（信号与信息处理专业论文）mimo智能天线系统中波束形成算法的研究.pdf

杭州电子科技大学硕士学位论文 摘要 近年来，移动通信技术迅猛发展，目前研究的热点是如何克服多径衰落信道的约束来提 高移动通信的信息传送速率和用户容量，其中的一个研究热点是使空间域与传统时间域、频 率域、或码域相结合，充分发挥空间域在无线通信领域中巨大的潜力。多天线系统包括智能 天线和多输入多输出两种系统，都通过利用空间域方位角信息来提高通信质量和扩大信道容 量的。其中自适应波束形成技术是智能天线系统的关键技术，目前在雷达、声纳等军事通信 领域已得到广泛的应用，其算法决定了瞬时响应速率和电路实现的复杂程度。且一般智能天 线在多径效应较轻情况下，性能良好，但是在多径效应较重情况时，性能下降明显。m i m o 是在天线分集技术与智能天线技术的基础上发展起来的，在某种意义上属于广义的智能天线 范畴。m i m o 技术在发射天线端和接收天线端均使用多个天线，从而能在不增加系统带宽的 情况下成倍提高系统的数据传输速率和传输质量。而且m i m o 技术在多径效应较重时，性能 较好。但是在多径效应较轻时，性能急剧下降。所以如果能将智能天线与m i m o 技术结合起 来，可以让它们更灵活、更高效地发挥各自的优势来提高系统性能。 本文的研究重点是智能天线系统的白适应波束形成技术和m i m o 系统的空时编码技术， 主要包括以下内容： ( 1 ) 首先介绍了智能天线系统中自适应波束形成技术的基本原理，接着介绍了五种常用 的接收准则，基于这些准则，然后介绍了五种典型自适应波束形成算法，并对这五种算法进 行了计算机仿真。最后本文在研究了传统的线性约束最d - 乘恒模( l c l s c m a ) 波束形成 算法的基础上，提出了一种基于子空间的线性约束最小二乘恒模( l c l s c m a s u b ) 波束形 成算法，计算机仿真结果表明，l c l s c m a s u b 比l c l s c m a 约取得了0 8 d b 的信噪比增益， 这是因为l c l s c m a s u b 波束形成算法将权向量约束在信号子空间内，从而有效消除了噪声 子空间的影响。本文提出的l c l s c m a s u b 波束形成算法能有效改善系统性能。 ( 2 ) 介绍了m i m o 系统的基本原理，然后在a l a m o u t i 编码的基础上，介绍了三发射天 线和四发射天线的空时分组编码技术，接着介绍了m i m o 系统中的波束形成原理，其中重点 介绍了联合收发波束形成技术。最后对智能天线系统中的波束形成技术和m i m o 系统中的波 束形成技术的异同进行了比较分析，在此基础上研究分析了两者技术结合的可能性，并介绍 了多种已有方案。 ( 3 ) 针对在频率选择性衰落信道情况下，m i m o 系统的空时编码技术由于存在符号间干 扰导致用户误码率性能偏高，在研究了智能天线自适应波束形成技术的基础上，本文提出了 一种四发射天线的满码率，满空间分集增益的准正交空时编码与编码滤波自适应波束形成技 术结合的系统模型及其算法，并对其在平坦衰落信道和频率选择性衰落信道两种不同的信道 环境中与未采用编码滤波自适应波束形成算法的空时编码技术进行仿真比较，计算机仿真表 杭州电子科技大学硕士学位论文 明，本文建议的算法能有效改善用户在平坦衰落信道和频率选择性衰落信道中的误码率性能， 具有较高的理论意义和应用价值。 关键字：多输入多输出，智能天线，波束形成，到达角估计，空时编码，准正交空时编码， 恒模算法 杭州电子科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t 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 nt e c h n o l o g yi s r a p i d h o wt o o v e r c o m et h ec o n s t r a i n t so ft h em u l t i p a t hf a d i n gc h a n n e lt oi m p r o v eb o t hi n f o r m a t i o nt r a n s f e rr a t e a n du s e rc a p a c i t yo ft h em o b i l ec o m m u n i c a t i o ni sb e c o m i n gc u r r e n tr e s e a r c hh o ts p o t o n eo ft h e k e y r e s e a r c hi sc o m b i n i n gs p a c ed o m a i nw i t ht i m ed o m a i n ，o rf r e q u e n c yd o m a i no rc o d ed o m a i n ， s ot h a ts p a c ed o m a i np l a y si t sh u g ep o t e n t i a li nt h em o b i l ec o m m u n i c a t i o n m u l t i p l ea n t e n n a t e c h n o l o g yi sj u s tt om a k ef u l lu s eo fs p a c ed o m a i nt oi m p r o v eb o t ht h ei n f o r m a t i o nq u a l i t ya n d c h a n n e l c a p a c i t yo fc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s m u l t i p l ea n t e n n as y s t e mi n c l u d e ss m a r ta n t e n n a ( s a ) s y s t e ma n dm u l t i p l ei n p u ta n dm u l t i p l eo u t p u ta n t e n n a ( m i m o ) s y s t e m t h ec o r et e c h n o l o g yo ft h e s m a r ta n t e n n ai sb e a m f o r m i n gt e c h n o l o g y ，w h i c hh a v eaw i d er a n g eo fa p p l i c a t i o n si nf i e l d so f c o m m u n i c a t i o na n dr a d a re t c ，a n dw h o s ea l g o r i t h mo fs e l e c t i o nd e t e r m i n e st h ei n s t a n t a n e o u s r e s p o n s er a t ea n dt h ec o m p l e x i t yo ft h ec i r c u i ti m p l e m e n t a t i o n i nt h ec a s eo ft h em u l t i p a t he f f e c ti s s l i g h t e r ，t h ep e r f o r m a n c eo fs ai sb e t t e r , b u ti nt h eo t h e rc a s e ，i t sp e r f o r m a n c ei sw o r s e m i m o t e c h n o l o g yt h ec o m b i n a t i o no fb o t ha n t e n n ad i v e r s i t ya n ds p a c e - t i m ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g y , c o m e s f r o mt h ea n t e n n ad i v e r s i t yt e c h n o l o g ya n ds a ，s oi tc o u l db es a i dt h a tm i m ot e c h n o l o g y b e l o n g s t o t h eg e n e r a l i z e ds ac a t e g o r y m i m ot e c h n o l o g yu s e sm u l t i p l ea n t e n n ab o t ha tt h es e n d e ra n d r e c e i v e r ，t h r o u g hw h i c ht oi m p r o v et h ed a t at r a n s f e rr a t ea n dt r a n s m i s s i o nq u a l i t yo fs y s t e m ， b u t w i t h o u ti n c r e a s i n gb a n d w i d t h t h ep e r f o r m a n c eo fm i m oi sb e t t e ra st h em u l t i p a t he f f e c ti sm o r e s e r i o u s s oc o m b i n a t i o no fs aw i t hm i m ot e c h n o l o g yc a nm o r ei n t e l l i g e n ta n de f f i c i e n tb r i n gt h e i r o w na d v a n t a g e st oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fs y s t e m t h i sp a p e rf o c u so nt h ea d a p t i v eb e a m f o r m i n gt e c h n o l o g yo fs m a r ta n t e n n as y s t e ma n ds p a c e t i m ec o d et e c h n o l o g yo fm i m o s y s t e m ，i n c l u d i n gt h ef o l l o w i n gc o n t e n t ： ( 1 ) t h eb a s i cp r i n c i p l eo fa d a p t i v eb e a m f o r m i n go fs m a r ta n t e n n as y s t e mw a si n t r o d u c e d ，t h e n f i v ek i n d so ft h er e c e i v i n gc r i t e r i aw h i c ha r ec o m m o n l yu s e dw e r ei n t r o d u c e d b a s e do nt h e s e c r i t e r i a ，f i v e k i n d so ft y p i c a la d a p t i v eb e a m f o r m i n ga l g o r i t h m sw e r ei n t r o d u c e d ，a n dt h e i r b e a m f o r m i n ga l g o r i t h m sw e r es i m u l a t e db ym a t l a b f i n a l l y , b a s e do nt h es t u d yo ft r a d i t i o n a l l i n e a rc o n s t r a i n e dl e a s t s q u a r e sc o n s t a n t m o d u l u s( l c l s c m a )b e a m f o r m i n g a l g o r i t h m ， a i m p r o v e da l g o r i t h m l i n e a rc o n s t r a i n e dl e a s ts q u a r e sc o n s t a n tm o d u l u sa l g o r i t h mb a s e do ns u b s p a c e ( l c l s c m a - s u b ) w a sp r o p o s e d i nt h i s p a p e r t h er e s u l to fs i m u l a t i o ns h o w st h a t l c l s c m a - s u bc a ng a i nm o r eo 8 d bt h a nl c l s c m a ，w h i c hi sb e c a u s eo fl c l s c m a s u bc a n c o n s t r a i n tw e i g h tv e c t o ri ns i g n a ls u b s p a c e ，a n dt h u se f f e c t i v e l ye l i m i n a t et h ei n f l u e n c eo fn o i s e s u b s p a c e t h el c l s c m a s u bb e a m f o r m i n ga l g o r i t h mp r o p o s e di n t h i sp a p e rc a ne f f e c t i v e l y i m p r o v et h es y s t e mp e r f o r m a n c e i i i 杭州电子科技大学硕士学位论文 ( 2 ) t h eb a s i cp r i n c i p l eo ft h em i m os y s t e mw a si n t r o d u c e d ，a n db a s e do na l a m o u t ic o d e ， s p a c e - t i m eb l o c kc o d et e c h n o l o g yw i t ht h r e et r a n s m i t t i n ga n t e n n aa n df o u rt r a n s m i t t i n ga n t e n n a w a si n t r o d u c e dr e s p e c t i v e l y t h e nt h eb e a m f o r m i n gp r i n c i p l eo fm i m o s y s t e mw a si n t r o d u c e d ，i n w h i c ht h ee m p h a s ei sj o i n tt r a n s m i t r e c e i v eb e a m f o r m i n gt e c h n o l o g y f i n a l l yt h es i m i l a r i t i e sa n d d i f f e r e n c e so ft h eb e a m f o r m i n gt e c h n o l o g yo fs as y s t e ma n dt h eb e a m f o r m i n gt e c h n o l o g yo f m i m os y s t e mw a sa n a l y z e d ，a n db a s e do nt h i s ，t h ep o s s i b i l i t yo fc o m b i n a t i o no fb o t ht e c h n o l o g y w a sr e s e a r c h e d ，a n ds o m ee x i s t i n gs c h e m ew a si n t r o d u c e d ( 3 ) a i m i n ga t t h ee x i s t e n c eo ft h ei n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e ，t h eb i te r r o rr a t eo fs p a c e t i m e c o d et e c h n o l o g yi sh i g hi nt h ef r e q u e n c ys e l e c t i v ef a d i n gc h a n n e l ( f s f c ) ，t h es y s t e mm o d e la n d a l g o r i t h mo faq u a s io r t h o g o n a ls p a c e - t i m ec o d e ( q s t b c ) t e c h n o l o g yw i t hf o u rt r a n s m i t t i n g a n t e n n ao ff u l lr a t ea n df u l l s p a t i a ld i v e r s i t yg a i nc o m b i n e dw i t hc o d ef i l t e r i n ga d a p t i v e ( c f a ) b e a m f o r m i n ga l g o r i t h mw a sp r o p o s e di nt h i sp a p e r , b a s e do na d a p t i v eb e a m f o r m i n gt e c h n o l o g yo f s as y s t e mh a sb e e nr e s e a r c h e d ，t h er e s u l to fs i m u l a t i o no f c o m p a r i s o nc f a - q s t b cw i t hs t b c i nf l a tf a d i n gc h a n n e l ( f f c ) a n df s f cr e s p e c t i v e l ys h o w st h a tt h ea l g o r i t h mp r o p o s e di nt h i sp a p e r c a nb o t hi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fb i te l t o rr a t eo fu s e r si nf f ca n df s f c ，a n dp l a ya ni m p o r t a n t r o l eb e i t hi nt h e o r ya n da p p l i c a t i o n k e y w o r d s ：m u l t i p l e i n p u tm u l t i p l e o u t p u t ，s m a r ta n t e n n a , b e a m f o r m i n g ，a n g l eo fa r r i v a l e s t i m a t i o n ，s p a c e - t i m ec o d i n g ，q u a s io r t h o g o n a ls p a c et i m ec o d i n g ，c o n s t a n tm o d u l u sa l g o r i t h m i v 杭州电子科技大学硕士学位论文 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 近年来，无线通信技术飞速发展。新一代移动通信将可以提供的数据传输速率提高到 1 0 0 m b i t s h z ，甚至更高，支持的业务从语音到多媒体业务，包括实时的流媒体业务1 1 - 3 1 。因 此，更高的数据传输速率、更大的系统容量( 服务用户数量) 和更好的通信质量成为新一代移 动通信技术所需要突破的关键。 多输入多输, w , ( m i m o ，m u l t i p l e i n p u tm u l t i p l e o u t ) 和智能天线( s m a r ta n t e n n a ) 都属于多天 线系统的范畴，所涉及的技术主要有空间复用技术、空时编码技术、波束形成技术、d o a 估 计等。随着时域和频域资源的逐渐消耗，多天线技术逐步发展起来，其通过对空间域资源的 充分开发利用，进而实现提升无线移动通信系统性能的目的。近年来对无线通信中多天线技 术的研究正在蓬勃发展。目前，研究显示，在无线通信系统中，智能天线技术的应用能够有 效地抑制多址干扰，扩大蜂窝小区内的用户容量，同时空时处理可以增加系统容量，增强接 收信号的信噪比。中国拥有自主知识产权的t d s c d m a 在国际移动通信市场上也赢得了一 席之地，其物理层关键技术之一就是智能天线技术。t d s c d m a 标准是以智能天线技术为核 心设计的。随着中国移动的t d s c d m a 网络的商用，对智能天线的研究也日趋成熟。目前， t d s c d m a 测试结果表明智能天线系统性能优越 4 - 9 。在i m t 0 2 0 0 0 中【6 - 1 0 1 ，w - c d m a 和 c d m a 2 0 0 0 也将智能天线作为可选技术。 智能天线技术是由阵列天线发展过来的，阵列天线最早在雷达和声纳等系统丌始应用。 在阵列天线的发展进程中，其里程碑式研究成果主要有：1 9 6 5 年h o w e l l s 提出的自适应陷波旁 瓣对消算法；1 9 6 7 年w i d r o w t l l 提出了用于白适应天线阵列的最小均方( l m s ) 自适应算法；1 9 6 9 年c a p o n 提出恒定增益指向最小方差波束形成算法；1 9 7 6 年a p p l e b a u m 提出了使信干噪比 ( s i n r ) 最大化的反馈控制算法；1 9 7 9 年s c h m i d t 提出多重信号分类( m u s i c ) 算法【1 2 】，标识着超 分辨谱估计方法的诞生【1 3 1 ；1 9 8 6 年r o y 等人提出了估计信号参数的旋转不变技术( e s p r i t ) 1 4 】。 这些理论算法的提出，使阵列天线信号处理技术得到了快速发展。 9 0 年代以后，智能天线技术开始在蜂窝移动通信系统中展开应用【7 。9 】。在扩大信道容量及 提高通信质量等方面智能天线优势巨大，使得越来越多的研究机构和学者专家投入到智能天 线及其相关技术研究中来。2 0 世纪9 0 年代以来，很多专家学者对智能天线技术的算法、性 能和实现进行了大量研究实验，其中包括l i b e r t i 和s w a l e s 等对应用智能天线后蜂窝移动通信 系统性能改善的研究，a g e e 1 s 提出的最小二乘恒模算法，r o n g 5 ，1 7 等提出的适用于c d m a 系 统的多目标解扩重扩最小二乘恒模算法，e r t e l 等综述的阵列天线通信系统信道模型的研究， 杭州电子科技大学硕士学位论文 t a n a k a 等研究了智能天线技术和r a k e 结合的处理方法。2 0 世纪9 0 年代，a t & tb e l l 的实 验室的研究学者将m i m o 技术开始应用于无线通信系统，是无线移动通信领域智能天线技术 的重大突破进展。随着现代数字信号处理技术快速发展，数字信号处理芯片处理能力不断得 到增强，利用数字技术在基带形成天线波束成为现实，有效提高了天线系统的灵敏度及可靠 度。 智能天线是一种具有波束形成和定位能力的天线阵列，利用数字信号处理技术，在空间 形成定向波束，使天线主瓣波束对准期望用户信号的到达角( a n g l eo f a r r i v a l ，a o a ) ，旁瓣 或零陷对准干扰信号的到达方向，从而达到使移动用户信号充分利用，并使干扰信号得到抑 制的目的。智能天线技术应用于移动通信系统，产生空间定向波束。因而，移动通信系统能 够将信道的相关特性充分利用，在接收端，使信号相干相加，噪声非相干相加，就此增强了 信道的处理增益。与传统的全方向天线阵列相比，在发射功率相等的情况下，由于波束提供 的高增益，智能天线能覆盖更广的范围，而且由于波束的准确的定位作用，可以减弱多径衰 落对期望用户的影响，加强了通信质量，同时可以减轻对其他用户的干扰，提高信道容量和 频谱效率。实际上，智能天线使通信资源从时域( t d m a ) 、码域( c d m a ) 、频域( f d m a ) 扩展 到了空间域，即空分多址( s d m a ) 4 - 9 1 。 多输入多输盘( m i m o ) 技术或称多发多收天线技术是无线移动通信领域的一个重大突破。 由于m i m o 系统可以充分开发利用空间资源，其采用多根天线来实现多发多收，在不增加天 线发射功率和频谱资源的情况下，能够成倍地提高频谱利用率和信道的容量，与此同时降低 信道的误码率、提高可靠性。因此，m i m o 技术被视为未来移动通信领域中的关键技术之一。 m i m o 技术结合了空时处理技术和天线分集技术，其源于智能天线和天线分集技术，兼具二 者的优点，从某种意义上说m i m o 技术属于广义的智能天线技术范畴，智能天线也可以被认 为是狭义的m i m o ，有些智能天线的技术能够直接推广应用到m i m o 系统中。目前，在无线 通信系统中，m i m o 技术已经越来越多的得到应用，如i e e e 8 0 2 1 6 和i e e e 8 0 2 1 l n 等无线标 准都选用了m i m o 技术，t d s c d m a 中的h s d p a 系统也将其列入技术选项之一，因此研究 m i m o 技术是很有其必要性的。但是在无线移动通信系统中，有时在收发两端并不一定需要 都配置多个天线，以避免造成资源浪费。因此，智能天线技术的应用研究也具有着重要意义。 智能天线可以有效地抑制多种干扰，比如多址干扰、多径干扰和同信道干扰等还有其它 干扰。而空时编码技术在带宽受限时，也可以获得分集增益和编码增益，从而能够利用多径 衰落。所以，将空时编码技术与波束形成技术结合，系统性能将会更佳。本文尝试在波束形 成和空时编码结合算法及模型方面做一些研究工作。 由此可知，智能天线的自适应波束形成算法研究和m i m o 智能天线结合的自适应波束形 成算法研究，具有非常重要的理论和应用价值。 2 杭州电子科技大学硕士学位论文 1 2 研究现状及发展趋势 自上世纪7 0 年代以来，自适应天线在控制天线波束等方面有了显著成就，l l - , 女n 自适应波 束操纵天线、自适应相控天线和自适应聚束天线等，8 0 年代，在理论方面，空间谱估计取得 了长远发展，如特征空间正交谱估计、最大似然谱估计、最大熵谱估计等。9 0 年代，由于数 字信号处理( d s p ) 技术和半导体工艺的迅猛进展，在许许多多科研人员的不懈努力下，自 适应天线技术被引入到了民用无线移动通信领域，也就是今天所谓的智能天线技术。如今， 智能天线技术已被写入到了3 g p p 和3 g p p 2 技术标准中。通信业界普遍认为智能天线技术是 未来超3 g 、4 g 无线移动通信系统中的一种重要技术。目前以智能天线作为核心技术的 t d s c d m a 通信系统标准已成为国际电联( i t u ) 所认可的三大国际3 g 标准之一。如今， t d s c d m a 已开始投入商用。 智能天线系统中的自适应波束形成技术经近几十年的研究发展，目前己经渐趋成熟，一 些经典算法也得到了推广应用。波束形成算法按是否需要发送导频信号可分为非盲算法和盲 算法两大类。非盲波束形成算法在初始化权值后，再通过发送导频信号来确定信道的响应， 然后根据某种接收准则调整权值，常用的经典算法有迭代最小二乘算法、最小均方误差算法、 采样矩阵求逆算法等：盲波束形成算法不需要发送导频信号，而是按照调制信号所特有的，与 发送的信息比特无关的特性来调整权值，常用的经典算法有谱自相干恢复算法、判决导向算 法、恒模算法等。针对每种算法的缺陷，在此类经典算法的基础上，专家学者不断研究探索， 提出了许多改进算法。目前，在时域方面，大多数研究人员集中在波束形成器的设计上进行 研究，以达到进一步简化算法计算量和硬件设备的复杂度度。在频域方面，研究人员主要是 将波束形成算法与快速傅里叶变换结合应用，每根天线阵元接收到的数据符号经过快速傅里 叶变换转换到频域，接着对每个频率采样点窄带处理。最小均方( l m s ) 、递归最d x - 乘( r l s ) 等算法经过快速傅里叶变换后，可以弱化信号的相关性，同时信号收敛速度也会变快。最近 几年，小波变换和时频分析等信号处理技术在自适应波束形成和a o a 估计中也开始应用。 目前，分数阶傅立叶变换受到移动通信领域专家学者的重视。 智能天线技术在移动通信领域潜能巨大。世界各国都很重视智能天线在未来移动通信系 统中的开发研究和实际应用。上世纪9 0 年代以来，美、欧、日等发达国家都花费了大量的人 力和物力开展此方面的理论工作，并就此也建立了一系列技术试验系统及试验平台。国内一 些研究所、公司和大学将智能天线应用于实际中，也取得了一定的成果。下面就列举几项实 验系统【5 】： ( 1 ) 美国在智能天线技术方面较其他国家更加成熟和完善，目前已开始投入实际应用中。 美国a r r a yc o m m 公司已经将智能天线应用于基于p h s 标准的无线本地环路中，并投入商业 运行。该方案采用可变阵元配置，有1 2 阵元、8 阵元环形自适应阵列供不同的环境选用，现 场实验表明，在p h s 基站采用智能天线技术可使系统容量增加4 倍。美国u sw e s tn e w 杭州电子科技大学硕士学位论文 v e c t o rg r o u p 公司1 2 波束、2 4 波束的切换波束智能天线系统在密集城区和较稀疏的郊区进行 了场外试验。试验结果对多波束智能天线的实用提供了很多有意义的参数选择。2 4 波束对传 统的蜂窝小区能提供至少5 d b 的信号增益嗍。 ( 2 ) 欧洲通信委员会在r a c e ( r e s e a r c hi n t oa d v a n c e dc o m m u n i c a t i o ni ne u r o p e ) 计划中实 施了第一阶段的智能天线技术研究，称之为t s a u a m i ( t h e t e c h n o l o g yi ns m a r t a n t e n n af o r u n i v e r s a la d v a n c e dm o b i l ei n f r a s t r u c t u r e ) ，它由德国、美国、丹麦和西班牙合作完成。它采用 d e c t 标准，天线由8 个阵元组成，射频工作于1 8 9 g h z ，采用t d d 双向工作方式。硬件主 要包括a s i c 专用芯片t m s 3 2 0 c 4 0 和d b f l l 0 8 ，软件采用的自适应算法包括r l s 算法、n l m s 算法和m u s i c 算法。 ( 3 ) 日本a t r 光电通信研究所研制基于加预处理的自适应波束形成处理方式的智能天 线。系统采用1 6 阵元平面方阵方式，阵元间距为半波长，射频工作频率1 5 4 5 g h z ，阵元接 收信号在模数变换后，先进行快速傅立叶变换( f f t ) 预处理，形成正交波束后，分别采用恒模 算法( c m a ) 或最大比合并( m r c ) 分集算法。天线数字信号处理部分由1 0 片f p g a 芯片完成， 其中包括1 6 个d s p 核，多波束形成时，所有1 6 个d s p 核同时工作。 ( 4 ) 其他国家，我国信息产业部电信科学研究所所属的信威公司成功开发出用于w l l 的 t d d 方式s c d m a 产品，并应用于我国提出的t d s c d m a 方案中。该智能天线采用8 阵元 的环形自适应阵列，射频频率工作于1 7 8 5 1 8 0 5 g h z ，收发间隔为1 0 m s ，接收灵敏度最大可 提高9 d b 。此外，爱立信公司和德国运营商也将智能天线应用于g s m 基站上。韩国和加拿大 等国也开展了智能天线方面的研究。 ( 5 ) 用于卫星移动通信的智能天线目前有一种用于l 卫星移动通信的智能天线。该天线 采用了由1 6 个环形微带贴片天线组成的一个4 x 4 的方形平面阵，射频频率工作于1 5 4 2 g h z ， 模数转换器的采样速率和分辨率分别为1 2 8 k h z 和8 位。数字信号处理部分选用了1 0 个f p g a 芯片，自适应算法选择c m a 。系统测试表明，它能产生1 6 个波束覆盖整个上半空间，并能 用最高增益的波束来自动捕获和跟踪卫星信号。 此外，法国在其南部的实验用l 波段的5 阵元圆阵阵列天线，发射速率为2 0 0 0 k b p ，依 据调制器输出的参考信号采用矩阵求逆算法更新权矢量【j9 1 ，德州大学奥斯汀s d m a 小组建立 了一套智能天线试验环境，着手理论与实际系统相结合。加拿大m c m a s t e r 大学研究开发了4 元阵列天线，采用恒模( c m a ) 算法，还有如美国的m e t a w a v e 公司，s p t i a ld i g i t a ls y s t e m 公司， 加拿大m c m a s t e r 大学，欧洲的n o k i a 、西门子、日本的三洋、松下、n i c t 、a t r 、横滨国 立大学，韩国的k m w 公司、e t r i ，中国的大唐电信、华为、中兴通信、清华大学、西安交 通大学、上海交通大学也已经有相应的各类产品研发成功并投入使用了。智能天线必将在将 来的移动通信中占有一席之地。 m i m o 系统最早是由马可尼( m a r c o n i ) 于1 9 0 8 年提出的，其利用多发多收天线来抑制信道 衰落。2 0 世纪7 0 年代m i m o 技术开始应用于通信领域【2 0 】。2 0 世纪9 0 年代由a t & tb e l l 实 验室学者所做的工作对m i m o 技术应用与无线移动通信系统产生巨大的推动作用。1 9 9 5 年 4 杭州电子科技大学硕士学位论文 t e l a d a r 计算出了衰落情况下的m i m o 信道容量。1 9 9 6 年f o s h i n i 提出了d b l a s t 算法【1 9 。 1 9 9 8 年t a r o k h 等讨论了m i m o 中基于发射分集的空时分组码，由于空时分组码译码复杂度 较低，因而w c d m a t e q 已将其正式列入方案中。1 9 9 9 年，3 g p p 和3 g p p 2 标准把m i m o 及 其相关技术列为关键技术。与o f d m 结合的m i m o 空时分组码也被宽带无线城域网w i m a x 的i e e e 8 0 2 1 6 d 协议列为可选项。新w i f i 标准i e e e 8 0 2 1 l n 也采用了联合o f d m 和m i m o 技术。 此外，研究m i m o 技术最著名的还有伯克利加州大学、斯坦福大学、犹他州杨百翰大学、 欧盟i s ts a t u r n 、欧盟i s tm e t r a 、欧盟i s ta s l i u m 等。 在国内，华为、中兴等通讯公司或企业与清华大学、北京邮电大学、东南大学、电子科 技大学等高校及一些科研机构也投入到了m i m o 通信技术的理论研究与现场测试，产生了多 种信道模型及其编码算法，成功研制出了多种m i m o 天线，并研究了信道相关性、通道互耦 与天线互耦等。当然，其他的国内外正在从事m i m o 移动通信技术的研究与开发的研究机构 与个人，这里就不一一列举。 空时编码及m i m o 与o f d m 系统结合的编码技术已经成为今日m i m o 技术研究焦点。 在波束形成方面主要是空时编码结合自适应波束形成技术的研究，即m i m o 系统与智能天线 技术的结合研究。由于空时分组码技术可以获得高分集增益和编码增益，但也在一定程度上 增强了用户间干扰和码间干扰，而波束形成则可以抑制用户间干扰和减轻码问干扰。因此， 如何使两者技术有效结合，使它们取长补短，成为移动通信领域热点研究方向。最近几年， 许多研究机构和研究学者都己经开展了对空时编码联合波束形成技术的研究。2 0 0 1 年，芬兰 n o k i a 公司提出的基于极化天线的空时分组码联合波束形成技术可应用于下行链路 2 2 1 。2 0 0 4 年，j l d a v i d 【2 3 】提出了一种有限反馈的正交空时分组码波束形成算法。依靠反馈信道状态信 息( c s i ) ，采用一定的编码算法，使空时分组码和波束形成技术结合，从而提高合并系统的 性能。文献 2 4 研究了当发射端已知部分信道状态信息时的空时编码技术结合波束形成技术， 并引出了一种在频率非选择性衰落信道下的结合性能标准。文献 2 5 1 提出一种采用波束调度 策略的m i m 0 与智能天线融合设计方案，用以解决m i m 0 传输中空域相关性问题。文献 2 6 利 用相关性小的原则从智能天线阵列中选出n 个阵元组成多个m i m 0 阵列。 总之，从近些年的文献资料和研究机构专家学者所关注的热点上可以看出，未来移动通 信发展的一个趋势是空间分集、信道编码及其与波束形成技术的结合。 1 3 本文的内容安排 本论文首先研究了智能天线和m i m o 这两种多天线技术的原理、常用的典型算法及技术、 应用情况，及两者技术的异同，探讨了这两种技术的结合的可能性，并介绍已有的结合方案。 然后在这些工作的基础上，提出了一种将准正交空时编码技术和编码滤波自适应波束形成算 法结合，其能有效改善在频率选择性衰落信道中的多用户干扰。 杭州电子科技大学硕士学位论文 第一章主要介绍本文工作的目的意义、多天线系统中智能天线和m i m o 的研究现状和发 展趋势、及本文的内容安排。 第二章首先介绍了智能天线自适应波束形成的基本原理，接着介绍了五种常用的接收准 则，基于这些准则，然后介绍了五种典型自适应波束形成算法，并对这五种自适应波束形成 算法进行了计算机仿真。最后本文在研究了传统的线性约束最小二乘恒模( l c l s c m a ) 波 束形成算法的基础上，提出了一种基于子空间的线性约束最小二乘恒模( l c l s c m a s u b ) 波束形成算法，计算机仿真结果表明，l c l s c m a s u b 比l c l s c m a 约取得了o 8 d b 的信噪 比增益，这是因为l c l s c m a s u b 算法将权向量约束在信号子空间内，从而有效消除了噪声 子空间的影响。本文提出的l c l s c m a s u b 波束形成算法能有效改善系统性能。 第三章首先介绍了m i m o 系统的基本原理，然后在a l a m o u t i 编码的基础上，介绍了三发 射天线和四发射天线的空时分组编码技术，接着介绍了m i m o 系统中的波束形成原理，其中 重点介绍了联合收发波束形成技术。最后对智能天线系统中的波束形成技术和m i m o 系统中 的波束形成技术的异同进行了分析研究，在此基础上研究分析了两者技术结合的可能性并介 绍了多种已有方案。 第四章针对在频率选择性衰落信道情况下，m i m o 系统的空时编码技术由于存在符号间 干扰导致用户误码率性能偏高，在研究了智能天线自适应波束形成技术的基础上，本文提出 了一种四发射天线的满码率，满空间分集增益的准正交空时编码与编码滤波自适应波束形成 算法的结合系统模型及其算法，并对其在平坦衰落信道和频率选择性衰落信道两种不同的信 道环境中与未采用编码滤波自适应算法的空时编码进行仿真比较，计算机仿真表明，本文建 议的算法能有效改善用户在平坦衰落信道和频率选择性衰落信道中的误码率性能，具有较高 的理论意义和应用价值。 6 杭州电子科技大学硕士学位论文 第二章智能天线及其波束形成算法研究 智能天线( s m a r t a n t e n n a ) 最初来源于自适应阵列天线，早些时候主要应用于雷达、次声波 通信以及军事通信等领域。随着最近几年数字信号处理技术的迅猛发展，以及d s p 芯片处理 能力的快速提高和芯片制造成本的逐步下降，数字技术应用于基带形成天线波束领域最终变 为现实可行。同时，也由于个人移动通信的快速发展，使得本就有限的频谱资源更加日趋紧 张，而多址技术的引入，也明显加大了蜂窝小区内的多址干扰，恶化了信道环境。智能天线 技术一方面可以通过利用信号在空间上存在的差异，另一方面利用各种自适应信号处理的技 术，来提高无线通信系统的准确性和稳定度，同时降低发射功率，其具有巨大的应用价值。 由于智能天线在提高通信系统性能和扩大系统容量方面的成果显著，而且又能增加天线系统 的灵活性，因此几乎未来所有可预见的移动通信系统都将采用智能天线技术。 2 1 智能天线技术简介 智能天线可分为多波束天线和自适应天线。多波束天线对整个小区使用多个波束覆盖， 波束指向不时变，波束宽度随天线阵元数的确定而固定不变，系统按照用户在小区中的位置 选取相应的波束，使接收信号性能最优。自适应天线技术早些时候应用于雷达及声纳等军用 设备上，主要用来完成信号空间滤波及方位角确定。当自适应技术被引入到民用无线移动通 信领域后，随着科研人员的不懈努力，逐步发展成为现今人民熟知的智能天线技术。通常， 智能天线是指自适应天线。自适应天线利用信号空间方位信息，自适应地调整天线阵列的波 束方位图，使天线主瓣对准期望用户信号的到达角度，旁瓣或零陷