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北京邮电人学博卜学位论文 摘要 智能天线波束赋形算法研究 摘要 智能天线技术是未来无线移动通信技术发展的主要方向之一。如何 消除同信道干扰( c c i ) 、多址干扰( m m ) 、以及多径衰落的影响成为人们 在提高无线移动通信系统性能时考虑的主要因素。智能天线利用数字信 号处理技术，采用先进的自适应阵列处理技术，产生空间定向波束，使 波束主瓣对准用户信号到达方向，旁瓣或零陷对准干扰信号方向，删除 或抑制干扰信号，从而提高期望信号的接收信噪比，提高系统容量。智 能天线是解决频率资源匮乏的有效途径。近年来，智能天线技术成为移 动通信领域中的研究热点之一。 论文在分析前人对智能天线技术、特别是智能天线波束赋形算法研 究的基础上，深入研究了智能天线波束赋形算法的两个方面：一是针对 智能天线的非理想情况，即存在阵元几何误差、角度估计误差、传播介 质的不致性等，研究采用鲁棒性波束赋形算法以提高波束赋形性能； 二是针对复杂的电磁环境，即存在强干扰的情况下，研究采用智能天线 零陷技术消除强干扰的算法。在此基础上，论文提出了一种综合智能天 线零陷技术和动态信道分配技术的方案来消除由于基站间时隙分配不同 造成的各种干扰。 首先，针对智能天线应用中的非理想情况，论文提出了一种基于多 波束的鲁棒性波束赋形算法。算法先利用阵列导向矢量扰动的先验信息 和接收阵列数据的后验信息，构造厂一个新型的代价函数；再通过最速 下降法，获得鲁棒性波束赋形权值。论文通过理论推导证明了该算法的 收敛性，又经过仿真验证了算法的良好性能。 然后，论文深入研究了各种传统零陷算法，提出厂以下零陷算法： 1 传统幅值扰动算法不能够形成深度零陷，且形成零陷个数较少； 沦文提出了一种在阵元关于阵列中心对称的线阵中进行幅值扰 动形成零陷的算法，仿真证明，该算法性能远好于传统的幅值扰 动算法。在此基础f ：，将各阵元对零陷的贡献大小进行分析，发 北京邮电大学博士学位论文 现幅值扰动算法中对零陷贡献大的阵元只有有限几个，基于这一 特点，论文进一步提出了利用幅值选择性扰动形成零陷的算法。 2 论文提出综合使用传统位置扰动和相位扰动、并通过线性化方法 形成零陷的算法。仿真表明，该算法能够形成较好的零陷性能。 其性能优于传统位置扰动或者相位扰动线性化方法形成零陷的 性能，甚至可以同非线性方法相比。 3 对于传统的位置扰动、相位扰动形成零陷的算法，即使采用非线 性化的方法，虽然零陷深度相对传统线性化方法有所增加，但都 不能够形成较多零陷，即零陷个数要远小于阵元数。对此，论文 提出一个干扰抑制比概念，然后基于此概念，分别构造了针对位 置扰动和相位扰动形成零陷的代价函数，通过极值优化方法，获 得阵元位置、相位扰动的解。仿真表明，基于干扰抑制比的位置 扰动或相位扰动形成零陷的算法，突破了传统方法要求零陷个数 远小于阵元数的限制，且能够获得深度零陷。 最后，论文针对时分双工c d m a ( t d d c d m a ) 系统时隙分配不同 时造成的基站间干扰和小区边缘小区间干扰，提出了综合使用智能天线 零陷技术和动态信道分配技术来进行干扰消除的方案。仿真表明，论文 提出的方案能够大大消除这些干扰，从而基站可根据小区业务负载进行 时隙分配，进一步提高了基站时隙分配的灵活性，提升了系统容量。 论文最后对本论文研究的主要工作进行了总结，并对智能天线技术 未来可能的研究方向提出了展望，以进一步指导以后的研究工作。 关键词：智能天线、波束赋形、鲁棒性、零陷、动态信道分配、多址干 扰、同信道干扰、时分双工 北京邮电人学博卜学位论文 a b s i r a c i i n v e s t i g a t i o n0 fs m a i u la n t e n n a s b e a m f o r m i n ga l g o r i t h m s a b s t r a c t s m a r ta n t e n n a st e c h n i q u ei sap r i m a r yd e v e l o p m e n td i r e c t i o no ff u t l l r e w i f e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s h o wt oc a n c e lc o c h a n n e li n t e i f e r e n c e ， i 玎【u l t i a c c e s si n t e r f e r e n c e ，a n dc o m b a tt h em u l t i p a t h sf a d i n ge a e c t s ，a r e m a j o rf a c t o r sn e e d e dt ob ec o n s j d e r e d ，w h e np e o p l ea t t e m p tt oe n h a n c et h e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m s m a r ta n t e n n a ss y s t e m ，w h i c hi n t r o d u c e sa d v a n c e d a d a p t i v ea r r a yp r o c e s s i n g ，p r o d u c e ss p a c eb e a m sw h o s em a i nb e a md i r e c i sa t t h ed i l e c t i o no fd e s i l e du s e r ，n u i ls t e e r i n gb e a m sd i r e c t i n ga tc h ed i r e c t i o no f i n t e r f e r e n c e ，t h u ss u p p r e s s i n go rc a n c e l i n gt h ei n t e r f e f i n gs i g n a l s ，t h e r e f o r c ，i t c a ni m p r o v et h es i g n a l t o i n t e r f e t e n c er a t i oa n ds y s t e mc a p a c i t y r e c e n t l y ，t h e s m a r ta n t e n n a s c e c h n i q u e i so n eo f h eh o tr e s e a f c h t o p i c s i nm o b j 】e c o m m u n i c a t i o na r e aa sas o l u t i o nt ot h ef r e q u e n c yl a c k b a s e do nt h eo t h e rp e r s o n s r e s e a r c ho ns m a r ta n t e n n a s a l g o r i t h m s ， e s p e c i a ”yo nb e a m f o m l i n gt e c b n i q u e s ，n v oa s p e c l so f h es m a r ta n l e n n a s b e a m f o r m i n ga l g o r i t h m sa r et h o r o u g h l yi n v e s t i g a t e di nt h i sp 印e r f i r s t b t o c o m b a tt h ea r r a yn o n i d e a lg e o m e t r ye r r o r ，d o ae s t i m a t i o ne r r o r ，n o te x a c i c a l i b r a t i o no fa n t e n n a s ，m u l t i - b e a m sb a s e dr o b u s tb e a m f o m l i n ga l g o r i t h m s a r es t u d i e dt oi m p r o v et h eb e a m f o r m i n gp e r f o r m a n c e s e c o n d l y ，a i m i n ga tt h e c o m p l e xe l e c t r o m a g n e t i ce n v i r o n m e n t sw h e ne x i s t i n gs t r o n gi n t e r f e r e 】1 c e ， n u l ls t e e r i n ga l g o r i t h m sa r ee x p l o i t e dt oc a n c e lt h es t r o n gi n t e r f e r e n c e b a s e d o nt h i s ，ap r 叩o s a js y n c h e s i z i n gn u l ls t e e r i n gt e c h n i q u ea n dd y n a m i cc h a n n e l a o c a f i o ni s p r e s e n t e d t oc a n c e li n t e r f e r e n c er e s u l t e df r o mi n c o n s i s c e n t t i m e s 】o ta u o c a t i o nb e t w e e nb a s es t a t i o n s 北京邮电大学博 二学位论文 f i r s t l y ，t oc o m b a t t h es m a r ta n t e n n a sn o n 。l d e a lc o n d l t l o n s ，am u l t i l b e a m s b a s e dr o b u s tb e a m f o r m i n ga l g o f i t h mi sp r o p o s e d w 色i n t r o d u c ean o v e lc o s t f u n c t i o ni n c l u d i n gt h ep r i o r ii n f o r m a t i o no fm es t e e r i n gv e c c o r sp e r t u r b a t i o n s a n dt h ej n f o 彻a t i o no ft h er e c e i v e dd a t a t h ew e i g h t sa r eo b t a i n e db yt h e s t e e p e s t d e s c e n tm e t h o d ，t h e c o n v e r g e n c ep r o p e r t y i s t h e o r e t i c a 儿y d e m o n s t r a t e d ，i t sg o o dp e r f o r m a n c ei sa l s ot e s t i 壬i e db ys i i n u l a t i o nt e s u l t s f u r t h e r m o r e ， c o n v e n t i o n a in u l l s t e e r i n gt e c h n i q u e s a r e d e e p l y i n v e s t i g a t e d ，a c c o r d i n 9 1 y ；s e v e r a la l g o r i f h m sa r ep r o p o s e d 1 c o n v e n t i o n a l 釉p l i t u d ep e n u r b a t i o ni si n c a p a b l eo ff o r m i l l gd e e p n u l l s ，a n dt h en u m b e ro fn u l l si sf e w ias i m p l em c t h o db ya m p l i t u d e p e r t u r b a t i o n i s p r o p o s e di ns y m m e t r i c a la i r a y a b o u ti t sc e n t e r s i m u l a c i o nr e s u l t ss h o wi t sp e r f o r m a n c ei sb e t t e rt h a nc o n v e n t i o n a l m e t h o d s b a s e do n a m p l i t u d ep e n u r b a t i o n ， t h ec o n c r i b u t i o no f d i f 托r e n te l e m e n t st on u us t e e r i n gi sa n a l y z e d ，t h ee l e m e n t sh a v i n g s i g n i f i c a n tc o n t r i b u t i o nt o n u l l si sf e w b a s e do nt h eo b s e “a t i o n ， a m p l i m d ep e r t u r b a t i o no fs e l e c t e de l e m e n t si sp r o p o s e d 2 d u et ot h ei n c a p a b l i l i t yo ff o f m i n gd e e pn u l l sb yt h el i n e a r i z a t i o n m e t h o do fc o n v e n t i o n a le l e m e n tp e r t u r b a t i o na n dp h a s ep e n u r b a t i o n ， as y n t h e s i z e dm e t h o dc o m b i n i n gc o n v e n t i o n a le l e m e n tp e r t u r b a t i o n a n d p h a s ep e r n l f b a t i o nu s i n g l i n e a r i z a t i o nm e t h o d ，t h u sn o c o m p l e x i t y i si n c r e a s e d ，b u tg o o dn u p e r f b 衄a n c e i so b t a i n e d ， c o m p a r a b l et ot h a to ft h en o n l i n e a r i z a t i o nm e t h o d 3 a st oe l e m e n tp o s i t i o np e n u r b a t i o n ， p h a s ep e r i u r b a t i o n ， w h i c h t h o u g h c a na c h i e v e d e e p n u l l sb yu s i n gn o n l i n e a “z e dm e t h o d c o m p a r e dw i t hi t s c o n v e n t i o n a l1 i n e a r i z e dm e t h o d s ，y e tt h e yc a n n o t f o n nm a n yn u l l s ，m o r e o v e lt h e yr e q u i r en u j l ss m a ht h a ne l e m e n t n u m b e r s i nt h ep a p e r ，f i r s f l yac o n c e p to fi n t e r l e r e n c es u p p r e s s i n g r a t i oi s p r o p o s e d ，b a s e do n t h e c o n c e p t ，c o s tf u n c t i o n so fp h a s e p e n u r b a t i o na n de l e m e n tp o s i t i o np e r t u r b a t i o n 村eb r o u g h tf o r w a r d ， r e s p e c t i v e b lw h o s es o l u t i o n sa r eo b t a i n e db yo p t i m i z a i i o nm e t h o d s i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h a tt h ep r e s e n tm e t h o db r e a kt h r o u g ht h e 始i v 负 共v 负 ! ! 室堕皇兰堡主兰垡堡茎些竺竺t _ 一 l i m i t so fc o n v e n t i o n a lm e t h o d st e q u i t i n gn u l l ss m a l lt h a ne l e m e n t n u m b e r s ，f u r m e r m o r e ，t h ep r o p o s e da l g o r i t h m sc a no b t a i nd e e pn u l l s f i n a l lv t oc a n c e lt h ei n t e r f e r e n c ei n d u c e db yt h e i n c o n s i s t e n tt i m e s l o t a l l o c a c i o nb e t w e e nb a s es t a t i o n si nt d d c d m a ，as c h e m ec o m b i n i n gn u l l s t e e r i n gt e c h n i q u ea n dd y n a m i cc h a n n e la 1 1 0 c a t i o ni sp t e s e n t e d s 1 m u l a t l o n r e s u l t sr e v e a lt h a tt h i sp r o p o s e dm e t h o dc a ng r e a t l yr e d u c et h ei n t e r f e r e n c e r e l a t i v et ot h es e t i a lo rp a r a l l e lm e t h o d t h eb a s es t a t i o n s ，t h e r e t o r e ，c a n a 1 1 0 c a t et h et i m e s l o t sa c c o r d i n gt ot h es e i c e1 0 a d ， t h u sl m p r o v l n gt n e n e x m m t vo ft i m e s l o ta l l o c a t i o n ，a n de n h a n c ei t ss y s t e mt h r o u g h p u t - i nt h ee n d ，t h i sp a p e rd r a w sac o n c l u s i o na b o u tt h ec o n t e n ti ni h i sp a p e r ， a n dt h ep o s s i b l er e s e a r c ht o p i c sa r es k e t c h e di no t d e rt og u i d et h e f u t u r e r e s e a r c h k e yw o r d s ：s m a r ta n t e n n a s ，b e a m f o r m i n g ，r o b u s t ，n u l ls t e e r i n d y n a m i c c h a n n e l烈l o c a t i o n ， m u l t i a c c e s si n t e r f e r e n c e ，c b - c h a n n e li n t e i 髓r e n c e ， t i m ed i v i s i o nd u p l e x 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究j 二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中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研 究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他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。 申请学位论文与苍料若有不实之 本人签名：立兰孚啦本人签名：玉i 萨互。扣 处，本人承担一切相关责任。 日期： 盆! ! ：fz 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电人学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文上作的知识产权单位属北京邮电大学。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磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部 分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文 在解密斤遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论文注 释：奉学位论文不属手保密范围，适用本授权书。 本人签名：二篮坌里：，日期：芝：堑：! 】 导师签名： 三： 同期：2 1 皇：! z 导师签名： l a j _ 一 同期：銎竺生二芝一 北京邮电人学博j 一学位论文 第一章绪论 1 1 背景介绍 第1 章绪论 随着全球通信业务的迅速发展，作为未来个人移动通信主要手段的无线移动通信 技术引起人们极大关注。移动通信信道传输环境较恶劣，多径衰落、时延扩展造成的 符号间干扰i s i ( i n t e r s y m b o li n t e r f e r e n c e ) 、以及由于通信系统中频率复用引入的同 信道干扰( c c i ，c o c h a n n e li n i e r f c r e n c e ) 、c d m a 系统中的m a i ( m u l t i p l ea c c e s s i n t e i f e r e n c e ) 等都会使链路性能、系统容量下降。常用的均衡、码匹配滤波、r a k e 接收、信道编译码技术等都是为了对抗或者减小这些干扰的影响。以上技术实际利用 的都是时频域信息，而实际上有用信号、有用信号时延样本( d e l a yv e r s i o n ) 和干扰 信号在时、频域存在差异的同时，在空域( 入射角d o a ，d i r c c t i o no f a r r j v a l ) 也存 在差异。智能天线就是利用空域信息来减少干扰的技术。 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 可能大的区域，这就意味着用户的信号在到达b t s ( 基站收发信设备) 前可能经历了 较长的传播路径，有较大的路径损耗( p a t h1 0 s s ) ，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、要么增加基站天线的接收增益，由于移动台( 特 别是手机) 的发射功率通常是有限的，真正可行的是增加天线增益，相对而言采用智 能天线技术可以实现较大增益，且其方法比用单天线容易。 在移动通信发展的中、晚期，为扩大系统容量、支持更多用户，通过收缩小区范 围、降低频率复用因子来提高频率利用率，通常采用的方法是小区分裂或者扇区化的 方法，但是，随之而来的是干扰增加，原来被距离( 其实是借助路径损耗) 有效降低 的c c i 和m a i 却较大比例地增加了。而利用智能天线技术，可以充分利用有用信号 和干扰信号在空间方位上的差异，选择恰当的合并权值，形成最优的天线接收模式， 目p 将主瓣对准有用信号，低增益副瓣或者零陷对准主要的干扰信号f 如图1 1 所示) ， 从而可更有效地抑制干扰，更大比例地降低频率复用因子，和同时支持更多用户( 如 c d m a 中) 。在某种意义上，我们可阻将智能天线看作是更灵活、主瓣更窄的扇形天 线。使用智能天线技术能带来很多好处，如扩大系统覆盖区域、降低基站发射功率、 节省系统成本、提高数据传输速率、以及提高系统容量、提高频潜效率、减少信号间 干扰与电磁环境污染等，参见图1 1 。 第l 兜共9 0 贝 ! ! 室! ! ! ! ! 皇点堂堕生堂些堡茎j 王! 旦皇塑! 一 9 d 8 1 8 0 主撕增益 图1 1 智能天线信号增强和干扰抑制原理图 如何消除同信道干扰( c c i ) 、多址干扰( m a i ) 、以及多径衰落的影响成为人们在提 高无线移动通信系统性能时考虑的主要因素。因此，近年来，智能天线成为移动通信 领域中的一个研究热点。智能天线是解决频率资源匮乏的有效途径，同时还可以提高 系统容量和通信质量。智能天线利用数字信号处理技术，采用了先进的波束切换技术 ( s w i t c h e db e a mt e c h n o l o g y ) 和自适应阵列处理技术( a d a p t i v ea a yp r o c e s s i n g t e c l l i l o l o g v ) ，产生空间定向波束，使天线波束主瓣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。与其它只渐深入和成熟的干扰消除技术相比，智能天线技术在移动通信中的 干扰消除等应用方面研究更显示出巨大潜力。 在同前第三代移动通信标准中，除了中国的t d s c d m a 标准明确使用智能天线 外，其它有影响的标准如w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 等也都将智能天线作为可选方案，并 加速进行智能天线在f d d 系统中的应用研究。目前，国际上已经将智能天线技术作 为未来无线通信技术发展的主要方向之一，是一个具有良好应用前景且尚未得到充分 丌发的新技术，足未来无线通信系统中不可缺的关键技术之一。 1 2 智能天线的技术优势 由丁采用智能大线波束技术，在空间形成定向波束，因而，能够充分利用信道的 筇2 贝共9 0 负 北京邮电大学博上学位论文 第一章绪论 相关特性，使信号在接收端相干相加，噪声非相干相加，从而提高信道的处理增益。 与传统的全向天线相比，在发射功率相同的情况下，由于波束的高增益，智能天线覆 盖范围更大，且由于波束的定向作用，能够有效减少多径衰落的影响，提高通信质 量，并能够减少对其他用户的干扰，增加频谱效率和信道容量。首先，通过减少衰 落和干扰而获得的通信质量的提高可以转换为用户数的增加；其次，天线阵列通过 形成多波束，不需要额外的频率分配就可以开辟新信道( 空分复用) ，具有增加额外 用户的潜力。因而，采用智能天线技术可大大提高频谱利用率。 归纳起来，智能天线技术主要有以下优点： 1 抗衰落减少多径效应：由于智能天线具有波束赋形功能，可减少多径的影响， 抗多径衰落。 2 抗干扰：即将主瓣对准有用信号，零陷和低增益副瓣对准主要的干扰信号，从而 可更有效地抑制干扰。 3 增加覆盖范围：在接收端，由于天线阵列对信号进行相干接收、噪声非相干相加， 因而可获得信噪比增益，该增益与接收天线的数目成f 比，这样可以降低天线的 发射功率，而在同样的发射功率情况下，可增加覆盖范围。 4 降低功率，减小成本：智能天线可以对特定用户的传输进行优化，这样就会使发 射功率降低，从而降低放大器的成本。 5 改善链路质量，增加可靠性：由于通过独立的衰落路径可以接收到独立的信号副 本，而在这些信号副本中一般会有一个或者多个副本没有受到衰落，这样多个独 立的衰落就会减小信号波动的影响，产生分集。分集的形式包括时间分集、频率 分集、码分集和空间分集等。用智能天线对空间域进行采样，就会产生空间分集。 在非频率选择性衰落的信道中，最大的空间分集阶数等于发射天线数目和接收天 线数目的乘积，多个发射天线通过采用特殊的调制和编码机制就可以产生发射分 集，而多个接收天线的接收分集取决于对独立衰落信号的合并。智能天线在发射、 接收端的空问分集作用，可大大提高无线通信系统的链路质量，从而增强通信的 可靠性。 6 提高频谱效率：一方面，智能天线通过减小衰落和干扰可提高通信质量，从而增 加使用同样资源的用户数日，提高频谱效率。另一方面，智能天线波束成形技术 的应用产生了一种新的多址接入方式：空分多址。空分多址利用多个独立的空间 维数来同时传送数据，在系统中这种独立的空间维数被称为m i m 0 信道特征模 式。空分多址实现了资源的重用，从而提高了频谱效率。 第3 贝共9 0 虹 北京邮电大学博上学位论文 第一章绪论 7 提高通信的安全性：在传统无线通信技术中，在整个小区内都可以截听用户的空 中接口无线信号，但在采用智能天线技术后，由于波束的定向作用，只能在有限 区域接收到用户信号，提高了通信的安全性。 8 实现移动台定位业务：大多数蜂窝移动通信系统只能确定移动台所处的小区，采 用智能天线技术后，可以随时确定持机者所处位置，不但给用户和网络管理者提 供很大方便，还可开发出更多的新业务。 1 3 智能天线技术的研究和进展 智能天线与传统天线概念有本质的区别，其理论基础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。最 初的智能天线技术主要用于雷达、声纳、军事抗干扰通信，用来完成空问滤波和定位 等功能，提高系统的性能和电子对抗的能力，但由于价格等因素一直未能普及到其它 通信领域。自适应天线波束赋形技术在2 0 世纪6 0 年代就开始发展，其研究对象是雷 达天线阵，目的是提高雷达的性能和电子对抗的能力。而智能天线真正的发展是在 2 0 世纪9 0 年代初，随着移动通信的发展及对移动通信电波传播、组网技术、天线理 论等方面的研究逐渐深入，微计算器和数字信号处理技术飞速发展，d s p 数字信号处 理芯片的处理能力日益提高，利用数字技术在基带形成天线波束成为可能，提高了天 线系统的可靠性与灵活程度；同时数字芯片的价格已经为现代通信系统所接受，因此， 智能天线技术开始用于具有复杂电波传播环境的移动通信。另外，移动通信频谱资源 日益紧张，如何消除多址干扰( m a i ) 、共信道干扰( c c i ) 以及多径衰落的影响、提 高频谱效率成为提高移动通信系统性能时要考虑的主要因素。而用现代数字信号处理 技术，选择合适的自适应算法，动态形成空间定向波束，使天线阵列方向图主瓣对准 用户信号到达方向，旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向，从而达到充分利用移动用户 信号并抵消或最大程度的抑制干扰信号的目的。因此，结合天线阵列与数字信号处理 器，就可以动态配置智能天线。 智能天线又称为自适应阵列天线。自适应天线阵列不仅具有很强的抗于扰能力， 而且可以与其它通信抗干扰技术相兼容，自适应算法是自适应天线的核心。智能天线 系统既具有自动感知干扰源的存在并抑制其影响的能力，又具有增强期望信号的能 力，且可和各类无线通信技术兼容。因而比起只依靠单一方法( 如采用扩频技术或采 用强定向天线) 来，可获得更强的抗十扰性能，且具有更高的灵活性。 智能天线利用多个高增益窄波束动态地跟踪期望用户，接收模式下，来自窄波束 第4 “共9 0 更 北京邮电大学博上学位论文 第一章绪论 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 辐射范围以外的非期望用户受到的干扰最小。智能天线利用用户空间位置的不同来区 分不同用户，不同于传统的频分多址( f d m a ) 、时分多址( t d m a ) 或码分多址 ( c d m a ) ，智能天线利用信号的第4 维即空问维，由此衍生出另一种多址方式：空 分多址( s d m a ) 。空分多址即在相同时隙、相同频率或相同信道化码的情况下，仍 然可以根据信号不同的空间传播路径而区分。空分多址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，例如空分一码分多址( s d c d m a ) 。 智能天线阵列由多个天线单元组成，每一个天线后接一个复数加权器，最后通过 相加器合并输出。这种结构的智能天线只能完成空域处理。同时具有空域、时域处理 能力的智能天线在结构上相对复杂些，每个天线后接的是一个延时抽头加权网络。自 适应或智能的主要含义是指这些加权系数可以根据一定的自适应算法进行自适应更 新调整。 智能天线阵要解决的基本问题是抗干扰，且提高期望信号的信道增益。抗干扰是 指在干扰信号背景下改善期望信号的接收质量，即提高期望信号的处理增益，抑制干 扰。而智能天线实现这一点，将不完全依赖于调制技术、信源、信道编码技术以及其 他固有的传统技术。智能天线研究的是如何自适应地独立调整天线阵各天线单元的激 励系数，智能地改变波束形状而得到空域处理增益从而改善最终的接收。 智能天线波束赋形的目标是根据系统性能指标，形成对基带信号的最佳处理。具 体说，波束赋形的主要任务就是补偿无线传播过程中由空间损耗和多径效应等引起的 信号衰落，同时降低用户间的同信道干扰。智能天线均采用数字方法实现波束赋形， 从而可以使用软件设计完成自适应算法更新，在不改变系统硬件配嚣的前提下增加系 统的灵活性。波束赋形算法对阵元接收信号进行加权求和处理形成天线波束，波束主 瓣对准期望用户方向，而将波束旁瓣或者零陷对准干扰方向。根据波束赋形的不同过 程，实现智能天线的方式又分为两种：阵元空问处理方式和波束空问处理方式。 1 ) 阵元空问处理方式：直接对各阵元按收信号采样进行加权求和处理后，形成 阵列输出，使阵列方向图主瓣对准用户信号到达方向。由于各个阵元均参与 自适应加权调整，这种方式属于全自适应阵列处理。 2 ) 波束空间处理方式：这是当前自适应阵列处理技术的发展方向。它实际上是 两级处理过程，第一级对各阵元信号进行固定加权求和，形成多个指向不同 方向的波束；第二缴对第一级的波束输出进行自适应加权调整后合成得到阵 列输出，此方案不是对全部阵元都从整体最优计算加权系数作自适应处理， 第5 贞 其9 0 贝 北京邮电大学博+ = 学位论文 第一章绪论 而是仅对其中的部分阵元作自适应处理，因此，属于部分自适应阵列处理。 这种结构的特点是计算量小，收敛快，并且具有良好的波束赋形性能。 波束赋形算法是智能天线研究的核心，一般分为非盲算法和盲算法两类。目前已 提出很多著名算法，概括地讲有非盲算法和盲算法两大类。非盲算法是指需借助参考 信号( 导频序列或导频信道) 的算法，此时收端知道发送的是什么，进行算法处理时 要么先确定信道响应再按一定准则( 比如最优的迫零准则z e mf o r c i n g ) 确定各加权值， 要么直接按一定的准则确定或逐渐调整权值，以使智能天线输出与已知输入最大相 关，常用的相关准则有m m s e ( 最小均方误差) 、l ，m s ( 最小均方) 和l s ( 最小二 乘) 等。 盲算法则无需发端传送已知的导频信号，判决反馈算法( d e c i s i o nf e e d b a c k ) 是 一类较特殊的盲算法，收端自己估计发送的信号并以此为参考信号进行上述处理，但 需注意的是应确保判决信号与实际传送的信号间有较小差错。盲算法一般利用调制信 号本身固有的、与具体承载的信息比特无关的一些特征，如恒模c m 、子空蒯s u b s p a c e 、 有限符号集f i n i t ea l p h a b e t 、循环平稳c y d e s t a t i o a i y 等，并调整权值以使输出满足 这种特性，常见的是各种基于梯度的使用不同约束量的算法。 非盲算法相对卣算法而言，通常误差较小，收敛速度也较快，但需浪费一定的系 统资源，将二者结合的有一种半盲算法，即先用非盲算法确定初始权值，再用盲算法 进行跟踪和调整，这样做一方面可综合二者的优点，一方面也是与实际的通信系统相 一致的，因为通常导频符不会时时发送而是与对应的业务信道时分复用的。典型的波 束赋形算法有最大输出功率算法、c a p o n s 波束赋形算法、最大接收功率算法、最大 发送信噪比算法等。 在链路层，概括地说，智能天线技术主要有两个研究分支，一个是用户( 信号源) d o a 估计、定位等研究；另一个是波束赋形算法研究，即自适应阵列信号处理研究， 同的是研究怎样能够更好地提高信道处理增益。本论文研究重点为波束赋形算法，因 此，这早只介绍智能天线波束赋形算法。 波束赋形算法研究包括以下几个方面： 1 ) 常规的波束赋形算法研究。即研究如何加强感兴趣信号，提高信道处理增益， 研究的是一般的波束赋形问题。 2 ) 鲁棒性波束赋形算法研究。研究在智能天线阵列非理想情况下，即当阵元存 在位置偏差、角度估计误差、各阵元到达基带通路的不一致性、天线校准误 北京邮电大学博十学位论文 第一章绪论 差等情况下，如何保证智能天线波束赋形算法的有效性m 题。 3 1 零陷算法研究。研究在恶劣的通信环境下，即当存在强二卜扰情况下，如何保 证对感兴趣信号增益不变，而在强干扰源方向形成零陷，从而消除干扰，达 到有效地估计出感兴趣信号的目的。 本论文对智能天线波束赋形技术的两个方面进行了研究。首先，针对智能天线应 用中由于阵列几何误差、角度估计误差、阵列校准的不准确等可能造成波束赋形性能 恶化的情况，深入研究了鲁棒性波束赋形算法，并提出了一种高效的鲁棒性波束赋形 算法；然后，针对无线信道环境存在强干扰情况，研究了采用智能天线零陷技术消除 强干扰的各种算法。 1 3 1 鲁棒性波束赋形算法研究现状 智能天线自适应阵列信号处理的一般方法是根据预设的波束赋形准则，如最小方 差，最大熵，最大信干噪比等准则，获得最优的波束赋形权值【1 】。通常是在一些线 性约束下，最小化阵列输出。首先根据接收信号，估计期望信号的到达方向d o a ( d i r e c t i o n o f - a r r i v a l ) ，建立一个期望空间响应约束，在此约束下，最小化代价函数， 从而获得波束赋形权值。 一般的波束赋形算法都是基于天线阵列是理想的假设，因此能够精确地获得这些 约束条件，在此条件下，通过最优化方法获得波束赋形权值。但是，实际系统总是存 在各种各样的偏差，如本地散射体、到达角度的不确定性、传播介质的不致、衰落、 不准确的天线阵校验、阵列几何误差等等因素都会造成阵列导向矢量扰动。众所周知， 当存在这些阵列扰动、或者样本数据较短时，都会恶化波束赋形的性能，甚至有可能 完全消除期望信号【2 】。 鲁棒性波束赋形算法是解决阵列导向矢量扰动的重要方法。近年来鲁棒性波束赋 形成为一个研究的热点，鲁棒性波束赋形算法研究是智能天线阵列信号处理当中的一 个非常重要的研究方向【3 1 - 【8 】0 在文【3 1 - 【6 1 中，提出了般负载因子法，它是解决阵 列天线在扰动晟恶劣情况下的一种行之有效的方法。仿真表明，针对阵列导向矢量误 差、短数据样本情况，该方法能够极大地提高系统波束赋形的鲁棒性。然而，该方法 的性能依赖于所选择的负载因子，但是在实际情况下还没有获得负载因子的可靠方 法，凶而限制了它的应用。 文【2 】- 【1 3j 算法都是假设在对主瓣约束情况下的波束赋形技术，然而在许多实际 鞯7 负共9 0 负 ! ! 室塑皇尘堂堕主兰垡堡兰 一笙二皇型玺一 应用当中，阵列天线必须具有多波束赋形的能力，一方面是保证用户在多个信号方向 有确定的波束增益，另一方面是抑制干扰方向信号，这可以通过具有多波束约束的智 能天线阵列实现【1 5 】，【1 6 】。 1 3 2 零陷技术研究现状 日益复杂的电磁环境使得电磁干扰变得越来越严重，减少电磁干扰的一种重要解 决方案是采用智能天线波束赋形技术。智能天线波束赋形技术关注的一般是主瓣的形 状和整体的旁瓣增益水平。然而在实际通信环境中，某些方向电磁干扰可能特别强， 对有用信号会造成很强干扰，因而对于这些强干扰方向的旁瓣就有更高的要求即旁瓣 增益应该更低。正是为了解决这个问题，零陷技术应运而生。零陷技术是在保证主瓣 无畸变或者畸变很小的前提下，在干扰方向形成零陷，它的目标是使波束主瓣对准有 用信号，零陷对准干扰源，从而能够最小化由干扰引起的信噪比恶化。零陷技术在雷 达、声纳和通信系统中起着非常重要的作用。常用的零陷技术包括：复权值扰动，阵 列元素位置扰动，幅值扰动，相位扰动。 文【1 7 1 中阐述了通过幅值扰动来产生零陷的方法，但不能得到满意的零陷深度和 旁瓣水平。 相位扰动形成零陷的技术实现简单，且不需要额外的开销【1 8 】，因而许多零陷方 法都是通过相位扰动来实现的。复权值扰动形成零陷的性能最好，它的解空间有更大 的自由度，但同时也是最昂贵的【1 9 】。 2 0 世纪9 0 年代后提出了一种新的零陷形成技术即阵元位置扰动【2 0 】- 【2 2 】。该方 法的思想是通过阵元位置的调整，达到在干扰方向形成零陷的目的。相位扰动和阵元 位置扰动本质上都是非线性，需要利用非线性的优化方法，计算量大。文【1 8 】，【2 0 】 假设相位或阵元位置扰动很小，利用泰勒二阶展丌进行线性化近似处理，但是都不能 得到满意的零陷深度。文 2 4 】利用遗传算法求取相位的方法来形成零陷，虽然能够形 成零陷，