa n dp e r f o r m a n c ea n a l y s i s i ti sp r o v e dt h a tt h e a l g o r i t h mi so n es i m p l ea n de f f e c t i v ee s t i m a t i o na l g o r i t h mf o rt ds t a n d a r d t h es t a b i l i t yo ft h e a l g o r i t h mi sg o o d a n dt h en u m b e ro fd o a a b l et ob ed e t e c t e di su n r e s t r i c t e db yt h a to ft h ea r r a y e l e m e n t so fs m a r ta n t e n n a t h ea p p l i c a t i o np r o b l e m so fs m a r ta n t e n n ai nc d m a s y s t e mh a v eb e e na l r e a d yd i s c u s s e di n m a n yl i t e r a t u r e s h o w e v e r t h e yj u s tf o c u so ns o m eb e a m f o r m i n ga l g o r i t h m a n da r en e v e r i n v o l v e di ni m p l e m e n t a t i o ns c h e m eo fs m a r ta n t e n n at r a n s c e i v e ra n de s t i m a t i o nf o rd i r e c t i o no f d o w n l i n kb e a m t h es p e c i f i cs c h e m e so fd i r e c t i o n a lr a k er e c e i v e rw i t hs m a r ta n t e n n ar e a l i z e d i nr f i fa n db a s e b a n dr e s p e c t i v e l ya r eg i v e ni nt h ep a p e r t h ec o s t e f f e c t i v er a t i o n so ft h e s en e w r a k er e c e i v e r sc o u l db ed e t e r m i n e db yt h ep e r f o r m a n c ec o m p a r i n gb e t w e e nt h e s en e wr e c e i v e r sa n dt h e t r a d i t i o n a lr a k er e c e i v e r s f i n a l l y t h ei m p l e m e n t a t i o ns c h e m eo fs m a r ta n t e n n at r a n s m i t t e ra n dp e r f o r m a n c e a n a l y s i so fs m a r ta n t e n n aw i t he i g h ta r r a ye l e m e n t si nav a r i e t yo fd i f f e r e n ta p p l i c a t i o ns c e n a r i o sa r es t u d i e di n d e t a i li nt h ep a p e r k e y w o r d s t d s c d m a s m a r ta n t e n n a s d i r e c t i o no fa r r i v a le s t i m a t i o n s c h e m eo ft r a n s c e i v e rb e a m f o r m i n g i i 南京邮电大学硕 上研究生学位论文 目录 目录 第一章绪论 l 1 1 无线移动通信的特点及其发展概述 1 1 2 智能天线技术的概念及其特点 3 1 3 智能天线技术的研究现状 5 1 4 论文安排 一7 第二章智能天线技术 一8 2 1 智能天线的基本原理 8 2 2 智能天线的分类 8 2 3 智能天线的空间结构 10 2 3 1 均匀圆阵 u c a 11 2 3 2 均匀线性阵 u l a 1 3 2 4 智能天线在t d s c d m a 系统的关键作用 1 4 2 4 1 上行同步 1 4 2 4 2 联合检测 1 4 2 4 3 接力切换 15 2 4 4 动态信道分配 l5 2 4 5 功率控制 1 6 2 5 本章小结 1 6 第三章智能天线应用中的d o a 估计方法 1 7 3 1d o a 估计原理及基本假设 1 7 3 2 传统的d o a 估计方法 1 8 3 2 1 延时 相加法 1 8 3 2 2c a p o n 最小方差法 2 0 3 2 3m u s i c 算法 2 0 3 2 4e s p r i t 算法 2 2 3 2 5 最大似然算法 m l 2 3 3 3d o a 中信号相关性问题 2 3 3 3 1 空间平滑技术 2 3 3 3 2 多维m u s i c 算法 2 5 3 4 利用中置序列实现d o a 检测的方法 一2 5 3 4 1m i d o a 方法的物理实现模型及配套公式 2 5 3 4 2 算法实现过程及模拟仿真 2 7 3 4 3 算法误差控制及模拟仿真 2 9 3 5 本章小结 3 0 第四章智能天线接收机实现方案 3 1 4 1 智能天线接收机实现方案研究现状 3l 4 2c d m a 智能天线接收机射频实现方案 3 2 4 2 1 射频实现方案 3 2 4 2 2 本地相干载波恢复 3 3 4 2 3 相干解调后的信号表达式 3 4 4 3 智能天线接收机中频实现方案 3 5 i i i 南京邮电大学硕士研究生学位论文目录 4 4 智能天线接收机基带实现方案 3 7 4 5 智能天线应用方案性能模拟与分析 3 9 4 5 1 收8 削户单径信号时智能天线接收机相对单天线相干解调的信干比增益 3 9 4 5 2 收3 径信号时智能天线接收机相对相干解调的信干比增益 4 l 4 6 本章小结 4 6 第五章智能天线发信实现方案 4 7 5 1 智能天线发信实现原理 4 7 5 2 利用q p s k 基带信号加权实现的s a 定向发送模型 一4 8 5 3 不同场景下的应用性能 一5 0 5 3 1 单码道单方向发送的波束图 一5 0 5 3 2 双码道同方向发送的波束图 5 0 5 3 32 码道2 方向定向发送的波束图 5 2 5 3 43 码道3 方向定向发送的波束图 5 3 5 3 5 更多码道更多方向定向发送的波束图 5 4 5 4 智能天线无定向发送时的波束图和功率增益 5 6 5 5 不经定向调整时圆阵的发信情况分析 5 8 5 6 本章小结 6 0 第六章结束语 6 1 j 1 5 谓 6 参考文献 6 3 i v 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 无线移动通信的特点及其发展概述 早在1 8 9 7 年 马可尼在陆地和一只拖船之间 用无线电进行了消息的传输 这是移 动通信的开端 至今 无线移动通信已经有了1 0 0 多年的历史 无线移动通信系统具有以 下五个特点 1 移动通信必须利用无线电波进行信息传输 2 移动通信是在复杂的干扰环境中运行的 3 移动通信可以利用的频谱资源非常有限 而移动通信业务量的需求与日俱增 4 移动通信的网络结构多种多样 网络管理和控制必须有效 5 移动通信设备 主要是移动台 必须适于在移动环境中使用 具有这些特点的通信系统被称为通信系统 移动通信系统从第l 代模拟系统发展到了第2 代数字系统 第2 代数字蜂窝系统已经 成熟 在多址方式上主要采用时分多址 t d m a 和码分多址 c d m a 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 可以说近2 0 年来 无线移 动通信的发展极其迅速 已经广泛应用于国民经济的各个部门和人民生活的各个领域中 3 g 是工作在2 g h z 频段 最高速率可达2 m b p s 的宽带移动通信系统 初期设想的主 导业务是移动多媒体业务 如移动视频电话等 其主要目 标即实现通信网络全球化 业务 综合化和通信个人化 具体包括 1 1 全球漫游 用户能够以低成本的多模式终端在整个系统和全球漫游 2 适用于多种环境 i m t 2 0 0 0 应该适用于多层小区结构 如微小区 微微小区 宏小 区等 3 提供多种业务 如高质量语音 可变速率的数据 高分辨图像和多媒体业务等 4 具有较高的频谱利用率和较大的系统容量 5 在全球范围内 系统设计必须保持高度一致 业务兼容性好 6 具有较好的经济性能 即网络投资费用 包括网络建设费 系统设备费和用户终 端费尽可能的低 并且终端设备应体积小 耗电省 满足通信个人化的要求 为满足上述目标 对i m t 2 0 0 0 的无线传输技术提出了以下要求 1 为支持高速数据和多媒体业务 在车载 步行和静止3 种不同环境下为多个用户 提供最高速率为1 4 4 k b p s 3 8 4k b p s 和2 0 4 8k b p s 的无线接入数据速率 塑塞塑皇奎堂堡主型壅竺兰垡堡奎 蔓二垩堑笙 2 传输速率能够按需分配 3 上下行链路适应于传输不对称业务的需要 在3 g p p 和3 g p p 2 组织的共同努力下 w c d m a c d m a 2 0 0 0 和t d s c d m a 已成为 i m t 2 0 0 0 的3 个无线接口技术标准 三个主流标准均采用c d m a 技术 其基本参数如表 1 1 所示 表1 13 g 标准基本参数 参数 f d d w c d m at d s c d m ac d m a 2 0 0 0 双工方式 f d dt d df d d 码片速率 3 8 41 2 81 2 2 8 8 m c p s 扩频系数下行5 1 2 4 1 6 1 约4 3 2 q p s k 8 p s k 上行 b p s k 射频调制q p s k h s d p a 下行用1 6 q a m下行 b p s k q p s k 射频带宽 m h z 51 61 2 3 工作频段 m h z 2 0 0 02 0 0 09 0 0 2 0 0 0 语音通信的扩容和视频电话业务是3 g 系统早期发展的主要原因 经过几年的艰苦商 用 3 g 运营商发现采用2 g 技术语音扩容并不困难 而电话视频业务也没有获得良好的发 展 近几年 随着移动互联网业务的发展 3 g 技术才找到了较好的业务应用 但是现行的 3 g 标准初期的一些设计缺陷仍限制着其自身的发展 全球的运营商已经将l t e 技术作为 下一代的首选技术 3 g 标准中的技术缺陷可以概括如下 三个主要标准均采用c d m a 技术 而中国移动研究院院长黄晓庆也于2 0 0 8 年底指出 我们谈到移动互联网如何成为下一代移动通讯的技术的时候 你就会发现原来c d m a 是没有办法有效的完成历史使命的 我们不能依靠c d m a 2 1 c d m a 方式的主要技术缺陷是上下行容量基本相等 而根据因特网业务的需求 下行 容量应远大于上行容量 上行的宽带设置只会造成频谱资源的浪费 而且当增加发信功率 时 c d m a 系统产生的白干扰会加大 导致频道容量基本不变 无法利用发信功率换取频 谱利用率 所以c d m a 方式在小区内的频谱利用率很低 这也是导致在对高速数据的传 输的方案中 停止执行c d m a 2 0 0 03 x 标准 抛弃以c d m a 为主而转向以t d m a 为基本方 式的e v d o e v o l u t i o n d a t ao n l y 的主要原因 e v d o 方式需要一个独立的下行频道 与c d m a 2 0 0 03 x 相比其突出的改变是在下行链路中采用t d m a 方式来区分多个用户 利 2 南京邮电大学硕二i 二研究生学位论文第一章绪论 用插入的前置盱区分不同的用户信道 并利用州6 在各用户占用时隙中构成用户码分子 信道 各用户的扩频系数 s f 由基站b s 据信号传播衰落情况决定 s f 8 0 2 在l xe v d o 之后提出的l xe v d v 标准 其与l xe v d o 的主要不同是用一个载波同时传输语音 低 速和高速信号 在传输语音与低速信号时使用与c d m a 2 0 0 0l x 相同的无线配置 并将剩余 的w a l s h 码资源组成两个t d m a 信道用于高速信号的传输 相应的速率可分为8 1 6 1 5 8 4 3 0 9 1 2 k b p s 共1 8 档 选用1 5t u r b o 纠错编码 可选用q p s k 8 p s k 1 6 q a m 调 制方式 然而现在可以证明在多个c d m a 信道中不可能实现高速数据传输 因此l xe v d v 标准也已被废止 3 1 w c d m a 分为时分双工 t d d 和频分双工 f d d 两类 而一直以来 t d d w c d m a 系统是国际公认的步行移动通信系统 且之前在国际上没有应用的实例 t d s c d m a 系 统 其许多内容与t d d w c d m a 雷同 不同点是t d s c d m a 标准引入了作为核心技术 的智能天线 然而智能天线在c d m a 系统中的作用仍存在较多异议 因此对t d s c d m a 系统的认识还有待继续深入 有必要做更多的研究 应该认识到3 g 标准有许多不合理的 地方 还有必要加以研究 才能在新的技术标准中加以改进 使其充分适应于当前移动互 联网的要求 1 2 智能天线技术的概念及其特点 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 日俱增 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 在多址方式上主要采用时分多址 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 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 代移动通信系统也已提上日程 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 智能天线是一种安装在基站现场的双向天线 通过一组带有可编程电子相位关系的固 定天线单元获取方向性 并可以同时获取基站和移动台之间各个链路的方向特性 智能天 线技术有两个主要分支 波束转换技术和自适应空间数字处理技术 或简称波束转换天线 和自适应天线阵 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 3 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 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 充分利用信号的有效的发送功率以减小电磁干扰 智能天线技术近年来 随着现代数字信号处理技术的迅速发展 利用数字技术在基带 形成天线波束成为可能 从而大大提高了天线系统的可靠性与灵活性 在不增加系统复杂 度的情况下 使用智能天线既可满足用户要求的服务质量 又可实现网络扩容的需要 实 际上 它使通信资源不再局限于时间域 频率域和码域 而拓展到了空间域 智能天线的 优点可以归纳如下 5 1 1 增加基站覆盖范围 采用自适应阵列天线的基站由于改进了系统c i 和s i n r 指标 同时对单个或某组用 户的覆盖定向增强 可以大大提高蜂窝小区的覆盖面积 并使基站之间的距离可以更远 在一定的覆盖范围内 采用智能天线的以后 基站的数量将会减少很多 从而可以大大减 少电信运营商的投资成本和运营成本 而对设备制造商来说 其产品的竞争力也会大大增 强 2 抗干扰和衰落 改善链路质量 增加可靠性 智能天线波束具有方向性 可区别不同入射角的无线电波 可调整控制天线阵单元的 激励权值 其调整方式与具有时域滤波特性的自适应均衡器类似 可以自适应电波传播环 境的变化 优化天线阵列方向图 将其零点自动对准干扰方向 大大提高阵列的输出信噪 比 从而可改善链路的通信质量 提高系统的可靠性 同时 高频无线通信的主要问题是 信号的衰落 普通全向天线或定向天线都会因衰落使信号失真较大 而采用智能天线控制 接收方向 自适应地构成波束的方向性 可以使得延迟波方向的增益最小 降低信号衰落 的影响 3 增加频谱效率 通过精确地控制定向发射功率就会降低干扰 从而增加使用同样资源的用户数目 大 大增加系统容量 通过波束成形技术可以产生一种新的多址接入方式一空分多址 s d m a s d m a 可以实现资源的重用 增加数据速率 从而增加频谱效率 该增益也被称为空间复 用增益 通过利用多个独立的空间维数来同时传送数据 在m i m o 系统中 这种独立的空 间维数被称为m i m o 信道特征模式 在不相关瑞利衰落m i m o 信道中 其信道容量与收 发天线数目成正比 4 实现移动台定位 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一苹绪论 采用智能天线的基站可以获得接收信号的空间特征矩阵 由此获得信号的功率估值和 到达方向 通过此方法 用两个基站就可将用户终端定位到一个较小区域 由于目前蜂窝 移动通信系统只能确定移动台所处的小区 因此移动台定位的实现可以使许多与位置有关 的新业务得以方便地推出 而发展新业务是目前移动运营商提升a r p u 值 加强自身竞争 力的必然手段 正是智能天线技术的这些特点 为移动通信的发展中出现的问题的解决带来了新的思 路和新的希望 所带来的优势是目前任何技术都难以替代的 目前 国际上已经将智能天 线技术作为超3 g 4 g 移动通信技术发展的主要方向之 1 3 智能天线技术的研究现状 最早的智能天线是出现在2 0 世纪5 0 年代的旁瓣对消天线 这种天线包含一个用于接 收有用信号的高增益天线和一个或几个用于抑制旁瓣的低增益 宽波束天线 将几个这样 的环路组合成阵列天线 就构成自适应天线 1 9 6 5 年 由h o w e l l s 提出的可自适应陷波的 旁瓣抵消器 标志着智能天线技术的理论研究取得重要进展 1 9 6 7 年w i d o w 提出最小均 方 l m s 算法 1 9 6 9 年 c a p o n 提出最小方差无畸变响应 m v d r 波束形成器 其后 f r o s t 及g r i f f i t h 和j i m 进一步发展了c a p o n 的思想 1 9 7 6 年 a p p l e b a u m 发展了使信干比最大 化的反馈控制算法 提出了一种基于最大信噪比的自适应控制算法 d o a 估计算法作为智 能天线技术的一个重要组成部分 于2 0 世纪7 0 年代末期取得了重要突破 1 9 7 9 年s c h m i d t 提出的m u s i c 算法以及1 9 8 6 年p a u l r a j 等提出的e s p r i t 算法成为现今d o a 估计的主要算 法 这两类算法都能够获得高分辨率 c o m p t o n 将智能天线技术应用于军用系统 标志着 智能天线技术实用化的开始 1 9 9 0 年以来 现代数字信号处理技术发展迅速 d s p 芯片处 理能力的不断提高和芯片价格的不断下降 使得利用数字信号处理技术在基带形成天线波 束成为可能 促使智能天线技术开始在无线通信中广泛的应用 针对蜂窝移动通信体制及 其信道 很多学者对智能天线的性能 算法和实现进行了大量研究工作 其中包括s w a l e s 等和l i b e r t i 等对采用智能天线后蜂窝通信系统性能改善的研究 e r t e l 等综述了阵列天线系 统信道模型的研究 a g e e 提出最小乘恒模算法 r o n g 等提出适用于c d m a 系统的多目标 解扩重扩最小二乘恒模算法 t a n a k a 等研究了智能天线和r a k e 结合的处理方法 1 9 9 8 年左右 a t tb e l l 实验室学者将m i m o 技术应用于无线通信系统 是无线通信领域智 能天线技术的重大突破 w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 都曾希望能在系统中使用智能天线技术 但由于其算法复杂 5 南京邮电大学硕上研究生学位论文 第一章绪论 度高 因此并没有在实际采用智能天线 1 9 9 8 年中国电信研究院代表我国电信主管部门向 国际电信联盟提交现在成为国际第三代移动通信标准之一的t d s c d m a 技术 第一次提 出以智能天线为核心技术c d m a 通信系统 在国内的一些大学和研究机构 如清华大学 电信研究院等相继开展了智能天线的理论研究 在波束形成算法上也提出很多观点 如利 用空间协方差矩阵转换来实现下行波束形成算法 利用最小二乘法求频率转换矩阵 进行 上 下频率转换 从而完成波束形成等等 2 0 0 7 年3 月 北京 上海 广州 天津 青岛 秦皇岛等1 0 城市着手建立t d s c d m a 一期试验网 2 0 0 8 年3 月 1 0 城市试验网先后通过验收 4 月1 日 t d s c d m a 正式展 开试商用 在商用过程中 智能天线也暴露出一些问题 针对问题 科研界为此提出了天 线的小型化 集成化等很多种技术 如双极化天线技术 介质天线技术 多天线 m i m o 技术 有源天线技术 新型的电磁材料天线技术 等离子天线技术等 近年对智能天线的研究主要包括如下几个方面 智能天线的接收准则及自适应算法 宽带信号波束的高速波束成形处理 用于移动台的智能天线技术 智能天线实现中的硬件 技术 智能天线的测试平台等 同时到目前为止 无线系统中的智能天线都被作为增强技 术 在它们的设计阶段都没有考虑复杂度和性能折衷的优化 而在下一代无线系统中 智 能天线技术将是系统设计固有的部分 未来对于智能天线的研究将主要集中于下列几个方 面 1 高级智能天线处理算法的设计和开发 该算法对变化的传播特性和网络条件具有 适应性和健壮性 2 系统性能的优化策略和不同无线系统 平台之间的透明操作 3 根据信道和干扰模型对提出的算法和策略进行实际性能的评估 研究合适的性能 度量和仿真方法 因为智能天线在t d m a f d m a 的条件下应用较为成熟 但在c d m a 多用户条件下 却存在着较多实际问题需要进行探讨 即使在欧美的研究者中 智能天线在移动通信系统 中的应用也存在着较大的争议 进一步进行智能天线在t d s c d m a 系统中的应用研究是 推动中国自有知识产权的t d s c d m a 系统进一步发展的关键之一 总之 智能天线对当前移动通信系统的完善起到重大的推动作用 目前仍处于积极研 究阶段 在移动通信领域的应用必须经过实践的检验 虽然智能天线在理论上进行了长期 的研究 但要实现真正的智能的天线 还有待于许多问题的解决 6 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 1 4 论文安排 本论文的主要内容安排如下 第一章为绪论 介绍了无线移动通信的特点及发展概况 并针对智能天线的基本概念 以及其研究现状和发展方向进行了相应综述 第二章主要介绍了t d s c d m a 系统中的智能天线的基本原理 分类 线阵和圆阵 智能天线的优点 并着重指出上行同步 联合检测 接力切换 动态信道分配 功率控制 等技术的实现都必须依靠智能天线 智能天线在t d s c d m a 系统中处于关键的地位 第三章详细介绍了智能天线中来波方向估计 d o a 的基本原理 基本假设 典型的 几个传统d o a 估计算法 并提出了一种新的d o a 估计方法 利用中置序列实现d o a 检 测的方法 第四章主要给出了智能天线收信方案的基本原理 分别给出了射频 中频和基带的实 现框图和配套公式 讨论在有m p i 和m a i 时它们的性能 并通过与传统r a k e 接收机的 性能比较以确定它们的性价比 最后给出实现方案的性能模拟仿真曲线 第五章主要给出了智能天线发信方案的基本原理 主要介绍了利用q p s k 基带信号加 权实现的智能天线定向发送模型 并对不同场景下的应用性能进行了相应的模拟仿真 第六章是本文的结论部分 总结了论文的全部工作 7 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章智能天线技术 第二章智能天线技术 2 1 智能天线的基本原理 智能天线是一种阵列天线 它通过调节各个阵元信号的加权幅度和相位来改变阵列的 方向图形状 即以自适应或者预制方式控制波束的幅度 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 智能天线主要由天线阵 方向图形成网络和自适应处理器三部分组成 天线阵包括多 个天线阵元 其排列形式有均匀直线阵列 u l a 均匀圆形阵列 u c a 平面阵等 每 个阵元都是全向天线 不单独进行发射或接收 而是与其它天线组合成天线阵列共同使用 智能天线之所以能够识别和利用空间方位信息 是因为在阵列天线中 各个天线阵元 位于不同的空间位置上 在接收上行信号时 信号到达各个天线的时间不同 在已知天线 阵元空间分布的前提下 可根据各个天线阵元接收到的信号间的时差推测d o a 这样可以 在接收信号中提取占用同一频带 同一时间的各个用户信号 实现 空域滤波 在下行发射时 由波束方向 以上行d o a 作为下行波束方向 可推算出信号从各个 天线阵元到达用户的波程差 以及波程差造成的信号时差 通过控制各个天线阵元上激励 信号的时延 可以抵消波程差造成的时差 使得在d o a 方向上各路信号同向叠加 智能天线的波束跟踪并不一定要将高增益的窄波束指向期望用户的物理方向 因为在 随机多径信道中 由于障碍物等的影响 用户的物理方向并不一定是理想的波束方向 所 以波束跟踪是在最佳路径方向形成波束并跟踪最佳路径的变化 2 2 智能天线的分类 根据工作方式不同 智能天线主要分为两大类 波束切换智能天线系统和自适应智能 天线系统 7 1 1 波束切换智能天线系统 波束切换智能天线系统利用波束形成网络形成有限个数的 固定的 预定义的多个波 束图覆盖整个用户区 每个波束的指向是固定的 波束宽度也随天线元数目而确定 系统 从几个预定义的 固定波束中选择使输出功率最大的波束 当移动台从一个扇区移动到另 一个扇区时 系统从一个波束切换到另一个波束 此类天线可以在特定的方向上提高灵敏 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章智能天线技术 度 从而可以提高通信容量和质量 采用1 2 0 扇区系统可以认为是三波束的波束切换系 统 波束切换虽然具有结构简单 响应速度快等优点 但是不能实现自适应干扰置零 干 扰抑制差 当用户偏离主瓣方向时 接收效果变差 波束切换系统结构如图2 1 4 用户l 接收机 固定 波束 切换 叫 用户2 接收机 形成 系统 网络 i i 一 田白h f 生i 附加 司 j 1 文吧k 仍l n 个阵列 n 个波束 y l y 2 y n n 个处理输出 图2 1 波束切换系统框图 2 自适应智能天线系统 自适应智能天线系统是由一个天线阵和波束形成器组成的一个闭环反馈控制系统 如 图2 2 所示 各阵元接收到的射频模拟信号经下变频到基带 再经a d 变换后再经数字域 的处理 各通道的复加权矢量w 由自适应算法决定 加权系数的自动调整 就是波束的形 成过程 理论上自适应天线阵的价值是能产生比单天线m 倍的天线放大 带来l o l g m 的 基站接收信噪比增益 自适应天线阵列在载干比和系统容量的改善方面都比波束切换天线 强 自适应波束形成的主要缺点在于实现难度及系统造价较切换波束系统大 以及和现有 基站结合较切换波束系统困难 图2 2 自适应天线阵工作原理 9 l l l 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章智能天线技术 2 3 智能天线的空间结构 智能天线是由多个独立阵元在空间按照某种几何形状排列而成 天线的发射和接收则 是全部阵元发射和接收信号的线性组合 天线阵列的空间结构决定了导向矢量 s t e e r i n g v e c t o r 的表达形式 同时也影响着智能天线的复杂度及适用环境 一般说来 拓扑结构越 复杂 智能天线的实现也就越难 但其适用范围往往更加广泛 天线阵列的空间结构通常 可分为3 类 一维结构 如 等距线阵 u l a 二维结构 如 均匀圆阵 u c a l 型阵列 平 面阵 三扇区阵列 四扇区阵列等 三维结构 如 三角锥型阵列 圆柱型阵列 三角柱形 阵列 立方体阵列等 此外 还有分层阵列等结构 一个随机排列的天线阵列如图2 3 所 示 z 图2 3 随机阵列图 设在空间有n 个阵元 在空间坐标系中第n 个阵元的位置坐标为 虼 乙 信号 s t e j c t 从 臼 缈 方向入射 其中0 为信号的空间仰角 缈为信号的水平方位角 0 9 为信 号载波角频率 阵元l 作为基准 位于原点 则在阵列天线的第n 个阵元上的接收信号可 表示为 y 门 f g n 秒 妒 s f p 甜p 一 九 2 1 式中 g 门 秒 伊 为第n 个阵元的阵元方向性函数 丸为第n 个阵元上接收信号和原 点处阵元上接收信号之间的相对相位差 对n 元的天线阵列 可用矢量形式表示阵列输出 r t l y e t 致 m y n t 7 s f 暗 只咖 西 9 2 0 c p e y a 畦 g v o f p e j 酗 7 s t e j 6 t a t o 缈 2 2 1 0 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章智能天线技术 其中a e 9 g l 目 眇 p l m 9 2 乡 缈 矿弘如 g j v 秒 9 p 一弘如 7 称为阵列响应矢 量 也称导引矢量 秒 汐 为接收信号的来波方向 一般情况下 阵列天线中各阵元是各向同性的 且对各阵元增益作归一化处理 g 月 秒 缈 l 以 1 2 n 则阵列相应矢量为 a o 9 p 一渤 e j 从 e 一 如r 2 3 当m 个不相关的信号s l f s 2 f s m f 此处射频信号用等效基带信号表示 同时从 q 仍 0 2 仍 钆 方向入射时 则阵列输出矢量为 f 口 c m s 小 f 2 4 采用阵列相应矩阵和基带信号矢量表示 在存在加性白噪声的情况下 可以得到阵列 天线的信号模型为 0 a o 伊 s 0 o 2 5 式中 彳 秒 伊 口 q 鲲 口 岛 仍 口 鳓 s f i s l 0 j 2 0 r 对n 元阵元的智能天线 对每个阵元进行幅度和相位加权 复权系数为 力 1 阵列权值用权矢量表示为 w w l w e r 因此 幅度和相位加权后 阵列输出的信号模型为 x f w 7 j f n f f 2 3 1 均匀圆阵 b o a 2 6 均匀圆阵的结构图如图2 4 所示 n 个阵元均匀分布在半径为r 的圆周上 秒为信源 俯仰角 原点到信源的连线与z 轴的夹角 矽为方位角 原点到信源的连线在x y 平面上 的投影与x 轴的夹角 第n 个阵元与x 轴的角度九 2 7 r n n n o 1 n 1 设第n 个阵元的激励电流为厶 a n e a n 远场可写为 2 7 兰兄 n p 一万4 一 a 4 m 脚 o 妒 秒r e 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章智能天线技术 其中 为信源到原点的距离 兄为信源到第n 个阵元的距离 七 2 为相位传播因子 允 是信号波长 设信源到原点与第n 阵元到原点的夹角l 儿 则有 r 2 尺2 2 r r c o s 少 2 对于 殄r 万1 吾 兄 r 一尺c o s r r r 厂 r r s i n o c o s 矽一九 式中 r r x c o s 么 多s i n 吮 全s i n 秒c o s 矽 y s i n o s i n z c o s 0 么 y s i n 吮 x s i n 秒c o s 矽 s i n 秒c o s 矽c o s 统 s i n 秒s i n 矽s i n 九 s i n o c o s o 一织 因而 式 2 8 可以简化为 砸 刚 4 刀等磊n i 4 f s 硼c q s 咿 阵因子为 1 v 1 厶 秒 矽 1a n e j k r s i n o e o s 如1 n o 2 8 2 9 2 l o 2 1 1 为使主瓣最大值指向 九 o o 第1 1 个单元的激励电流的相位选为 a 刀 一k rs i n o oc o s j 0 一九 2 1 2 所以可以得出均匀圆阵的导引矢量为 口 秒 矽 p 百2 x 尺s i n 口c s 一 e 等r s i n 口c s 一即 g 百2 7 r r s i n 口c s 一九一 2 1 3 1 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章智能天线技术 2 3 2 均匀线性阵 u l a 图2 4 均匀圆阵的几何结构 均匀线性阵的几何结构如图2 5 所示 各阵元等距离排列成直线 阵元间距为d 考 察一个从秒方向入射到阵列上的窄带信号 采用同上的计算方法可以得到均匀直线阵的阵 列响应矢量为 a 秒 阶 j z x d s i n 8 二一 鲁d l 瑚 7 2 1 4 y j 二丫 0 0 一 7x 图2 5 均匀线性阵的几何结构 其中兄为载波的波长 从上述计算结果可以看出 阵y un i j 应矢量的值取决于入射波的 来波方向 秒 以及阵元的位置和几何形状 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章智能天线技术 2 4 智能天线在t d s c d m a 系统的关键作用 t d s c d m a 系统是我国提出的一种t d d d m a 标准 和其它第三代移动通信系统相 比 有其独特点 t d s c d m a 系统的主要技术特点为 t d d 时分双工 模式 低码片 速率 上行同步 采用智能天线并实现接力切换 软件无线电等 3 正是由于这些技术才 能使它成为第三代移动通信的主流标准 而智能天线在所有关键技术之中扮演着至关重要 的角色 如上行同步 联合检测 接力切换 动态信道分配 功率控制等技术的实现都必 须依靠智能天线 如果智能天线性能不佳 则将影响整个系统的性能 2 4 1 上行同步 上行同步是指上行链路各终端的信号在基站解调器完全同步 它通过软件和帧结构设 计来实现严格的上行同步 在上行完全同步下 可以让使用正交扩频码的各个码道在解扩 时完全正交 相互之间不会产生多址干扰 在t d s c d m a 系统中 同步是基于帧结构来 实现的 并使用一套开环和闭环控制的技术来保持 这样 t d s c d m a 系统几乎没有花代 价 就实现了同步c d m a 当然 由于移动通信所处的具有多径的电波传播环境 使真正 的同步c d m a 无法