（通信与信息系统专业论文）c3ga系统级仿真平台智能天线模块的设计与实现.pdf

釜。一一。，“一一一一一一、一：一一一一一。篡一一一尊一三“一8 “。”“。一。：? 。“。8 。i “。一“i 一。7 _ ”一一一：1 。： 东南大学学位论文独创性声明 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，也不包含为获得东南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。 研究生签名：日期： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、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) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：导师签名： 期： 摘要 本研究课题来源丁江苏省科技成果转化专项资金项目“基于多网融合技术的 t d s c d m a 多模终端的研制及产业化( b a 2 0 0 6 1 0 1 ) ”。本文的主要任务是在o p n e t 仿真 环境。卜，基丁现有的c 3 g a 网络系统级仿真平台，设计、实现= j f ：仿真智能火线模块，并针 对智能天线对c 3 g a 网络的系统性能产生的影响进行分析。其中，c 3 g a 网络系统是指引 入白组织功能的t d s c d m a 蜂窝移动通信系统，其中c 是c h i n a 的缩写，3 g 表示 t d s c d m a 蜂窝移动通信网络，a 是白组织网络a dh o c 的缩写。 本文首先提出了系统级仿真平台上智能大线模块的总体设计方案，即将钾能大线模块的 没计分为基丁空问参考波束赋形的智能大线模块和基f j ：时间参考波束赋形的钾能天线模块 分别实现。基丁空间参考波束赋形的智能大线模块分为接收大线模型和发射天线模型两部分 进行设计，并通过将0 p n e t 软件与m a t l a b 软件进行接 j 的方法体实现：基于时间参 考波束赋形的智能大线模块的设计包括：首先设计并建立能够实现基丁时间参考的波束赋形 功能的t d s c d m a 系统的链路级仿真模型，然后设计链路级仿真与系统级仿真的接口，以 将链路级仿真结果导入系统级仿真平台。在完成钾能天线模块的设计后，在o p n e t 仿真环 境卜的c 3 g - a 的系统级仿真平台中，对两种智能大线模块进行了系统级的仿真验证和测试。 仿真结果表明，在c 3 g a 系统级仿真平台上加入本文设计的智能天线模块，整个系统的性 能相对丁朱加入智能大线模块时的系统性能有了较为明显的改善和提高；另外，文中还对仿 真调试过程中遇剑的部分问题和解决方法进行了说明。最后对全文进行了总结，并对下一步 的研究进行展望。 关键词：t d s c d m a ，智能天线，波束赋形，系统级仿真，联合仿真 a b s t r a c t t h er e s e a r c hs u b j e c to f t h i st h e s i si ss u p p o n e db yt h ek e yh a r v e s tc o n v e r s i o nf o u n d a t i o no f j i a n g s up r o v i n c e ，n a m e dr e s e a r c ha 1 1 dd e v e l o p m e n to fm u i t i m o d et d s c d m a t e t l l n i n a lb a s e d o nt h et e c h n o l o 科o fm u l t i n e m o r l c sc o n v e 璎e n c ea n di t si n d u s t r i a l j z a t i o n s ( b a 2 0 0 6101 ) t h e m a i nt a s ko ft h i st h e s i si st 0d e s i 鲫，i m p l e m e n ta n ds i m u l a t et h es m a r ta n t e n n am o d u l eb a s e do n t h ea v a i l a b l ec 3 g an e t w o r ks y s t e m l e v e ls i m u i a t i o np l a t f o m li no p n e ts o f h a r ee n v i r o n m e n t t _ h ec 3 g an e t w o r ks v s t e mi sat d s c d m ac e l l u l a rm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mc o m b i n e d w i t ha dh o cn e t w o r k ，w i t hi e t t e rcs t a n d i n gf o rc h i n 钆3 gs t a n 出n gf o rt h et d s c d m as y s t e m ， 绷dl e t t e ras t a n d i n gf o ra dh o c m e 锄w h i i e ，s y s t e m 1 e v e ls i m u l a t i o nw i l lb em nb a s e do nt h e d e s i g t l e ds m a r ta n t e n n am o d u l e ，锄dt h ei n n u e n c eo nt h ep e b r n l a n c ei m p m v e m e n to fc 3 g a n e t w o r ki sa n a l y z e d f i r 瓯t h em a i nd e s i 擘田s c h e m eo fs m a r t 锄t e n n am o d u l ei ns y s t e m 1 e v e ls i m u l a t i o np l a t f o r mi s p r e s e n t e d t h es m a r ta n t e n n am o d u l ec a nb ed e s i g l l e dt h r o u g h “，os c h e m e s ，t h eo n ew i t hs p a c e b a s e db e 姗f o 舯i n gs m a n 卸t e n n a 硼dt h eo t h e rw i t ht i m eb a s e db e a m f o m i n gs m a r ta n t e n n a t h e d e s i 擘mo fs p a c eb a s e db e 枷f o 咖i n 2s m a u ta n t e n n am o d u l ei n c l u d e sr e c e i v i n gr e c e i v i n ga n t e n n a m o d u l ea n dt 枷s m i t t i n ga j l t e n n am o d u l e ，a n dt h ei m p i e m e n t a t i o no fi ti sb yi n t e r f a c i n go p n e t w i t hm a t l a b ；t h ed e s i g no ft i m eb a s e db e a m f o m l i n gs m a r ta n t e n n am o d u l ei s ：6 r s td e s i g n i n g 卸db u 订d i n gt d s c d m al i n k 1 e v e ls i m u l a t i o nm o d u i ew i t ht i m eb a s e db e a m f o m i n gf u n c t i o n ， 柚dt h e nd e s i 擘田i n gt h ei n t e r f k eb e t 、e e nl i n k 1 e v e ia n ds y s t e m 1 e v e l ，w h i c hw i l li m p o r tt h e l i n k i e v e lr e s u l t si n t ot h es y s t e m 1 e v e ls i m u l a t i o np l a t f o m l a n e rt h ed e s i 星皿o fs m a n 硼t e n n a m o d u l e ，s y s t e m i e v e ls i m u l a t i o nw i t ht h ed e s i g n e ds m a n 柚t e n n am o d u l ei s1 1 j nb 弱e do nt h e c 3 g as y s t e m l e v e ls i m u i a t i o np l a t f o r n li no p n e t s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h es y s t e m p e r f 0 册a n c ei sh i g h l yi m p r o v e db yt h es m a na n t e n n am o d u l ed e s i9 1 1 e di nt h i st h e s i sc o m p 刮r e d w i t ht h es y s t e mw i t h o u tt h ea d o p t i o n0 fs m a r ta n t e n n am o d u l e a n ds o m ep r o b l e m se n c o u n t e r e d d u r i n 2s i m u l a t i o na n dt h er e l a t e ds o l u t i o n sa r ep r e n t e d a n da t1 a 瓯廿l ew h 0 1 ew o r ko ft h i st l l e s i s i ss u m m 撕z e d 锄dt h e 胁r ew o r ki sp m p o s e d k e yw o r d s ：t d s c d m a ，s m a n 鲫t e 肌b e 锄f o m i n s y s t e m - l e v e ls i m u i a t j o n ，i o i n ts i m u l a t - 0 n u 摘要 目录 。i ， i i i a b s t r a c t 目录 插图目录 缩略语 v v u 第l 章绪论l 1 1 课题背景1 1 1 1c 3 g - a 系统l 1 1 2t d s c d m a 系统网络结构l 1 1 - 3 智能大线技术2 1 1 3 1 智能天线的j i ：作原理2 1 1 3 2 智能天线波束赋形技术3 1 2 本文- 卡要内容及各章1 了安排4 第2 章智能天线模块总体设计方案7 2 1c 3 g a 系统级仿真平台与仿真软件o p n e t 7 2 1 1c 3 g a 系统级仿真平台7 2 1 2 网络仿真软件o p n e t 7 2 2 智能大线模块的总体设计方案8 2 2 1 基丁空间参考波束赋形的锢能大线模块设计8 2 2 1 1 接收天线模型设计9 2 2 1 2 发射天线模型设计。9 2 2 1 3d o a 估计法和波束赋形的选择9 2 2 1 4 波束赋形技术的实现l o 2 2 2 基于时间参考波束赋形的智能大线模块设计1 l 2 - 3 智能天线阵列的数学模型l2 2 4 本章小结1 4 第3 章基于空问参考波束赋形的智能天线模块的设计1 5 3 1 接收大线模型设计l5 3 1 1 基站节点模型n 0 d eb 设计15 3 1 1 - 1 进程模型n o d eb 设计15 3 1 1 2 天线控制模型a mc t r 设计17 3 1 2u e 和i 冰c 节点模型描述。18 3 1 3 上行链路管道模型设计1 9 3 2 发射天线模型设计2 2 3 2 1 发射天线模型的天线控制模型设计2 2 3 2 2 下行链路管道阶段设计2 2 3 3 本章小结2 3 第4 章基于时间参考波束赋形的智能天线模块的设计2 5 4 11 d s c d m a 系统基本参数和帧结构2 5 4 1 1t d s c d m a 系统的基本参数2 5 4 1 2t d s c d m a 系统的帧结构2 5 4 2 上行链路仿真模型搭建2 6 u i 4 3 下行链路仿真模型搭建2 9 4 3 1 下行链路传输模碰2 9 4 3 2 下行波束赋形的具体实现3 0 4 4 天线模型链路级与系统级的接u 设计3 l 4 5 本章小结3l 第5 章智能天线模块在系统级仿真平台的实现与测试3 3 5 1 基丁空问参考波束赋形的智能大线模块的仿真3 3 5 1 1 仿真场景没置3 3 5 1 2 仿真结果3 4 5 2 基于时间参考波束赋形的智能天线模块的仿真3 9 5 2 1 链路级仿真3 9 5 2 2 链路级仿真结果向系统级仿真平台的导入4 0 5 2 - 3 系统级仿真结果4 0 5 3 调试出现的问题及解决方法4 1 5 3 1 遇剑的问题之一及解决4 1 5 3 2 遇到的问题之二及解决。4 2 5 4 本章小结。4 3 第6 章总结与展望4 5 6 1 论文i ：作总结4 5 6 2 进一步的研究：i ：作4 5 致谢4 7 参考文献4 9 攻读硕士学位期问的研究成果5 l 插图目录 图1 1 智能天线的一般结构图3 图1 2 波束赋形算法分类示意图3 图2 1c 3 g a 系统级仿真平台架构：7 图2 2 采川智能天线的t d - s c d m a 系统结构框图1 3 l 8 图2 3 接收大线模型9 图2 4 发射大线模型9 图2 5o p n e t 与m a t l a b 接口交互示意图1 l 图2 6 链路级仿真与系统级仿真的接口1 2 图2 7 上行链路仿真模型结构图1 2 图2 8 下行链路仿真模型结构图12 图2 98 元均匀圆形天线阵的原理图1 3 图2 1 0m 元均匀直线天线阵原理图1 4 图3 1n o d eb 节点模型15 图3 2n o d eb 进程模璎的外部接口属性图一1 6 图3 3n o d eb 状态转移图l6 图3 4 天线控制器外部接口属性图1 7 图3 5 锄tc 仃状态转移图18 图3 6 智能大线模型坐标2 0 图3 7 接收大线增益管道阶段模型的程序流程图2 l 图3 8 大线控制模型锄tc 仃程序流程图2 3 图4 1t d s c d m a 帧结构2 6 图4 2t d s c d m a 系统时隙内部结构图2 6 图4 3o v s f 码树图2 7 图4 4 下行波束赋形实现模裂3 0 图5 1 智能犬线模块的仿真场景j 3 3 图5 2 上、下时隙发送数据仿真结果图3 4 图5 - 3n 0 d e b1 、u e0 和u e1 的收到数据包的延时3 5 图5 4 传统波束赋形下智能天线对移动台u e2 形成的接收天线方向性图3 5 图5 5 基站n o d eb1 收信机的比特错误率。3 6 图5 6 基站n o d e bl 收信机的吞吐量3 6 图5 7 上行链路吞吐量3 7 图5 8 终端u e2 接收功率仿真结果图3 7 图5 9 终端u e2 下行链路吞吐量3 7 图5 1 0 使用m v d r 算法的智能天线对u e3 形成的接收天线方向图3 8 图5 1 1 基站收信机的错误比特率仿真结果3 8 图5 1 2m v d r 和传统波束赋形算法u e2 收到的信号功率的仿真结果3 9 图5 1 3m a t l a b 中链路级仿真结果。3 9 图5 1 4 链路级仿真结果生成的调制曲线。4 0 图5 15 用户u e5 收信机的吞吐量4 1 图5 16 接收有效封包过程中另一个包到达示意图一4l 图5 1 7 基站收信机信道属性设置4 2 v l 一 图5 1 8 基站收信机的不同信道的吞吐量。4 3 v i 缩略语 ( 按文中出现顺序) 白组织网络( a dh o cn e t w o r k ) 时分同步码分多址( t d s c d m a ，t i m ed i v i s i o ns y n c h m n o 吣c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 中国无线通信标准研究纽( c w t s ，c h i n aw i r e l e s st e l e c o m m u n i c a t i o ns t a n d a r dg m u p ) 国i 啄i 乜信联盟( i t u 。i n t e m a t i o n a it e l e c o m m u n i c a t i o nu n i o n ) 时分舣i ：( t d d ，t i m ed i v i s i o nd u p l e x ) 通j j 移动通信系统( u m t s ，u n i v e r s a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n ss y s t e m ) u m t s 地面无线接入网( u t r a n ，u m t st e r r e s t r i a lr a d i oa c c e s sn e t 、o r k ) 核心网( c n c o r en e t w o r k ) 无线接入子系统( r n s ，r a d i on e 觚o r ks u b s v s t e m ) 无线网络控制器( r n c ，r a d i on e t 、v o r kc o n 仃o l l e r ) 无线资源控制( r r c ，r a d i or e s o u r c ec 0 n t r o i ) 均匀线阵( u l a ，u n i f o m “n e 甜a m v ) 均匀吲阵( u c a ，u n i f o mc i r c u l a ra 哪) 波达角度( d o a ，d i r e c t i o no f a 币v a l ) 最小方差无畸变响应( m v d 艮m i n i m u mv 撕锄c ed i s t o r t i o nr e s p o n s e ) 频分舣i ：( f d d ，f r e q u e n c yd i v i s i o nd u p l e x ) 直接序列码分多址( d s c d m a ，d i r e c ts e q u c n c r 吨o d ed i v i s i o nm u l t i p i ea c c e s s ) 最小均方算法( l m s ，l e a s tm e 绷s q 岫j 1 e ) 递门最小二二乘算法( r l s ，r e c u r s i v el e a s ts q 呲s ) 采样矩阵求逆算法( s m l ，s 砌p l em a ：t r i xi n v e r s i o n ) 恒模类( c m a ，c o n s t a n tm o d u l u sa lg o r i t h m ) 外部模型访问( e m a ，e x t e m a lm 0 d e la c c e s s ) 国际移动j 甘户识别码( i m s i i m 啪a t i o n a im o b i l es u b s c r i b e ri d e n t i f i c a t i o nn 啪b e r ) n o d ebj 澎卅部分( n b a p ，n o d eba p p l i c a t i o np a n ) 传输数据属性( t d a t r 锄s m i s s i o nd a i aa t t r i b u t e ) 无线传输技术( r 1 r a d i o 胁n s m i s s i o nt e c i l n o l o 科) 上行链路( u l ，u pl i n l 【) 下行链路( d l ，d o 、nl i n l ( ) 下行导频时隙( d w p t s ，d o 、n l i n kp i l o tt i m es 1 0 t ) 上行导频时隙( u p p t s ，u p l i n kp i l o tt i m es 1 0 t ) 保护时隙( g p g u i d ep e r i o d ) 第三代合作伙伴项目( 3 g p p ，3 r dg 朋e m t i o np a n n e r s h i pp r o j e c t ) 正交可变扩频因子( o v s f ，o n h 0 9 0 n a lv 面a b l es p 他a d i n gf a c t o r ) 误比特率( b e 民b i te n o rr a t e ) 信噪比( s n r ，s i 趴a lt 0n o i s er 撕o ) v i i v i 第l 帝绪论 1 1 课题背景 第1 章绪论 进入2 1 世纪以来，以g s m 和i s 9 5 等为代表的第二代蜂窝移动通信系统( 2 g ) 为川户 提供的服务质颦和内容已渐渐难以满足用户日髓增长的需要。为了满足用户对移动通信服务 质培乘i 内容的要习之，以w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 帚it d s c d m a ( t i m ed i v i s i o ns v n c h r o n o u s c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 为主流标准的第三代蜂窝移动通信3 g 技术已经逐渐发展成 熟并投入使h j 。 在蜂窝移动通信系统中，覆盖区域一般被划分为类似蜂窝的多个小区。每个小区内设置 f i i i i 定的基站，为用户提供接入利信息转发服务。移动j j 户之间以及移动用户和竹移动j j 户之 间的通信均需通过基站进行。基站则一般通过有线线路连接到主要由交换机构成的骨干交换 网络。 移动门组织网络( 亦称为无线a dh o c 网络) 是指由一组移动一竹点组成的无线移动通信 网络。它没有有线的基础设施的支持，所有的节点都是可以移动的，能够实现快速白动组网， 具有无中心、自组织、多跳和路【i 选择等特点l lj 。各个移动1 了点相：q 协作，通过无线链路进 行通信，不在直接通信范隔的两个：岿点可以通过其它。j 了点的中继实现多跳通信。将蜂窝移动 通信系统与移动自组织网络进行融合，是当前研究的热点之一。 1 1 1c 3 g a 系统 本文的课题辛了景止是第三代蜂窝移动通信网络t d s c d m a 与移动门组织网络a dh o c 的融合，称为c 3 g a 。c 3 g a 系统是指将t d s c d m a 蜂窝移动通信网络与无线a dh o c 网 络进行融合的系统，字母c 表示c h i n a ，3 g 是指第3 代移动通信，而c 3 g 就表示t d s c d m a 蜂窝移动通信系统网络，字母a 则指的是a dh o c 网络。 t d s c d m a 与a dh o c 结合，可以使移动h j 户终端同时具有直通和多跳转发的功能，用 户终端既可以在一定范用内动态地组成白组织网络，共享周边的服务资源，也可以通过多跳 转发接入基站获得蜂窝网络的服务。通过这种方式，可以节省蜂窝网的无线资源，提高蜂窝 网的系统容量，扩展t d s c d m a 蜂窝移动通信系统的覆盖范同，并降低移动终端的功耗等。 由于网络融合代表了下一代无线通信系统的发展趋势，所以融合问题成为近年米无线通信领 域一个新的研究热点，在国内外的许多人学和科研机构中都有着j “泛的研究，并出现了许多 相关的概念和方案m j 。 1 1 2t d s c d m a 系统网络结构 c 3 g a 系统中的t d s c d m a 网络系统是由中国无线通信标准研究组( c w t s ，c h i n a 晰陀l e 鹦t e l e c o m m 帅i c a t i o ns t a l l d a r dg m u p ) 提交给国际电信联盟( i t u ，i n t e m a t i o n a l t e l e c o m m 帅i c a t i o nu n i o n ) 的3 g 的三大主流标准之一。t d s c d m a 具有时分双：l ：( t d d t i m ed i v i s i o nd u p l e x ) 模式、低码片速率、上行同步、接力切换、智能大线、联合检测和软 件无线电等技术特点i ) j 。 t d s c d m a 系统的网络结构可以分为u m t s 地面无线接入网( u t r a n 。u m t s t e n e s t r i a lr a d i o a c c e s sn e 坩o r k ) 和核心网( c n ，c o r en e m o r k ) 两部分l 引。 核心网c n 包括支持网络特征和通信业务的物理实体，提供h j 户位置信息的管理，网络 特性和业务的控制，信令和h 3 户信息的传输机制等功能，主要处理u m t s 系统内部所有的 话音呼叫、数据连接和交换，以及与外部其它网络的连接和路由选择。 无线接入网u t r a n 由一组无线接入子系统( r n s ，r a d i on e t 、o 呔s u b s y s t e m ) 组成， 每个r n s 包括一个无线网络控制器( r n c ，r a d i on e m o r kc o n t r o l l e r ) 和一个或多个基站 n o d eb ，n 0 d eb 和r n c 之间通过i u b 接口进行通信，l 喇c 之间通过i u r 接口进行通信，r n c 通过i u 接口与核心网相连。 r n c 主要负责无线接入网的无线资源管理，包括接纳控制、功率控制、负载控制、切 b 一一一一* ，d i 二 东南人学硕i ：学位论文 换和包调度等方面，通过无线资源控制( r r c ，r a d i or e s o u r c ec o n t r 0 1 ) 协议执行相应进程 米完成这些功能。 n o d eb 1 了点主要功能是进行空中接口的物理层处理，如信道交织和编码、速率匹配和 扩频等筲，同时它也执行无线资源管理部分的内环功率控制。 1 1 3 智能天线技术 智能天线技术能明显改善无线通信系统的性能，具体体现在：( 1 ) 提高小区内频谱复j i j 率，在尽鼙少建基站的基础上增加系统容鼙，降低运营商成本：( 2 ) 迅速解决稠密市区容鼍 瓶颈问题：( 3 ) 对米自各个方向的波束进行空域滤波。通过对各天线元的激励进行调整，优 化大线阵列方向图，将零点对准十扰方向，人人提高大线阵列的输出信千比。对j ：软容鼍的 c d m a 系统，信干比的提高亦即系统容鼍的提高；( 4 ) 降低信号衰落的影响；( 5 ) 实现移 动台定位，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 商加强门身竞争力的必然手段。 智能天线技术由于存在以上所述的优势，因此在第二代移动通信的标准中。i 有极其重要 的地何。其中t d s c d m a 标准已将它作为关键技术之一，而其他标准也把智能天线作为提 高系统性能的选择方案之一【4 j ，而且在朱米的第四代移动通信系统中，也将j “泛地采用智能 天线技术。 t d s c d m a 系统由于采用t d d 模式以及特殊的帧格式，能够在基站端有效地应川智能 天线技术。2 0 0 2 年l o 月，海犬大线与人唐电信签约合作开发“t d s c d m a 移动通信智能 天线系统”，将智能天线技术成功应用剑t d s c d m a 系统中l 引。在t d s c d m a 系统的基 站中采用智能天线技术，以窄波束向特定用户定向发送功率，能够有效地减少对其他川户的 干扰，提高卜行容量；同时基站通过利j i j 智能大线对接收信号进行空域滤波，也可以提高上 行容量等。 智能大线技术由于本身所具有的优点，成为当今研究的热点问题。目前对智能天线的研 究土要有以下儿个方向：一是智能天线基础理论的研究，主要研究智能天线的波束赋形算法， 利用理论和仿真的方法，结合具体的移动通信系统，研究快速高性能的智能大线新算法；二 是研究智能天线对现代移动通信系统的作h j ，通过利川仿真或理论研究的方法探讨应用智能 天线对移动通信系统的抗干扰能力、系统容量、抗多径衰落能力的改善：三是建立智能大线 研究实验平台，在实际的电磁环境- 卜测试各种大线阵列、智能大线波束赋形算法的性能，以 确定智能天线的解决方案，并着手解决智能天线实用化的技术问题( 如阵列单元的互耦、各 单元通道不一致性的实时校准技术等) 【6 j 。 本文的主要一i ：作就是在c 3 g a 系统级仿真平台上，设计并实现智能天线模块。由丁实 际中智能天线技术应用在t d s c d m a 网络中，因此智能大线模块的设计并不涉及到a dh o c 网络，所以本文的设计都是考虑剑在t d s c d m a 网络中实现。 1 1 3 1 智筐天线的工作原理 智能天线能够针对噪声、干扰和多径，采用数字信号处理技术，动态地调整天线系统的 方向性图，实时跟踪用户，识别用户信号到达方向，并在用户信号剑达方向上形成大线主波 束。图1 1 是智能天线的般结构图，其中，智能天线的组成主要包括四个部分：天线阵列、 模数转换、自适应处理器及波束形成网络【7 j 。 智能天线的天线阵列是由m 个低增益天线阵元组成，阵元一般采用全向天线。天线阵 元的排列方式有多种儿何形状，一般是等距的。天线阵元之间的间隔很小，一般为j 仁个波长 左右，因此剑达智能大线阵列的不同阵元的信号是完全相关的1 3 j 。阵元排列主要有等距直线 排列，称为均匀线阵( u l a ，u n i 两ml i n e a ra n 掣) ：也有等距圆周排列，称为均匀圆阵( u c a u n i f o 咖c i r c u ka 聃y ) ；还有等距平面排列，称为均匀平面阵。大线阵元收剑的信号由a d 转换器进行采样后，由白适应处理器根据波束赋形算法和估计的米波方向等产生权值屹 ( m = 勺，l ，m 1 ) ，波束形成网络则根据自适应处理器动态生成的权值与采样后的信号进行 加权合成，以产生期望的自适应波束i r ，j 。 2 图1 1 智能天线的一般结构图7 】 1 1 3 2 智麓天线波束赋形技术 波束赋形技术是智能天线技术的核心。智能天线进行波束赋形的过程，就是依据一定准 则，通过波束赋形算法得剑最优的大线阵列的权值的过程【8 l 。波束赋形算法能够白适席地调 整阵元的权值，并使其达到最优，以满足所期望的代价函数。 波束赋形技术在发展过程中，其命名、分类并不完伞统一，加之近年来与其他技术( 如 联合检测和功率控制等) 的结合乃至融合，使相关的具体技术硅得很复杂。图1 2 是通常的 波束赋形技术分类示意图，可见，根据应用场合的不同，波束赋形技术可以有不同的分类方 法。 图1 2 波束赋形技术分类示意图9 l 根据智能天线在基站处是接收还是发送，波束赋形算法可以分为上行波束赋形和下行波 束赋形，也即接收波束赋形和发射波束赋形。根据实际情况和需要，上行波束赋形和卜行波 束赋形算法可以相同，也可以不同。 根据：i ：作方式不同，可以将波束赋形算法分为切换波束赋形算法和自适应波束赋形算 3 形 形 形 赋 引 州 墅 姗 姗 姗 一 一 一 一 束 束 束 波 鸯 置 色 一 一 一 一 谢 好 剧 行 行 换 适，i弋i 一j i 一一 东南人学硕i ：学位论文 法。切换波束赋形算法是利j j 多个事先预置的并行波束覆盖整个川户区，每个波束的指向是 | i i i | 定的。基站根据小区内移动用户的波达角度( d o a ，d i r e c t i o no f a 丌i v a l ) 信息，选择相应 的发射波束。预先计算女：所有方向的阵列加权值，并将这些信息加以存储。只需根据移动台 的d o a 信息，选取存储在计算机中的相应加权值，形成发射波束，提高川户的信噪比。白 适应波束赋形算法是根据一定准则计算出一组天线权值向鼙。 根据波束赋形时所参考的信息，可以将波束赋形分为基丁空间参考的波束赋形、基丁时 间参考的波束赋形以及盲处理方式的波束赋形。 基于空间参考的波束赋形算法需要估计米波的d o a ，得剑日标信号和干扰信号的d o a 信息后，再自适席地调整天线阵列的权值，使方向图往h 标信号方向上形成主波束，而在干 扰方向上形成零陷。目前常川的基1 ：空问参考的波束赋形有以。卜两类：传统波束赋形和最小 方差无畸变响应( m v d m i n i m u mv a r i 卸c ed i s t o n i o nr e s p o n s e ) 波束赋形。 ( 1 ) 传统波束赋形 传统波束赋形算法只进行主瓣控制，即仅保证对目标用户有最人的增益，其合并权值为： w = a ( 碌) ，其中a ( 铱) 为目标用户对应的阵列响廊欠龟。只有在无干扰且仅有空间高斯白噪 声的时候，该权值才是最优的。这种算法实现了最人信噪比准则。 ( 2 ) 最小方筹无畸变响应波束赋形 最小方差无畸变响应波束赋形是在满足w h a ( 酿) = 1 的条件下，求i l i 使天线阵列输 l j 总 功率只。= 以i 灭刀) 1 2 = w h r 。w 晟小的权值向量w ，其中r 。为天线阵列收剑的信号的自相关 矩阵。该波- 束赋形法同时实现了对噪声和来自非期望方向的干扰的优化滤除，其目标是使输 出信干比最大。 基丁空间参考的波束赋形的主要优点是比较适合频分双i ：( f d d ，f r e q u e n c yd i v i s i o n d u p l e x ) 系统，通过上行链路进行d d a 估计，可以用于卜行链路权值的计算。因为对同一 移动用户来说，在足够短的时问内，上、下行链路的d o a 的变化较小。它的主要缺点有以 下两个：基丁空间参考的波束赋形需要对米波信号进行d o a 估计，而d o a 估计需要对阵 列进行周期性的校正；在信号扩散角较人或者无直射路径时，性能显著卜降。 基于时间参考的波束赋形利用辅助的参考信号米计算和更新大线阵列的加权欠量，常采 用的自适应算法为最小均方算法( l m s ，l e a s tm e 锄s q u a r e ) 、递归最小一二乘算法( r l s ， r e c u r s i v el e a s ts q u a r e s ) 和采样矩阵求逆算法( s m i ，s 踟p i em a t r i xi n v e r s i o n ) 等。这种方 式具有较好的鲁棒性，能较好地跟踪移动信道的连续变化，适用丁t d d 系统，但不适 j 于 f d d 系统，因为不能由上行接收的信息确定f 行波束权欠鼍【l 们。在蜂窝移动通信系统中， l m s 和r l s 等算法需要的参考信号是靠周期性地发送收发双方都知道的训练序列或导频信 号来实现的，会i 用频谱资源，降低频谱利用率。 在t d s c d m a 系统中，每个移动用户均对虑于不同的扩频码和训练序列位移【1 1 1 ，这些 特征可被用来求解大线阵列的加权欠晕，因而采用基丁时间参考的波束赋形算法是合理的。 盲处理方式利h j 信号所l i i i i 有的各种特性，如信号的常模特性、有限字符特性等，来调整 天线阵列的加权矢龟。盲处理方式常采用的算